摘要：?jiǎn)尉Ч钁?yīng)用廣泛，應(yīng)用的領(lǐng)域均涉及微小機(jī)構(gòu)，這使得單晶硅的微細(xì)加工至關(guān)重要。目前，有眾多對(duì)單晶硅微細(xì)磨削的研究，但缺少對(duì)單晶硅微細(xì)銑削方面的研究。因此本文基于切削三要素：主軸轉(zhuǎn)速n、每齒進(jìn)給量fz和切削深度ap，沿著單晶硅(100)的[100]方向加工，采用三因素四水平的正交試驗(yàn)，通過觀察加工后單晶硅表面形貌和比較表面粗糙度數(shù)值，來研究單晶硅微細(xì)銑削表面質(zhì)量，從而優(yōu)化微細(xì)銑削工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明：微銑刀的磨損和振動(dòng)對(duì)單晶硅加工形貌影響嚴(yán)重，在實(shí)驗(yàn)所取的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)fz=0.1(um/z)、n=10000(r/min)、ap=10(um)時(shí)，表面粗糙度數(shù)值最小，即表面質(zhì)量最優(yōu)。

　　關(guān)鍵詞:微細(xì)銑削;單晶硅;表面粗糙度;表面形貌

　　0 前言

　　單晶硅被廣泛用于半導(dǎo)體元器件，在手機(jī)、電腦、計(jì)算器、芯片等都以單晶硅作為原材料[1-2]，其應(yīng)用領(lǐng)域以微小結(jié)構(gòu)為主，而微細(xì)制造技術(shù)加工效率高，精度高，因此成為研究的熱點(diǎn)[3]。

　　微細(xì)銑削技術(shù)通常指采用直徑不大于1mm的微型刀具，并特征尺寸范圍在0.01～0.1mm的微小型化零件切削的加工技術(shù)。

　　在加工尺度上，微細(xì)銑削并非是簡(jiǎn)單的尺寸縮小，在微尺度下，存在最小切削厚度和尺寸效應(yīng)，這是微尺度加工和宏觀加工的最大區(qū)別，從材料學(xué)角度對(duì)尺寸效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)存在三個(gè)特征：1.工件材料的去除從連續(xù)去除變?yōu)閿嗬m(xù)去除，宏觀尺度下的每齒進(jìn)給量一般都大于0.1mm，而微尺度下的銑削的每齒進(jìn)給量一般都小于1um。2.工件材料會(huì)從宏觀的各向同性轉(zhuǎn)化為微尺度下的各向異性，在微尺度下的切削，與晶粒的大小和方向都有很大關(guān)系。3.材料去除形式不同，脆性材料要實(shí)現(xiàn)塑性域切削，脆塑性臨界切削厚度是主要研究對(duì)象。對(duì)力、切削比能、刀具切削刃鈍圓半徑，切削比能、最小切削厚度等的研究都涉及尺寸效應(yīng)[4-6]。因此研究微細(xì)銑削的加工工藝參數(shù)是有必要的。

　　另外，光刻機(jī)等化學(xué)刻蝕[7]的加工手段只能加工出2維或者2.5維的結(jié)構(gòu)，而微細(xì)銑削加工成本低，適用于對(duì)小零件進(jìn)行微尺寸加工，它在各個(gè)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其在微米和中規(guī)模機(jī)械制造領(lǐng)域中獨(dú)樹一幟。微銑削技術(shù)還可以完成微模具的批量生產(chǎn)[8-9]，所以微細(xì)銑削是一種較具優(yōu)勢(shì)的可代替性的加工手段。

　　現(xiàn)已有眾多對(duì)單晶硅的微細(xì)磨削進(jìn)行研究的論文，但鮮有論文對(duì)單晶硅微細(xì)銑削進(jìn)行研究。本文基于不同的工藝參數(shù)針對(duì)微銑削單晶硅加工后的表面粗糙度數(shù)值和表面形貌進(jìn)行研究。

　　表面粗糙度是微觀的幾何形狀誤差，形容的是表面微小峰谷之間的不平度。通過測(cè)量表面粗糙度的數(shù)值可以更直觀的看出表面不平度的情況，因此需要研究微細(xì)銑削的表面粗糙度。

　　通常，Ra的理論估計(jì)值如下[10]：當(dāng)立銑刀銑削微凹槽時(shí)，每次進(jìn)刀后，刀具都會(huì)在凹槽的底面形成類似半圓形的銑刀走刀痕跡，因此凹槽的底面將呈扇形。槽底的表面粗糙度Ra的理論估計(jì)為

　　上式中：Z是刃數(shù); R是刀尖圓弧半徑; fz是每齒的進(jìn)給量; 正號(hào)代表逆銑，負(fù)號(hào)代表順銑;Ra是表面粗糙度數(shù)值[11]。本文基于研究主軸轉(zhuǎn)速n、每齒進(jìn)給量fz和切削深度ap三因素對(duì)單晶硅加工表面質(zhì)量的影響，以探究出相對(duì)最優(yōu)的工藝參數(shù)，采用正交法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

　　1實(shí)驗(yàn)條件與方案

　　1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

　　本實(shí)驗(yàn)選取(100)單晶硅片，沿[100]晶向進(jìn)行全槽銑削，單晶硅是具有各向異性的八面體金剛石晶體結(jié)構(gòu)，切削單晶硅(100)晶面時(shí)，由于切面的位錯(cuò)數(shù)量多，且分布相對(duì)均勻，因此切割(100)晶體平面可獲得低硬度和好的表面質(zhì)量。

　　本實(shí)驗(yàn)采用哈斯加工中心數(shù)控機(jī)床(圖1a)，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速最高為30000 r /min;微銑刀采用鎢鋼基體金剛石涂層的雙刃微立銑刀，刀具直徑為0.5mm。

　　ContourGT-K0白光干涉儀(圖1b)具有出色的抗噪特性，可以實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)測(cè)量的可重復(fù)性和可重復(fù)性，并且適用于各種復(fù)雜而精確的零件形狀的高精度質(zhì)量管理，它可以精確地測(cè)量表面形貌，臺(tái)階高度和表面粗糙度等。結(jié)合先進(jìn)的64位多核操作和分析和處理軟件，獲得專利的用于光學(xué)輪廓儀的白光干涉儀(WLI)硬件和前所未有的易操作性，具有大尺寸視場(chǎng)范圍從亞埃到毫米垂直測(cè)量范圍，樣品安裝靈活，并具有業(yè)界最高的測(cè)量重復(fù)性。

　　性能升級(jí)的新一代超景深3D顯微系統(tǒng)該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.只需要拍攝要觀察的位置，可獲得針對(duì)整個(gè)視場(chǎng)的“全屏對(duì)焦圖像”。2.使用單波長(zhǎng)光進(jìn)行超清晰觀察，從不同曝光的圖像獲得拍攝高灰度圖像的HDR。3.具有“簡(jiǎn)易模式”功能，只需選擇要使用的觀察方法，顯微鏡系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)最佳設(shè)置。4.超過20種2D測(cè)量菜單和超過10種3D測(cè)量菜單可以數(shù)字化目標(biāo)的所有部分。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方案

　　實(shí)驗(yàn)前選取銅塊作為固定單晶硅片的基體，對(duì)銅塊表面進(jìn)行銑削處理以獲得較高平面度。將單晶硅片貼合于基體上，使用黏合劑粘牢并壓平，保證加工表面平整從而實(shí)現(xiàn)銑削加工前的表面找平。采用正交實(shí)驗(yàn)表L16(43)來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，三因素分別為主軸轉(zhuǎn)速 n、每齒進(jìn)給量 fz、軸向切深 ap。

　　各因素進(jìn)行微銑削實(shí)驗(yàn)，每次加工一個(gè)長(zhǎng)度為 5 mm寬度為0.5mm 的直槽。加工完后使用超聲波清洗機(jī)清洗，然后晾干，接著使用VHX-5000超景深顯微鏡和ContourGT-K0白光干涉儀觀察表面形貌和測(cè)量表面粗糙度。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1對(duì)表面粗糙度的分析

　　每齒進(jìn)給量fz的極差最大，其次是主軸轉(zhuǎn)速n，軸向切削深度ap的極差最小。因此可以得出，對(duì)微銑削單晶硅表面粗糙度，因素影響關(guān)系是：每齒進(jìn)給量fz >主軸轉(zhuǎn)速n >軸向切深ap。

　　每齒進(jìn)給量的影響

　　從圖2和圖3可知，fz的影響是最顯著的，這一點(diǎn)在宏觀和微觀是一樣的。當(dāng)每齒進(jìn)給量 fz變大時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)表面粗糙度數(shù)值會(huì)逐漸增大，但是當(dāng)每齒進(jìn)給量逐漸減小至一定數(shù)值后，表面粗糙度會(huì)突然上升，這是由于微尺度下加工存在尺寸效應(yīng)，當(dāng)每齒進(jìn)給量減小到小于或者等于刀具切削刃鈍圓半徑時(shí)，切削刀具的前角為負(fù)，此時(shí)工件所受的法向力增大，使得切削刃與單晶硅表面擠壓和摩擦加劇[11]，從而使得工件材料和切削刃極易發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，隨著粘結(jié)的積屑瘤不斷的增大和破損，會(huì)帶走刀具表面的金剛石微粒，從而裸露基體，導(dǎo)致了加工表面的質(zhì)量變差。綜上，每齒進(jìn)給量顯著影響著表面粗糙度，微細(xì)銑削時(shí)并非取越小的每齒進(jìn)給量，表面就越光滑。因此，需要對(duì)每齒進(jìn)給量進(jìn)行優(yōu)化從而獲得最佳的表面質(zhì)量。

　　主軸轉(zhuǎn)速的影響

　　從圖3可以看出當(dāng)n=10000-20000 r/min時(shí)，Ra隨著轉(zhuǎn)速升高而增加，此時(shí)高轉(zhuǎn)速下溫度不易散失是導(dǎo)致Ra上升的主要原因，但當(dāng)n>20000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速越高Ra越小，是由于在高轉(zhuǎn)速下切削力較小，減少了粘結(jié)現(xiàn)象發(fā)生，從而降低了粗糙度，提高了表面質(zhì)量。總體來看，主軸轉(zhuǎn)速n相對(duì)于每齒進(jìn)給量fz對(duì)單晶硅表面粗糙度影響較小。

　　軸向切深的影響

　　從圖3可以看出，軸向切削深度對(duì)于單晶硅表面粗糙度的影響程度不大。

　　在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)fz=0.1(um/z)、n=10000(r/min)、ap=10(um)時(shí)，表面粗糙度數(shù)值最小，即表面質(zhì)量最優(yōu)。

　　2.2對(duì)表面形貌的分析

　　使用超景深顯微鏡觀察后獲得的圖像。可看出加工后的微槽有較多凹坑和破損，粗糙度較高，分析發(fā)現(xiàn)在使用該組參數(shù)進(jìn)行加工時(shí)，加工表面處于脆性區(qū)域，主要是脆性加工。脆性加工時(shí)，由于材料具有較高脆性，切屑呈崩碎狀，嚴(yán)重影響表面質(zhì)量，處于脆性域中的單晶硅彈性極限較低，當(dāng)承受超過彈性極限的載荷時(shí)，表面極易發(fā)生斷裂。[12]

　　單晶硅的脆性對(duì)加工后的表面粗糙度有較大影響，因此微銑削時(shí)選擇合適的切削參數(shù)使加工發(fā)生在塑性域尤為重要。可以看出下部的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于上部，上部有明顯的凹坑，而下部較為平整。是由于加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)向?qū)е碌模瑢?shí)驗(yàn)中主軸正轉(zhuǎn)即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，加工微槽上端時(shí)，工件進(jìn)給方向和刀具轉(zhuǎn)向相同，此時(shí)為順銑加工，同理可得，下部為逆銑。在逆銑中切削厚度是從零逐漸增加的，所以下端逆銑的表面質(zhì)量比上端的順銑表面質(zhì)量好。[13]

　　加工后的直槽越接近邊沿表面粗糙度更高。一方面原因是，在長(zhǎng)時(shí)間加工中刀具刃口越靠近刀尖的部分磨損越嚴(yán)重，加工中會(huì)導(dǎo)致邊緣部分質(zhì)量變差。另一方面，刀尖部分在加工中存在積屑瘤和振動(dòng)影響，使槽底邊沿表面形貌相比中間部分較差。

　　機(jī)械論文投稿刊物：《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》(半月刊)創(chuàng)刊于1953年，是由中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)主辦、機(jī)械工業(yè)信息研究院承辦的機(jī)械工程類高學(xué)術(shù)水平期刊。本刊是中國機(jī)械工程領(lǐng)域的頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物，主要報(bào)道機(jī)械工程領(lǐng)域及其交叉學(xué)科、新興學(xué)科、邊緣學(xué)科等領(lǐng)域具有創(chuàng)新性及重要意義的前沿基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究的最新科研成果。

　　4 結(jié)論

　　(1)微細(xì)銑削加工中，對(duì)單晶硅表面質(zhì)量影響因素大小依次是每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、軸向切削深度。

　　(2)在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)fz=0.1(um/z)、n=10000(r/min)、ap=10(um)時(shí)，表面粗糙度數(shù)值最小，即表面質(zhì)量最優(yōu)。

　　(3)加工過程中銑刀的刀尖磨損和振動(dòng)對(duì)加工后的微槽表面形貌影響嚴(yán)重，由于主軸轉(zhuǎn)向和工件進(jìn)給方向，使得微槽下部表面質(zhì)量?jī)?yōu)于微槽上部。

　　參考文獻(xiàn)(References):

　　[1]李迎. 微切削尺寸效應(yīng)及微細(xì)銑削力建模技術(shù)研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2015.

　　[2]曹自洋. 微細(xì)銑削機(jī)床、刀具與加工機(jī)理的基礎(chǔ)研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2008.

　　[3]陳明君，陳妮，何寧，等. 微銑削加工機(jī)理研究新進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(5)：161-172.

　　[4]程祥，高斌，楊先海.微細(xì)塑性銑削單晶硅實(shí)驗(yàn)研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，26(4)：53-55.

　　[5]Li X Y, Gao Y F, Yin Y K, et al. Experiment and theoretical prediction for surface roughness of PV polycrystalline silicon wafer in electroplated diamond wire sawing[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2020, 49: 82-93.

　　[6]程軍，王超，溫雪龍，等.單晶硅微尺度磨削材料去除過程試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(17)：194-200.

　　[7]Mohanraj T, Shanker S, Rajasekar R, et al. Tool condition monitoring in the milling process with vegetable based cutting fluids using vibration signatures[J]. Materials Testing, 2019, 61(3): 282-288.

　　[8]Chang C K, Lu H S. Design optimization of cutting parameters for side milling operations with multiple performance characteristics[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007, 32(5): 18-26.

　　作者：顧曉偉 1，曹自洋 1,2,*，許順杰 1,2，趙航宇 1