半导体材料线切割技术研究现状
59页1、半导体材料线切割技术研究现状,1, 半导体材料的性能与应用 放电切割加工研究现状 半导体材料的电火花切割 电火花线切割的伺服控制 半导体放电切割加工设备及检测装置的设计 半导体放电特性研究,2,一、半导体材料的性能与应用,目前定义半导体为导电性能介于金属和绝缘体之间,并且具有负的电阻温度系数的物质。一般意义上认为半导体具有五大特性:掺杂性,热敏性,光敏性,负电阻率温度特性,整流特性。掺杂性是指在半导体材料中掺入特定的杂质元素,材料的导电性能具有可控性;热敏性和光敏性是指半导体材料受到光照和热辐射,材料的导电性能会有变化;负电阻率温度特性是指半导体材料随着温度的升高,电阻率反而下降;整流特性是指半导体材料的单向导通性。由于这些特殊性质,半导体材料已经在航空航天、国防工业、通讯、电子工业、照明和太阳能等领域得到了广泛的应用,成为了不可或缺的基础材料。,3,二、放电切割加工研究现状,2.1 半导体材料的电火花切割 半导体材料难加工是因为它具有高脆性,低断裂韧性以及相近的弹性极限和强度的特点,当其所承受的载荷超过弹性极限时就发生断裂破坏,在已加工表面产生裂纹,严重影响其表面质量和性能。因此,若
2、使用传统加工方法对半导体进行加工,其可加工性极差。 半导体晶体具有一定的导电性能,不需要形成辅助电极就能适应放电加工。但由于半导体晶体的电阻率较高,并且具有许多的特殊电特性,利用电火花线切割方法在半导体方面的加工具有很高的技术难度,目前这一技术吸引了国外学者的大量关注。表 1.1 列举了半导体材料的几种切割方式,4,5,2.2 电火花线切割的伺服控制 2.2.1 伺服系统 伺服系统就是用来控制被控对象的某种状态,使其能自动地、连续地、精确地呈现输入信号的变化规律;伺服控制技术则是要求系统精确地跟踪控制指令、实现理想运动控制的过程,如图1.7所示。,6,2.2.2 线切割伺服进给控制系统 调节原理如图 1.8 所示,其中测量环节为系统检测得到的间隙平均电压信号,执行机构为步进电机,调节对象为电极丝与工件之间的距离;检测得到的间隙平均电压信号通过与给定值的信号进行比较,然后将差值经过放大环节和压频转换电路,使得将差值电压信号转为一定频率的脉冲而控制步进电机的进给。,7,三、半导体放电切割加工设备及检测装置的设计,3.1 试验加工设备 本文介绍的是杭州华方数控机床有限公司生产的 HF400D
3、 摇摆锥度快走丝电火花数控线切割机床(图 2.1)进行切割试验,其各项指标如表 2.1 所示,硅片放电切割加工系统原理如图 2.2所示。,8,9,3.2 检测装置的设计 弯丝过冲信号检测装置如图 2.3 所示,通过固定端螺钉固定于机床喷液装置上下方,调节固定端螺钉的位置,可以调节电极丝与检测电极前后距离,以适应不同的加工条件;调节检测电极则可以改变与电极丝之间的左右距离,调整检测精度。信号线从检测电极尾端引出,便于信号的采集处理。实物图如图 2.4 所示。,10,11,四、半导体放电特性研究,半导体放电切割原理主要基于金属放电切割原理,具有一定的相似性,但存在不同之处,以 P 型晶体硅的正极性放电加工为例,其原理示意图可见图 3.3。切割工件为 P 型晶体硅,电极丝接脉冲电源负极,进电金属接电源正极,如果工件表面能够形成放电通道,则电流从电源正极分别经过进电金属、间隙工作液、硅、放电通道、电极丝和限流电阻流入电源负极而构成回路;当机床伺服控制系统控制电极丝进给,当其与晶体硅工件达到一定的极间间隙时,形成放电通道,产生火花放电。根据火花放电蚀除机理,放电过程中放电通道内形成高温热源区域,
4、在该区域的局部电丝及硅表面同时被加热,使局部硅材料熔化、气化;由于加热过程短暂,因此硅材料的熔化、气化及工作液的汽化都具有爆炸力,在爆炸力的作用下将蚀除的硅材料抛出,最终达到加工目的。同样,原理图中限流电阻主要是为了对过大放电电流的限制,防止电源功率元件的烧毁。,12,放电过程中半导体晶体材料具有一定的体电阻,并且受到温度等因素的影响使得该电阻值在放电过程中发生变化;半导体与进电金属接触可产生较高的接触电阻,因此 P 型晶体硅放电切割加工原理可由图 3.4P 型硅正极性放电加工等效电路模型表示。,13,在塑性裂缝自愈机制模式切割硅,On the cracks self-healing mechanism at ductile mode cutting of silicon,韧性模式切割加工硅已成为一项新兴技术,最初脆性材料由其被加工时产生塑性流动去除,产生韧性部位,因此留下了一个无裂口的光滑表面。然而,硅的韧性模式切割几乎只有在仔细选择工艺参数的情况下才能实现。实验表明,只有在部分韧性模式下,微裂缝,微裂纹和小剥落缺陷腔的自愈才更容易由金属硅填满实现。,14,研究发现,在硅被挤压时,半
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