潘慧君，劉志東，黃賽娟，邱明波，田宗軍

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

半導(dǎo)體材料是導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體間的一類特殊材料群體，因其特有的物理化學(xué)性能而成為了尖端科學(xué)，在電子工業(yè)領(lǐng)域是不可或缺的結(jié)構(gòu)材料，被稱為現(xiàn)代信息社會的基石。但由于半導(dǎo)體材料具有脆性高、斷裂韌性低等特性，采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方式對半導(dǎo)體進(jìn)行加工，會出現(xiàn)碎裂等現(xiàn)象，幾乎無法對其進(jìn)行曲線加工[1]。

電火花加工是一種無宏觀加工應(yīng)力的特種加工技術(shù)，具有能量密度高、加工不受材料硬度限制等特點。通過對半導(dǎo)體材料電火花加工的可行性研究發(fā)現(xiàn)，電火花加工非常適合于加工硬脆半導(dǎo)體材料，并有著較高的加工效率[2-3]。邱明波對半導(dǎo)體電火花加工的進(jìn)電特性、加工機(jī)理和加工工藝進(jìn)行了深入研究，形成了一整套加工理論體系[4]，并對現(xiàn)有基于金屬加工的電火花線切割機(jī)床的電源、工作介質(zhì)等進(jìn)行了改進(jìn)，使之更適于半導(dǎo)體晶體的加工；但對于自動伺服進(jìn)給系統(tǒng)依然沿用以往基于金屬電火花加工中的平均電壓檢測法和峰值電壓檢測法。由于半導(dǎo)體電火花加工時電流回路中存在體電阻和接觸勢壘等，使取樣電壓不再是放電間隙電壓，而是間隙電壓、半導(dǎo)體體電阻壓降和接觸勢壘壓降之和，導(dǎo)致現(xiàn)有伺服控制系統(tǒng)幾乎全部失效。

本文從半導(dǎo)體電火花加工的電流特性出發(fā)，提出了一種全新的基于電流脈沖概率的伺服控制方法?；谠摲椒ㄑ芯苛嗣}沖采樣個數(shù)、電流脈沖概率等對加工的影響，并對該策略下的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)失效的原因

采用電火花加工方法對P型單晶硅在正極性狀態(tài)下進(jìn)行加工的簡化電路模型見圖1。其中，RL為限流電阻，Dsm為進(jìn)電金屬與半導(dǎo)體間的接觸勢壘，R為單晶硅的體電阻，Dsc為放電通道與單晶硅間的接觸勢壘，Dc為放電通道維持電壓[5-6]。A、B兩點為電壓取樣點，可看出此時取樣電壓包含了Dc、體電阻R上的壓降和Dsm的反向擊穿電壓，不再只是放電通道電壓。

圖1 半導(dǎo)體電火花加工等效電路模型

采用電火花線切割加工方式對單晶硅進(jìn)行切割加工，加工工藝條件見表1。對加工過程中不同狀態(tài)下的電流電壓波形進(jìn)行采樣和分析，圖2是半導(dǎo)體電火花線切割加工時正常放電的電流電壓波形。在放電通道形成后，采樣電壓沒有像金屬加工時那樣下降到通道維持電壓（一般為25 V左右），而是依然維持在一個較高的電壓值。即使在工件與電極絲完全接觸的短路狀態(tài)下，電壓依舊沒有明顯下降，仍處于一個高值（圖3）。

表1 單晶硅電火花線切割加工工藝條件

圖2 單晶硅電火花正常加工波形圖

圖3 單晶硅電火花加工短路波形圖

所以采用傳統(tǒng)基于電壓特性的伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行半導(dǎo)體電火花加工時，系統(tǒng)會將所有加工狀態(tài)都當(dāng)作空載狀態(tài)處理，此時機(jī)床會一直以當(dāng)前設(shè)定的最高速度進(jìn)行恒速進(jìn)給，無法進(jìn)行自動伺服進(jìn)給。在現(xiàn)實加工中，如果速度設(shè)定不合理，往往會導(dǎo)致電極絲被工件頂彎，甚至拉斷。圖4是采用現(xiàn)有伺服控制系統(tǒng)切割的半導(dǎo)體工件，由于加工時的進(jìn)給速度無法伺服控制，電極絲已被工件頂彎，切割軌跡嚴(yán)重偏離原有直線軌跡。

圖4 采用現(xiàn)有伺服控制系統(tǒng)切割的硅片

目前，在半導(dǎo)體材料的電火花加工中，只能根據(jù)技術(shù)人員的經(jīng)驗進(jìn)行恒速進(jìn)給，且全程需有人監(jiān)控，不僅加工效率低，加工精度也無法得到保證，同時還增加了工作強(qiáng)度。

2 進(jìn)給速度與電流脈沖概率的關(guān)系

假設(shè)每個放電脈沖蝕除的工件材料量相同，在不發(fā)生短路的理想條件下，當(dāng)機(jī)床進(jìn)給速度較慢時，只需少量脈沖進(jìn)行放電，就能達(dá)到與進(jìn)給速度相匹配的材料蝕除要求。當(dāng)進(jìn)給速度增大，單位時間內(nèi)所需蝕除的工件材料量就會加大，因此需要更多的脈沖進(jìn)行放電才能達(dá)到所需的材料去除率，故進(jìn)給速度與電流脈沖概率之間存在一定的關(guān)系。采樣電流脈沖概率指產(chǎn)生電流的脈沖個數(shù)占采樣周期總脈沖個數(shù)的百分比。

圖5是采用電火花線切割方法在表1所示條件下切割單晶硅材料時不同進(jìn)給速度下的電流脈沖出現(xiàn)概率?？煽闯?，當(dāng)進(jìn)給速度為3 μm/s時，脈沖電流出現(xiàn)的概率很小，僅為3%左右；隨著進(jìn)給速度的提升，脈沖電流出現(xiàn)的概率也不斷增大。對于半導(dǎo)體電火花線切割而言，此時出現(xiàn)的脈沖電流應(yīng)包括放電脈沖電流及短路脈沖電流。當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到60 μm/s時，所有脈沖都對應(yīng)有脈沖電流出現(xiàn)，說明此時即使處于完全沒有短路脈沖電流的理想狀態(tài)，加工也已接近短路狀況。圖6是該工藝參數(shù)下進(jìn)給速度和電流脈沖產(chǎn)生概率的關(guān)系圖。

圖5 不同進(jìn)給速度的半導(dǎo)體電火花加工波形圖

圖6 進(jìn)給速度與電流脈沖產(chǎn)生概率的關(guān)系

3 基于電流脈沖概率的伺服控制方法

由以上分析可知，在進(jìn)行半導(dǎo)體電火花線切割加工時，電流脈沖概率與進(jìn)給速度間存在一定的關(guān)系，因此以電流脈沖概率為伺服控制依據(jù)，可形成一種全新的伺服控制方法。

基于電流脈沖出現(xiàn)概率的半導(dǎo)體電火花線切割伺服控制流程見圖7。先給系統(tǒng)設(shè)定初始的工藝參數(shù)，再使機(jī)床開始按給定的速度進(jìn)行伺服進(jìn)給。加工時，實時地對電壓、電流脈沖進(jìn)行采樣，計算當(dāng)前的電流脈沖產(chǎn)生概率，并由此得出一個與進(jìn)給速度相關(guān)的比例因子：

比例因子=（設(shè)定的電流脈沖概率/采樣電流脈沖概率）n，0＜n＜1

n值越小，每次速度調(diào)節(jié)的幅度就越小，速度變化越平穩(wěn)。但如果n值太小，會導(dǎo)致反應(yīng)過慢，一般取 1/3≤n≤1/2。

當(dāng)此時的電流脈沖概率大于設(shè)定值時，將當(dāng)前的進(jìn)給速度與比例因子（此時小于1）相乘，降低當(dāng)前的進(jìn)給速度；反之，當(dāng)電流脈沖概率小于設(shè)定值時，將當(dāng)前的進(jìn)給速度與比例因子（此時大于1）相乘，提高當(dāng)前的進(jìn)給速度。進(jìn)給速度保持實時調(diào)整，可保證平均電流脈沖概率為所設(shè)定的值。

圖7 基于電流脈沖概率的半導(dǎo)體電火花線切割伺服控制流程圖

4 系統(tǒng)工藝參數(shù)選擇

4.1 脈沖采樣個數(shù)

由于電極絲的高速運動和極間狀態(tài)的變化，單個脈沖能否產(chǎn)生放電電流脈沖是隨機(jī)的。隨著脈沖采樣個數(shù)的增加，整體的電流脈沖概率趨于一個穩(wěn)定值。在同一工藝參數(shù)下，不同脈沖采樣個數(shù)下分別進(jìn)行10次采樣，研究脈沖采樣個數(shù)對電流脈沖產(chǎn)生概率的影響。

不同脈沖采樣個數(shù)下的電流脈沖概率變化見圖8。可看出，當(dāng)脈沖采樣個數(shù)為80 000個時，電流脈沖概率基本維持在45%左右。隨著脈沖采樣個數(shù)的減小，電流脈沖概率漸漸產(chǎn)生波動。當(dāng)脈沖采樣個數(shù)為5000個時，電流脈沖概率在42%～48%范圍內(nèi)隨機(jī)變化。當(dāng)脈沖采樣個數(shù)為1000個時，電流脈沖概率在39%～58%范圍內(nèi)變化，此時采樣的電流脈沖概率變動范圍并不大，仍能很好地反應(yīng)當(dāng)前的加工狀態(tài)。如果此時脈沖采樣個數(shù)繼續(xù)減小，電流脈沖產(chǎn)生概率基本就是一個隨機(jī)值，無法對加工狀態(tài)進(jìn)行很好的反映。如：當(dāng)脈沖采樣個數(shù)為100個時，此時的電流脈沖概率在15%～95%范圍內(nèi)隨機(jī)變化。

圖8 不同脈沖采樣個數(shù)下的電流脈沖概率分布

脈沖采樣個數(shù)越多，電流脈沖概率越穩(wěn)定，也就越接近實際值。但隨著脈沖采樣個數(shù)的增加，采樣周期將變長，系統(tǒng)的反應(yīng)時間和靈敏度降低，導(dǎo)致伺服控制精度降低。因此，脈沖采樣個數(shù)應(yīng)在能反應(yīng)當(dāng)前加工狀態(tài)的前提下，盡量選擇較小的數(shù)值，才能在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，提高控制精度。

4.2 電流脈沖概率

在進(jìn)行金屬電火花加工時，加工電流脈沖中存在正常加工、短路和拉弧等幾種狀況，為保證加工的穩(wěn)定性，一般將電流脈沖概率控制在75%左右。

在進(jìn)行半導(dǎo)體電火花線切割加工時，所設(shè)定的電流脈沖概率越高，切割速度就越高。采用表1所示的加工工藝參數(shù)，研究適于半導(dǎo)體電火花線切割加工的電流脈沖概率。設(shè)定脈沖采樣個數(shù)為1000個，在電流脈沖概率分別為50%、60%、70%、80%、90%、95%時進(jìn)行切割加工實驗。

結(jié)果表明，在該工藝參數(shù)下，電流脈沖概率在50%～90%時能進(jìn)行穩(wěn)定的切割加工；但當(dāng)電流脈沖概率大于90%時，加工易發(fā)生過進(jìn)給現(xiàn)象，切割處于不穩(wěn)定狀態(tài)。圖9是電流脈沖概率為95%時切割的直線，可看出，由于加工狀態(tài)不是很穩(wěn)定，加工表面出現(xiàn)了許多由于過進(jìn)給而形成的彎絲條紋。

圖9 電流脈沖概率為95%狀態(tài)下的直線切割件

圖10是電流脈沖概率為90%時切割的直線，可看出切割表面非常平整，沒有出現(xiàn)任何切割缺陷。圖11是電流脈沖概率為90%時切割的尖角，與理想軌跡相符，說明在90%的電流脈沖概率下，能在保證加工質(zhì)量的同時，獲得最高的加工效率。

圖10 電流脈沖概率為90%狀態(tài)下的直線切割件

圖11 電流脈沖概率為90%狀態(tài)下的尖角切割件

5 結(jié)論

（1）在進(jìn)行半導(dǎo)體電火花加工時，由于采樣電壓不再只是放電通道電壓，而是放電通道電壓、半導(dǎo)體體電阻壓降和接觸勢壘壓降之和，使系統(tǒng)無法準(zhǔn)確識別加工狀態(tài)，從而導(dǎo)致無法進(jìn)行準(zhǔn)確的伺服進(jìn)給。

（2）進(jìn)給速度與電流脈沖概率間存在關(guān)系。當(dāng)工藝參數(shù)一定時，在電流脈沖概率達(dá)到100%前，進(jìn)給速度越快，電流脈沖概率越大。

（3）電流脈沖概率可作為伺服控制依據(jù)進(jìn)行伺服控制，當(dāng)此時的電流脈沖概率大于設(shè)定值時，降低當(dāng)前的進(jìn)給速度；當(dāng)電流脈沖概率小于設(shè)定值時，提高當(dāng)前的進(jìn)給速度。這樣對進(jìn)給速度進(jìn)行實時調(diào)整，保證平均電流脈沖概率為所設(shè)定的值。

（4）脈沖采樣個數(shù)應(yīng)在能反應(yīng)當(dāng)前加工狀態(tài)的前提下，盡量選擇較小的數(shù)值，這樣才能在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，提高控制精度。

（5）電流脈沖概率低于90%時，能進(jìn)行穩(wěn)定的切割加工；但當(dāng)電流脈沖概率大于90%時，切割易發(fā)生過進(jìn)給現(xiàn)象，加工處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

[1] Willeke G P.Thin crystalline silicon solar cells[J].Solar Energy Materials&Solar Cells，2002，72（1-4）：191-200.

[2] 劉志東.特種加工[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[3] Luo Y F，Chen C G，Tong Z F.Investigation of silicon wafering by wire EDM [J].Journal of Materials Science，1992，27（21）：5805-5810.

[4] 邱明波.半導(dǎo)體晶體材料放電加工技術(shù)研究 [D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[5] 邱明波，劉志東，汪煒，等.太陽能級P型硅放電切割電流特性[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2010，45（1）：23-27.

[6] 劉恩科，朱秉升，羅晉升.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.