段亞俊，邱明波，陳浩然，劉志東，趙劍峰，沈理達

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016）

丙三醇水溶液電火花加工硅晶體特性研究

段亞俊，邱明波，陳浩然，劉志東，趙劍峰，沈理達

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016）

為了提高硅晶體電火花成形加工效率、降低電極損耗，采用丙三醇水溶液作為工作介質(zhì)。分析了介質(zhì)中的碳、氫、氧元素對加工效果的影響，以及電導(dǎo)率、粘度、介質(zhì)成分對加工特性的影響，研究表明：擊穿放電間隙受電導(dǎo)率與粘度的影響，丙三醇水溶液可提高放電間隙，增強加工穩(wěn)定性；丙三醇分子會在放電高溫下分解出碳分子，其自身的微觀爆炸力可促使碳分子和極間蝕除產(chǎn)物向兩極移動，增強了電極的涂覆效應(yīng)，降低了電極損耗。工藝實驗結(jié)果表明：丙三醇水溶液的加工特性優(yōu)于去離子水，采用質(zhì)量分數(shù)為30%的丙三醇溶液加工時的最佳占空比為1∶7，加工效率為11.88 mm3/min，電極損耗比為3.7%。

電火花加工；硅晶體；丙三醇水溶液；加工效率；電極損耗

硅晶體為硬脆性半導(dǎo)體材料，采用傳統(tǒng)機械加工方式無法實現(xiàn)其異形加工[1]。電火花加工無宏觀切削力，用熱能蝕除材料，故許多學(xué)者研究了半導(dǎo)體的電火花加工特性[2]。潘慧君研究了半導(dǎo)體加工時的小壓降及電流爬坡式上升現(xiàn)象[3]。邱明波研究了半導(dǎo)體硅材料的單脈沖蝕除形式[4]。劉志東研究了基于脈沖概率檢測的線切割控制系統(tǒng)[5]。黃賽娟針對硅成形加工，研究了銅電極在去離子水介質(zhì)中無法加工的原因，指出在含氧工作介質(zhì)內(nèi)，放電過程中蝕除產(chǎn)物堆積可能形成不導(dǎo)電氧化銅層，使加工無法繼續(xù)[6]。

電火花成形加工中的工作介質(zhì)主要起到介電、極間冷卻、消電離、排屑等作用。常用的工作介質(zhì)有高分子碳氫化合物（如火花油），也有去離子水、蒸餾水、乙醇水溶液、乳化液等。為了實現(xiàn)硅晶體的成形加工，本文建立了基于脈沖概率控制的硅晶體加工系統(tǒng)，提出采用丙三醇溶液作為工作介質(zhì)，研究介質(zhì)中的碳、氫、氧元素對加工特性的影響及電導(dǎo)率、粘度、介質(zhì)成分對加工特性的影響，通過實驗驗證了適宜的丙三醇濃度，并與去離子水中的加工效果進行了對比。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗平臺

采用自主搭建的實驗平臺，其原理見圖1，實物見圖2。ARM單片機控制器（微處理器）控制斬波器輸出脈沖電壓，同時控制步進電機的運動。通過檢測電路將主回路的電壓信號處理成ARM單片機可接收的數(shù)字脈沖，用霍爾電流傳感器檢測電流信號并處理為數(shù)字脈沖?？刂破鲗z測到的電流電壓脈沖個數(shù)進行計算，推測極間狀態(tài)，再實時調(diào)整電極的前進和后退，從而實現(xiàn)穩(wěn)定加工。在圖1中，與硅晶體接觸的銅片能改善硅晶體的進電，使其與硅晶體之間形成良好的歐姆接觸[7]。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖

圖2 實驗平臺實物圖

1.2 伺服控制系統(tǒng)

半導(dǎo)體的電阻率介于金屬和絕緣體之間，且電阻率易受溫度影響。在半導(dǎo)體放電加工時，放電產(chǎn)生的瞬時高溫及體電阻在電流通過時產(chǎn)生的歐姆熱，導(dǎo)致加工過程中的電阻率很不穩(wěn)定，故金屬加工常用的間隙電壓、間隙電流控制法已無法實現(xiàn)對硅晶體的穩(wěn)定加工。

基于脈沖概率檢測的伺服控制系統(tǒng)原理見圖3。通過對一定周期內(nèi)電壓脈沖個數(shù)n和電流脈沖m計數(shù)，計算其放電概率Rate。若放電概率值等于100%，則進行抬刀操作，以排出極間蝕除產(chǎn)物并增大極間間隙；若放電概率值小于設(shè)定目標放電概率p與允許波動范圍s的差值，則電極前進一步。同時，對放電概率進行采樣，計算其平均值是否達到目標放電概率p，若未達到，則減小波動范圍s來提高跟蹤速度；反之，則增大波動范圍s來降低跟蹤速度，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的半導(dǎo)體電火花加工。

圖3 伺服控制系統(tǒng)原理圖

1.3 實驗材料與條件

實驗中，采用電阻率為6 Ω·m的硅晶體作為工件，電極為直徑為5 mm的圓形石墨棒，均采用浸液式加工并輔以側(cè)沖液。

2 丙三醇水溶液的加工特性

為結(jié)合去離子水加工效率高、火花油電解損耗小的優(yōu)點，水、油混合工作介質(zhì)得到一定的探索[8]，但水、油無法相容且乳化困難，適宜的混合比例難以確定。考慮到火花油的主要成分是碳原子數(shù)為C11-C17的高沸點烴類化合物，其與水混合的主要成分為碳、氫、氧，故以包含這三類元素的丙三醇水溶液作為加工介質(zhì)，研究不同濃度的丙三醇水溶液的加工效果差異。表1是25℃時不同工作介質(zhì)的參數(shù)對比。

表1 不同工作介質(zhì)的技術(shù)參數(shù)

2.1 對擊穿放電間隙的影響

采用單脈沖實驗觀察丙三醇溶液濃度對擊穿放電間隙及峰值電流的影響，從而確定電導(dǎo)率及粘度對擊穿放電間隙和峰值電流的影響。依舊使用上述實驗平臺，實驗過程如下：對刀，記錄Z軸坐標；將電極抬升到一定高度后，向下進給，且每進給一步給一個電壓脈沖；電流傳感器檢測到放電后，停止進給，用當前坐標減去對刀記錄的坐標即為擊穿放電間隙。

用單脈沖實驗測得開路電壓為180 V，同等條件下火花油的擊穿間隙達200 μm，不同濃度的丙三醇溶液的擊穿放電間隙變化曲線見圖4。可見，隨著丙三醇溶液質(zhì)量分數(shù)的增加，擊穿放電間隙先增大后減小。分析原因：溶液濃度增加使粘度增大、電導(dǎo)率減小，而電導(dǎo)率越小，則絕緣強度越高，對放電間隙的增大有促進作用。當溶液濃度進一步增加，溶液粘度的增大會對放電通道產(chǎn)生壓縮作用，并限制放電間隙進一步增大。

圖4 丙三醇溶液濃度對擊穿放電間隙的影響

當放電間隙為20 μm時，各工作介質(zhì)中的放電波形見圖5。通道1為50 V/div，通道2為1 V/div，時間軸為20 μs/div；通道1為極間電壓波形，通道2為霍爾電流傳感器（檔位為100 mV/A）測得的電流波形。由圖5可見，在去離子水中，峰值電流約為13 A；在丙三醇溶液中，峰值電流先隨著溶液濃度的增加而逐漸增大，并在質(zhì)量分數(shù)為30%的丙三醇溶液中達到15 A，而后又下降，在質(zhì)量分數(shù)為50%的丙三醇溶液中約為12 A；而在火花油中，電流波形接近短路。此外，放電電流也隨著丙三醇溶液濃度的增加先增大再減小，與擊穿放電間隙的變化吻合。雖然火花油的絕緣強度高，但它在放電過程中熱分解形成的碳會造成極間狀態(tài)惡化，降低絕緣強度，故小間隙放電時接近短路。

在相同條件下，放電間隙越小，峰值電流越大。采用某一峰值電流值進行加工時，適宜濃度的丙三醇溶液比去離子水所達到的目標電流的放電間隙更大。放電間隙越大，工作介質(zhì)越易進入極間，排屑、冷卻、消電離等作用均會有所改善，從而提高加工效率，降低電極損耗。雖然火花油的擊穿放電間隙達到了200 μm，但其熱分解形成的碳造成極間狀態(tài)惡化，從而導(dǎo)致拉弧，影響了加工穩(wěn)定性。

圖5 不同工作介質(zhì)對峰值電流的影響

2.2 對電極涂覆效應(yīng)與消除積碳的影響

圖6是丙三醇溶液的極間狀態(tài)示意圖。位于放電通道兩端的電極放電蝕除坑溫度極高，其周圍的丙三醇分子受熱分解出碳分子，而碳分子在丙三醇分子的微觀爆炸力作用下會增強對電極的涂覆作用，從而減小電極損耗。

圖6 丙三醇溶液的極間狀態(tài)示意圖

當采用石墨電極時，水電解生成的氧氣與電極蝕除產(chǎn)物中的碳、丙三醇分子分解的碳結(jié)合生成氣體逸出，可有效減弱極間分解的碳分子在工件表面的積聚，避免產(chǎn)生積碳，提高了加工效率。

3 實驗結(jié)果與討論

采用精度為0.1 mg的電子秤測量加工前后電極的質(zhì)量差，并除以密度可得到電極損耗體積，再除以材料蝕除體積可得到電極損耗比。

3.1 丙三醇適宜濃度分析

采用石墨電極時，丙三醇溶液濃度對加工效率、電極損耗的影響曲線見圖7。選用的電參數(shù)如下：極間電壓 180 V、脈沖寬度 40 μs、占空比 1∶21。丙三醇溶液濃度為0時，即為去離子水。

圖7 丙三醇溶液濃度對加工效果的影響

粘度影響著介質(zhì)流動性，對極間冷卻、消電離、排屑也有重要影響[9]。分析可知，與質(zhì)量分數(shù)為30%的丙三醇溶液相比，雖然質(zhì)量分數(shù)為20%的丙三醇溶液的擊穿放電間隙較小，微觀爆炸力小，但其粘度適宜，利于排屑，故加工效率更高。若溶液濃度進一步增加，會使粘度過大，導(dǎo)致加工效率降低。因此，質(zhì)量分數(shù)為20%的丙三醇溶液加工效率最高。

由圖4可發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量分數(shù)為50%的丙三醇溶液與去離子水的放電間隙都為20 μm，故加工效率近似；但兩者的電極損耗比相差較大，分別為3.6%、7.2%（圖7）。分析原因：丙三醇溶液能分解出碳分子，其微觀爆炸力有利于增強電極涂覆效應(yīng)，使電極損耗比降低；放電間隙增大有利于改善極間狀態(tài)，故隨著溶液濃度不斷增加，其電極損耗先減小、后增大，即質(zhì)量分數(shù)為30%的丙三醇溶液的電極損耗比最小。

3.2 丙三醇溶液與去離子水的加工效率對比

質(zhì)量分數(shù)為30%的丙三醇溶液與去離子水的加工效率對比見圖8?？梢姡捎孟嗤拿}沖能量，取極間電壓為180 V、脈沖寬度為40 μs時，丙三醇溶液加工時的占空比可大幅減小。占空比影響著極間冷卻、消電離、排屑等過程，占空比越大，極間狀態(tài)越好。但當極間狀態(tài)已足夠好時，繼續(xù)增大占空比會減少有效放電時間、降低加工效率。

圖8 占空比對加工效率的影響

由圖8還可看出，用丙三醇溶液加工的占空比為 1∶7時，加工效率最高，為 11.88 mm3/min；用去離子水加工的占空比為1∶21時，加工效率最高，為3.96 mm3/min。分析原因：在丙三醇溶液中加工的極間狀態(tài)比在去離子水中更穩(wěn)定，且放電間隙增大可優(yōu)化極間狀態(tài)、改善排屑情況，粘度增大也會改善排屑情況，故可采用更小的占空比。

3.3 丙三醇溶液與去離子水的電極損耗對比

質(zhì)量分數(shù)為30%的丙三醇溶液與去離子水的電極損耗對比見圖9?？梢姡诜€(wěn)定加工的情況下，占空比對電極損耗的影響較小。用丙三醇溶液加工的占空比為1∶7時，加工效率最高，此時的電極損耗比為3.7%；用去離子水加工的占空比為1∶21時，加工效率最高，此時的電極損耗比為7.2%。分析原因：丙三醇溶液中放電間隙的增大可改善極間狀態(tài)、減小電極損耗比，丙三醇分子的分解可增強電極涂覆效應(yīng)，也會減小電極損耗比。

圖9 占空比對電極損耗的影響

4 結(jié)論

（1）電導(dǎo)率和粘度均會對擊穿放電間隙大小產(chǎn)生影響。電導(dǎo)率越小，絕緣強度越高，放電間隙越大；粘度越大，對放電通道壓縮會導(dǎo)致放電間隙減小。放電間隙隨著丙三醇溶液濃度的增加先增大、后減小。當極間電壓為180 V時，質(zhì)量分數(shù)為30%的丙三醇溶液的放電間隙最大，為111 μm，而去離子水的放電間隙僅為20 μm。

（2）工作介質(zhì)中分解出的碳會增強電極涂覆效應(yīng)，減小電極損耗。放電產(chǎn)生的瞬時高溫使含碳的丙三醇分子分解出碳，且丙三醇自身的微觀爆炸力會促使極間蝕除產(chǎn)物向兩極移動，從而增強對電極的涂覆效應(yīng)，減小電極損耗。

（3）丙三醇溶液加工的極間狀態(tài)比去離子水更穩(wěn)定，故可采用更小的占空比。采用相同的脈沖能量，取極間電壓為180 V、脈沖寬度為40 μs時，用質(zhì)量分數(shù)為30%的丙三醇溶液加工的占空比可大幅減小，且當占空比為1∶7時加工效率最高，達到11.88 mm3/min，電極損耗比為3.7%；去離子水在占空比為1∶21時加工效率最高，為3.96 mm3/min，電極損耗比為7.2%。

[1]馬春.世界半導(dǎo)體硅材料發(fā)展現(xiàn)狀 [J].上海有色金屬，2005，26（3）：145-148.

[2]ABBAS N M，SOLOMON D G，F(xiàn)UAD BAHARI M.A review on current research trends in electrical discharge machining (EDM)[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47：1214-1228.

[3]潘慧君，劉志東，邱明波，等.半導(dǎo)體電火花加工爬坡式電流現(xiàn)象研究[J].中國機械工程，2014，25（13）：1773-1778.

[4]QIU Mingbo，TIAN Zongjun，TIAN Ye，et al.The effect of pulse energy on the removal form of silicon crystal in electrical discharge machining[J].Materials Research Express，2016，3（9）.

[5]LIU Zhidong，CHEN Haoran，PAN Huijun，et al.Automatic control of WEDM servo for silicon processing using currentpulse probability detection [J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015，76（1）：367-374.

[6]黃賽娟，劉志東，邱明波，等.半導(dǎo)體硅電火花成形持續(xù)加工條件研究[J].電加工與模具，2014（2）：5-9.

[7]SONG Jiajie，QIU Mingbo，LIU Zhidong,et al.Research on influence of electric-feeder-termination-discharge on contact resistance in EDM of silicon[J].China Mechanical Engineering，2013，24（13）：1796-1799.

[8]ZHANG Yanzhen，LIU Yonghong，SHEN Yang，etal.Investigation on the influence of the dielectrics on the material removal characteristics of EDM [J].Journal of Materials Processing Technology，2014，214 （5）：1052-1061.

[9]XUE Rongyuan，LIU Zhidong，WANG Xiangzhi，etal.Influence ofthe dielectric characteristics on EDM performance of titanium alloy[J].Electromachining and Mould，2013（6）：15-19.

Study on Processing Characteristics of Silicon EDM Using Glycerol Solution

DUAN Yajun，QIU Mingbo，CHEN Haoran，LLU Zhidong，ZHAO Jianfeng，SHEN Lida
（ College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China ）

To improve the machining efficiency and decrease the electrode wear of silicon EDM，the glycerol solution was proposed as working solution.The impact of carbon，hydrogen and oxygen in working solution，and the influence to processing characteristicsofconductivity，viscosity and components were analyzed.The study shows that the breakdown distance is influenced by conductivity and viscosity，glycerol solution can improve discharge distance which may improve the state of discharge gap and the processing stability.Glycerol molecules can partly decompose into graphite under the high temperature of discharge channel，meanwhile，its explosive power may push graphite and erosion materials towards electrode，enhance the coating effect to electrode，and reduce the electrode wear.Processing experiment results show that the processing performance of glycerol solution is better than that of deionized water.When the concentration of glycerol solution is 30%，the best duty ratio of pulse power is 1∶7，the machining efficiency is 11.88 mm3/min，and the electrode wear is 3.7%.

EDM；silicon；glycerol solution；machining efficiency；electrode wear

TG661

A

1009－279X（2017）05－0006-04

2017-05-31

國家自然科學(xué)基金資助項目（U1532106，51675272，51575271）

段亞俊，男，1992年生，碩士研究生。