【摘要】：碳化硅(SiC)單晶作為第三代主要的半導(dǎo)體晶體材料,以其獨特的大禁帶寬度、高擊穿場強、高飽和電子漂移率、高熱導(dǎo)率、強抗輻射能力和低介電常數(shù)等優(yōu)良的電學(xué)和理化特性,已廣泛應(yīng)用于空間光學(xué)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和光電集成等高科技領(lǐng)域。同時,SiC單晶獨特的共價鍵晶體結(jié)構(gòu)決定其具有超高的硬度和脆性,是典型的難加工材料。傳統(tǒng)線鋸切割技術(shù)已很難滿足對SiC單晶等硬脆材料高效率、高質(zhì)量、窄切縫、低成本的切割要求,尤其是對大直徑、超薄SiC單晶片的精密切割。本文在傳統(tǒng)金剛石線鋸切割技術(shù)的基礎(chǔ)上施加了橫向超聲波振動,采用理論分析和實驗研究相結(jié)合的方法研究橫向超聲激勵下金剛石線鋸振動切割SiC單晶的切割機理,為大尺寸、超薄SiC單晶片的高效精密切割提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。建立軸向運動線鋸橫向振動模型并推導(dǎo)其偏微分方程,利用變量分離求解出在兩種不同位置處施加橫向超聲波線鋸橫向受迫振動的位移場函數(shù)表達式,以及線鋸系統(tǒng)自然頻率的函數(shù)表達式。結(jié)果表明:線鋸中間切割點處的振動位移與超聲波在線鋸上施加的位置無關(guān),頻率與激振超聲波相同。為往復(fù)運動線鋸橫向超聲激勵振動切割硬脆材料的可行性提供依據(jù)。同時從理論上分析運動線鋸的自然頻率、臨界速度與線鋸系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系。基于超聲振動接觸-分離的切割特點,研究分析了柔性線鋸振動切割硬脆材料的條件,即工件在一振動周期內(nèi)的橫向進給量不大于線鋸上磨粒在一振動周期內(nèi)最大切割深度。用特征函數(shù)對線鋸振動切割SiC單晶的切割狀態(tài)進行表征,基于磨削理論研究分析了橫向超聲激勵金剛石線鋸振動切割SiC單晶的平均有效鋸切力,并推導(dǎo)出橫向超聲激勵線鋸振動切割SiC單晶臨界切削深度的預(yù)測公式。在相同條件下,超聲振動線鋸切割SiC單晶的臨界切削深度與磨粒的振動周期與周期內(nèi)磨粒的凈切割時間比值的平方根成正比。從理論上揭示了橫向超聲激勵線鋸提高SiC單晶臨界切削深度的機理,并通過實驗進行了驗證。應(yīng)用沖量原理研究了橫向超聲激勵線鋸圓周方向不同位置處金剛石磨粒施加于SiC單晶工件的最大脈沖法向撞擊力。基于壓痕力學(xué)分析了在法向和切向載荷作用下,金剛石磨粒下方萌生中位裂紋和橫向裂紋的長度及深度。通過分析線鋸橫截面圓周不同位置處磨粒萌生橫向裂紋對晶片表面的影響,推導(dǎo)出預(yù)測晶片表面粗糙度的計算公式。線鋸周向磨粒位置不同其切割模式也不同,位于塑性切割區(qū)域的磨粒刮擦作用有助于晶片表面質(zhì)量的提高;而脆性切割區(qū)域的磨粒有助于材料的去除,并通過實驗進行了驗證。橫向超聲激勵線鋸振動切割SiC單晶的過程,就是線鋸上金剛石磨粒不斷在工件表面高頻加載和卸載的過程,該過程形成了促使橫向裂紋優(yōu)先擴展而抑制中位裂紋萌生的屏蔽效應(yīng)。中位裂紋的抑制改善了晶片的亞表面質(zhì)量,而橫向裂紋的優(yōu)先擴展提高了材料的去除。在橫向超聲激勵線鋸振動切割過程中,振動使線鋸上磨粒切割SiC單晶的平均有效法向力減小,瞬間脈沖法向撞擊力增大。平均有效法向力的減小使得金剛石磨粒壓痕場下橫向裂紋的萌生深度降低,從而使晶片的表面質(zhì)量得以提高;瞬間脈沖法向撞擊力的增大使得橫向裂紋擴展長度增大,從而使材料去除率提高。建立了超聲振動磨粒去除SiC單晶理論體積模型,推導(dǎo)出磨粒平均材料去除率的計算公式。通過改變線鋸的主要切割參數(shù),分別對超聲振動線鋸和普通線鋸切割的材料去除率進行了對比實驗,以驗證理論分析的正確性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ163.4;O786

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本文編號：2265919