何 艷,李 翔,高興軍,凡 林,劉 銘,徐子成
(遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001)
作為各種電子電力器件中的關(guān)鍵部件,半導(dǎo)體器件受到了越來越多的關(guān)注。而單晶SiC憑借著其優(yōu)異的物理和電子性能從眾多半導(dǎo)體材料中脫穎而出,廣泛應(yīng)用于各類半導(dǎo)體器件中[1-4]。SiC是典型的硬脆材料,不僅具有杰出的機械性能,而且具有耐高溫、耐高壓等優(yōu)良的電熱學(xué)性能。SiC切割過程中產(chǎn)生的亞表面損傷、邊緣裂紋和殘余應(yīng)力等,不僅影響其優(yōu)異性能,更降低了半導(dǎo)體器件的可靠性和使用壽命。因此,如何實現(xiàn)SiC的高效率、高質(zhì)量切割,是SiC切割加工中面臨的主要難題。
目前,很多學(xué)者對SiC的切割加工方法進(jìn)行了深入的研究。LEWKE等[5]采用熱激光分離方法切割4HSiC,實現(xiàn)了無接觸切割且材料無損傷,同時工件表面無裂紋產(chǎn)生,但切割只能沿直線路徑進(jìn)行。激光隱形切割技術(shù)是近幾年新提出的切割方法,加工原理是將脈沖激光通過光學(xué)透鏡匯聚,聚焦在內(nèi)部材料上,僅對材料內(nèi)部造成損傷。相較于普通激光切割,激光隱形切割技術(shù)具有無切口、速度快、可靠性高等優(yōu)點[6],然而用其切割硬脆性材料SiC工件時,會導(dǎo)致工件產(chǎn)生崩邊和裂紋擴展[7]。ZHANG等[8]在激光隱形切割技術(shù)的基礎(chǔ)上提出雙激光束異步切割法切割SiC,解決了其崩邊和裂紋擴展的問題,但這種方法限定工件厚度為200 μm。GE等[9]使用固定磨料線切割單晶SiC,結(jié)果表明可以通過控制線切割的張力和弓角實現(xiàn)SiC的無裂紋加工。FUJITA等[10]通過多晶金剛石切割片切割帶有金屬薄膜的SiC襯底,當(dāng)切割片轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時,SiC和金屬薄膜之間沒有出現(xiàn)裂紋。CVETKOVI?等[11]對比了線切割和切割片切割單晶SiC的壁面粗糙度,線切割時的側(cè)壁粗糙度Ra為2.4 μm,切割片切割時的Ra最小為1.6 μm。因此,切割片切割SiC晶片具有切割質(zhì)量好,磨粒不易脫落等優(yōu)點,是學(xué)者關(guān)注的焦點。
關(guān)于切割片切割SiC仿真的研究,大多數(shù)文獻(xiàn)仍采用單顆金剛石磨粒劃擦SiC表征材料去除的過程[12-16]。由于切割片表面的磨粒并不規(guī)則,單磨粒劃擦的局限性非常明顯,建立準(zhǔn)確的多磨粒切割片模型顯得尤為重要。目前,已有學(xué)者建立多種多磨粒模型模擬砂輪或線切割去除SiC等硬脆性材料的過程。TANG等[17-18]建立了磨粒隨機分布的金剛石線切割模型,主要研究了切割速度和深度對脆性材料切割效果的影響。YANG等[19-21]對比了砂輪有序磨粒和隨機分布磨粒在相同磨削參數(shù)下的磨削力,研究表明有序磨粒的磨削力要低于隨機分布磨粒的磨削力。此后,LI等[22-23]采用離散元的方法對砂輪進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。CHEN等[24]在此基礎(chǔ)上通過蒙特卡羅方法隨機切割球體建立了單磨粒模型,且基于虛擬網(wǎng)格建立了砂輪模型,并通過切削力驗證了仿真模型的可靠性。CHEN等[25]僅對砂輪的切割刃部分的切割效果進(jìn)行了仿真研究,極大地提高了計算速度。ZHANG等[26]構(gòu)建了一種磨粒出刃高度隨機的砂輪模型,可通過控制砂輪表面磨粒的出刃高度調(diào)控工件表面粗糙度。WANG等[27]使用Solidworks三維建模軟件建立了砂輪模型,并對砂輪磨削SiC復(fù)合材料的磨削過程進(jìn)行仿真,最終仿真與實驗的誤差在15%以內(nèi)。
金剛石線切割能夠批量切割SiC晶片,但其上的磨粒易脫落,脫落的磨粒會對晶體表面造成損傷。雖然磨粒有序排布的砂輪性能高于磨粒隨機分布砂輪的,但在砂輪實際生產(chǎn)中難以控制每個磨粒的準(zhǔn)確位置,并且砂輪表面的磨粒分布具有不確定性和隨機性,每個磨粒形狀無法準(zhǔn)確確定。針對上述問題,采用超薄金剛石切割片切割單晶SiC,提出Python語言與Abaqus有限元分析軟件相結(jié)合的建模方式,建立磨粒隨機分布的切割片模型,研究超薄金剛石切割片切割參數(shù)對SiC晶片切割邊緣完整性、切割力、切割溫度及亞表面損傷的影響。
金剛石磨粒形狀各不相同,但都趨向于隨機多面體,因此以立方六面體為基體對其進(jìn)行多次切割建立單個磨粒模型,并采用Python語言與Abaqus有限元分析軟件相結(jié)合的方式建立磨粒和切割片模型。構(gòu)建單個磨粒所需的隨機四邊形切割工具如圖1所示,其構(gòu)建過程如下:首先以O(shè)為圓心R為半徑,在正方形內(nèi)確定1個圓;然后在第一象限內(nèi)隨機選取角度θ,角度θ的尺寸界線與圓的交點為p,過交點p做圓的切線,因而通過圓切線方程確立了第1條切割線。同理,確定其余3條切割線。4條切割線分別相交于A、B、C、D4點,四邊形ABCD即為所構(gòu)建的切割工具。
圖1 隨機四邊形切割工具Fig.1 Random quadrilateral cutting tool
四邊形切割工具切割立方六面體的流程如圖2所示,第1次切割完成后,將磨粒旋轉(zhuǎn)任意角度,再對其進(jìn)行第2次切割,以確保磨粒形狀結(jié)構(gòu)的隨機性。由圖2可知:隨著切割次數(shù)的增加,獲得了不同形狀的表面,其三維結(jié)構(gòu)更趨向于金剛石磨粒結(jié)構(gòu)。由于過多的切割會導(dǎo)致磨粒趨向于球體,因此將切割次數(shù)設(shè)定在6~9次。
圖2 磨粒切割流程圖Fig.2 Flow chart of abrasive cutting
切割片磨粒粒度、磨粒粒徑和磨粒濃度之間的關(guān)系式為[28]:
式中:dgavg為磨粒的平均粒徑,M為金剛石磨粒粒度號(用目數(shù)表示),Vs為磨粒的濃度,S為切割片組織號。
以直徑為58 mm,厚度為0.2 mm,磨粒粒度號為400,磨粒濃度為25%的金剛石切割片為例,根據(jù)式(1)計算出金剛石切割片磨粒的平均粒徑為38 μm。
由于金剛石磨粒的粒徑分布規(guī)律符合正態(tài)分布函數(shù)[29],磨粒粒徑分布概率為:
式中:x為磨粒粒徑,σ1為正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差,μ1為正態(tài)分布均值,xmax和xmin分別為磨粒的最大粒徑和最小粒徑。
篩選粒徑范圍在xmax和xmin之間的磨粒,構(gòu)建的磨粒形狀模型庫如圖3所示。
圖3 磨粒模型庫Fig.3 Abrasives model library
(1)采用Python語言中的Random函數(shù)隨機排布切割片表面的磨粒,根據(jù)磨粒的平均粒徑與濃度計算兩磨粒之間的距離lg,其式為:
然后,將磨粒整齊排布在切割片表面,對每個磨粒施加隨機位移以確保磨粒分布的隨機性。由于切割片外輪廓具有一定弧度,因此將極坐標(biāo)系(r,θ,z)轉(zhuǎn)化為Abaqus可識別的直角坐標(biāo)系(x,y,z),得到:
采用式(7)對每個磨粒施加xy平面上的位移,則:
式中:xmn,ymn是第m個磨粒在xy平面上的最終坐標(biāo),xm0,ym0是第m個磨粒在xy平面上的初始坐標(biāo),δx和δy分別是磨粒在x軸和y軸上的隨機位移量。
(2)確定磨粒在z方向的位置,即確定磨粒在砂輪表面的出刃高度。磨粒出刃高度符合正態(tài)分布函數(shù)式(3)及式(4),式中的參數(shù)x為磨粒出刃高度,xmax和xmin分別為磨粒出刃高度的最大值和最小值。圖4為砂輪表面磨粒出刃高度概率示意圖,其上半部分為磨粒出刃高度的正態(tài)分布曲線,下半部分為磨粒出刃高度示意圖。由圖4可知,大多數(shù)磨粒出刃高度位于平均出刃高度附近。隨著磨粒的出刃高度高于或低于平均出刃高度,其分布概率逐漸降低。
圖4 磨粒出刃高度概率示意圖Fig.4 Probability diagram of abrasive grain protrusion height
(3)將磨粒與砂輪基體組合,構(gòu)建的金剛石切割片表面磨粒分布模型如圖5所示。截取切割片整圓中的1°作為砂輪基體,基體近似為0.20 mm× 0.50 mm×0.02 mm的六面體。由于模擬切削的時間較短,一般不會產(chǎn)生磨粒脫落的情況,因此可將磨粒與切割片基體合為一體。
圖5 切割片表面磨粒分布模型Fig.5 Model of abrasive particle distribution on the surface of cutting slice
超薄金剛石切割片切割SiC晶片模型如圖6所示。圖6中:切割片沿x方向運動,切割過程中SiC晶片底部設(shè)置為完全固定。選擇能夠準(zhǔn)確計算SiC在大應(yīng)變和高應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)和破壞行為的JH-2本構(gòu)模型[30],常溫下單晶SiC JH-2本構(gòu)模型的材料參數(shù)如表1所示[31]。DS610精密劃片切割機的轉(zhuǎn)速為20 000~40 000 r/min,其金剛石切割片的直徑為58 mm,以此為參考,計算出砂輪的線速度為60~121 m/s。分析步類型為溫度位移耦合,初始溫度設(shè)定為20 ℃。網(wǎng)格單元類型設(shè)置為C3D8RT六面體網(wǎng)格,對切割區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化處理。切割過程中的參數(shù)設(shè)置如表2所示。
表1 常溫下SiC的物理性能參數(shù)Tab.1 Physical property parameters of SiC at room temperature
表2 切割過程的參數(shù)設(shè)定Tab.2 Parameter setting of cutting process
圖6 超薄金剛石切割片切割SiC晶片模型Fig.6 Model of cutting SiC wafer with ultra-thin diamond slice
切割力是切割過程中工件抵抗切割片切割產(chǎn)生的阻力,一些學(xué)者[12,32-33]已經(jīng)對SiC加工過程中刀具所受阻力進(jìn)行了研究。正確分析切割片在切割過程中切割力的大小及變化規(guī)律,是研究切割熱與工件切割邊緣完整性的重要依據(jù)。
當(dāng)表2中切割速度為76 m/s,其他條件不變時,超薄金剛石切割片的切割深度對切割力的影響如圖7所示。由圖7a可知:主切割力Fx、法向切割力Fz和軸向切割力Fy均隨切割深度的增加而增大,整體上呈線性上升趨勢。主切割力Fx的方向與切割片運動的x方向相同,F(xiàn)x值最大;法向切割力Fz沿z方向,F(xiàn)z值次之;軸向切割力Fy為切割片所受y方向的擠壓力,F(xiàn)y值最小。當(dāng)切割深度在6~9 μm時,3個切割分力急劇增長。其可能的原因為切割片表面磨粒出刃高度為正態(tài)分布,當(dāng)切割深度為6~9 μm時與正態(tài)分布函數(shù)的中間段對應(yīng),此時大量磨粒參與SiC晶片的材料去除,磨粒對晶片的有效去除面積較大,因此切割分力增長更快。當(dāng)切割深度>9 μm時,切割片表面磨粒均參與材料的去除,增大切割深度,其有效去除面積增長較緩慢,因此切割分力的增長趨勢減緩。
圖7 切割深度對切割力的影響Fig.7 Effect of cutting depths on cutting forces
由圖7b可知:切割深度越大,主切割力Fx的波動值越大。且切割過程中的力波動幅度都呈現(xiàn)逐漸增大、穩(wěn)定波動和逐漸減小3個階段,分別對應(yīng)切割過程中的切入階段、穩(wěn)定切割階段和切出階段。
當(dāng)切割深度為9 μm,其他條件不變時,超薄金剛石切割片的切割速度對切割力的影響如圖8所示。由圖8a可知:當(dāng)切割速度在60~121 m/s時,主切割力Fx、法向切割力Fz和軸向切割力Fy變化極小。由圖8b可知:不同切割速度下主切割力的波動幅值無明顯差異,且切割過程中主切割力的變化趨勢相同。因此,切割速度對切割力的影響較小,切割速度是非顯著因素。
圖8 切割速度對切割力的影響Fig.8 Effect of cutting speeds on cutting forces
材料加工過程中產(chǎn)生的熱量對工件應(yīng)力應(yīng)變有非常重要的影響,一些學(xué)者[34-36]采用不同的仿真方法分析了硅等脆性材料磨削過程中砂輪和磨粒產(chǎn)生的磨削熱。切割片的切割過程與砂輪磨削過程極為相似,因此研究切割過程中產(chǎn)生的熱量及其變化規(guī)律對切割質(zhì)量及其熱應(yīng)力分析有十分重要的意義。
通過將磨粒與磨粒上的一點進(jìn)行耦合處理,提取磨粒表面溫度與切割距離之間的關(guān)系;再通過Python編程語言提取切割過程中晶片的最高溫度與切割完成后晶片整體的平均溫度,溫度的提取精度為0.001 ℃。
在SiC晶片材料去除的過程中,與晶片接觸的砂輪前端的數(shù)個磨粒起主要切割作用。因此,可通過提取有效切割磨粒的溫度,分析切割片的溫度變化趨勢。當(dāng)切割速度為76 m/s時,切割片的磨粒表面溫度隨切割深度的變化如圖9a所示。由圖9a可知:在不同切割深度下,磨粒與SiC晶片不斷的擠壓、摩擦,因此隨著切割距離的增加,磨粒表面溫度呈現(xiàn)波動上升趨勢。當(dāng)切割距離超過1.0 mm時,切割片處于切出工件階段,此時磨粒與SiC晶片不再接觸,磨粒表面溫度經(jīng)過小幅下降后保持穩(wěn)定。當(dāng)切割深度較小為3 μm時,僅有磨粒的某一尖角起主要切割作用,因此磨粒表面溫度波動幅值較大;隨著切割深度的增加,磨粒表面溫度的上升趨勢更急劇,總體上磨粒表面溫度與切割深度的變化趨勢呈正相關(guān),可通過控制切割片的切割深度調(diào)控切割片表面的磨粒溫度。
圖9 切割片的磨粒表面溫度Fig.9 Abrasive surface temperatures of cutting slices
當(dāng)切割深度為9 μm時,切割速度對磨粒表面溫度的影響如圖9b所示。從圖9b的最高溫度處的局部放大圖中可以看出:磨粒表面的最高溫度隨切割速度增大略有上升,但觀察整體圖可以發(fā)現(xiàn)切割速度對磨粒表面最高溫度的影響較小。因此,從磨粒最高溫度的角度進(jìn)一步驗證了切割速度對熱應(yīng)力的影響較小。
超薄金剛石切割片的切割參數(shù)對SiC晶片平均溫度與最高溫度的影響如圖10所示。圖10a為切割速度為76 m/s時晶片平均溫度與最高溫度隨切割深度的變化。從圖10a中可以看出,最高溫度遠(yuǎn)大于平均溫度。這是因為最高溫度從切割過程中產(chǎn)生的碎屑溫度中提取,當(dāng)碎屑與晶片分離的瞬間存在巨大的能量,碎屑溫度主要由內(nèi)能(磨粒與晶片相互作用產(chǎn)生)轉(zhuǎn)化而成,因此最高溫度極高;而平均溫度是切割完成后晶片整體的平均溫度,切割過程中僅在晶片切割區(qū)域具有較高的溫度,而切割區(qū)域占比較小(<15%),因此晶片整體的平均溫度較低。圖10a中:隨著切割深度增加,晶片平均溫度與最高溫度均呈上升趨勢,與磨粒表面溫度變化趨勢一致(圖9a)。同時,與最高溫度比,晶片平均溫度的上升趨勢更加平穩(wěn)。因此,由于SiC為典型的脆性材料,其切割過程中會產(chǎn)生大量的細(xì)小碎屑,碎屑的溫度隨切割深度的增加而呈不斷上升的趨勢。
圖10 SiC晶片的平均溫度與最高溫度Fig.10 Average and maximum temperature of SiC wafer
圖10b為切割深度為9 μm時晶片的平均溫度與最高溫度隨切割速度的變化。從圖10b中可以看出:切割速度的增大對SiC晶片平均溫度影響較小,而隨切割速度的增大其最高溫度展現(xiàn)出逐漸增大的趨勢,但增大幅度小于切割深度時的。
SiC晶片切割過程中的切割邊緣會出現(xiàn)不同程度的崩碎和裂紋[37-39]。為了研究切割參數(shù)對晶片切割邊緣形貌的影響,對切割邊緣進(jìn)行切片處理,由于切割片在走刀階段會帶走大量材料而影響晶片邊緣形貌的觀測結(jié)果,因此選取晶片切削距離為0~0.8 mm時的位置進(jìn)行研究。圖11為切割速度為76 m/s時不同切割深度下SiC晶片切割邊緣形貌圖。由圖11可知:當(dāng)切割深度為3 μm時,僅有不規(guī)則的磨粒尖端部分對晶片材料起去除作用,切割區(qū)域承受的單位壓力大。此外,切割片表面磨粒的出刃高度各不相同,切割片切割深度較淺時,磨粒的出刃高度差也將增大晶片表面的損傷,從而導(dǎo)致晶片切割邊緣崩邊嚴(yán)重,切割質(zhì)量較差。當(dāng)切割深度為6~9 μm時,磨粒的切入深度處于正態(tài)分布的中間段,大量磨粒參與晶片材料的去除,材料呈現(xiàn)穩(wěn)定去除狀態(tài),晶片邊緣崩碎較輕,質(zhì)量較好;隨著切割深度的進(jìn)一步增大,晶片切割邊緣損傷寬度增大,較大的切割深度降低了晶片切割邊緣的質(zhì)量。
圖11 切割深度對SiC晶片切割邊緣形貌的影響Fig.11 Effect of cutting depths on cutting edge morphology of SiC wafer
圖12所示為切割深度對SiC晶片切割邊緣損傷寬度和損傷面積的影響,此時切割速度為76 m/s。由圖12可知:隨切割深度的增大,晶片切割邊緣損傷寬度與邊緣損傷面積都呈先減小后增大的趨勢。當(dāng)切割深度為6 μm和9 μm時,切割邊緣損傷寬度最小值為8 μm;當(dāng)切割深度為6 μm時,最小損傷面積為4 905.56 μm2;且切割深度>6 μm時,邊緣損傷面積值隨著切割深度的增大而增大。合理的切割深度,不僅可獲得較好的切割邊緣,還有助于抑制晶片切割邊緣碎裂的形成;切割深度過大,將會破壞切割邊緣完整性,并增大晶片的損傷寬度值。
圖12 切割深度對SiC晶片切割邊緣損傷寬度和損傷面積的影響Fig.12 Effect of cutting depths on damage widths and damage area of cutting edge of SiC wafer
圖13為切割深度為9 μm時不同切割速度下SiC晶片切割邊緣形貌圖。由圖13可知:當(dāng)砂輪切割速度為60~121 m/s,切割片處于高速切割階段,隨著切割速度的增加,晶片切割邊緣質(zhì)量逐漸改善。
圖13 切割速度對SiC晶片切割邊緣形貌的影響Fig.13 Effect of cutting speeds on cutting edge morphology of SiC wafer
圖14為切割深度為9 μm時切割速度對晶片切割邊緣損傷寬度及損傷面積的影響。由圖14可知:當(dāng)切割速度在60~121 m/s時,晶片切割邊緣損傷寬度呈水平穩(wěn)定狀態(tài);而當(dāng)切割速度為76和121 m/s時,晶片邊緣損傷面積較小。因此,切割速度對切割邊緣形貌的影響較小,這是因為在高速切割階段,SiC切割過程中的表面損傷主要以微裂紋損傷為主。從材料去除層面分析,微裂紋是由晶體的位錯和層錯產(chǎn)生的[40];位錯密度主要受切割速度的影響,當(dāng)切割速度較高時位錯密度也會增大[31],進(jìn)而導(dǎo)致大量微裂紋的萌生;但微裂紋損傷深度小于一個晶粒尺寸的大小,未穿越晶界,因此高速切割下切割速度對切割損傷層的影響較小。從力學(xué)層面分析,當(dāng)切割速度較低時(≤15 m/s),切割速度對SiC損傷層深度影響較大,因為低速切割會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,導(dǎo)致產(chǎn)生較大的裂紋(>50 μm)[41];而高速切割所產(chǎn)生的微裂紋比較密集,在其萌生擴展過程中相互交匯,消耗了大量的能量,解決了低切割速度下的應(yīng)力集中問題,無法形成較大的裂紋,因此高速切割下切割速度對切割邊緣形貌影響較小。
圖14 切割速度對SiC晶片邊緣損傷寬度和損傷面積的影響Fig.14 Effect of cutting speeds on damage widths and damage area of cutting edge of SiC wafer
切割深度不僅影響切割邊緣的完整性,還對SiC的亞表面損傷有著較大的影響[42-44]。由于切割速度對SiC亞表面損傷的影響較小,在此將不再贅述,只考慮切割深度的影響。圖15為切割速度為76 m/s時不同切割深度下SiC晶片亞表面損傷的切片云圖。從圖15可知:隨著切割深度的增大,晶片的亞表面損傷層深度增大,其應(yīng)力影響區(qū)域也在不斷擴大。當(dāng)切割深度最大為18 μm時,晶片的亞表面層不僅在出刀位置存在較大的損傷,在穩(wěn)定切割階段也出現(xiàn)了較大的凹坑。
在切割速度為76 m/s時,切割片的切割深度與SiC晶片亞表面損傷深度及切面損傷面積關(guān)系如圖16所示。由圖16可知:隨著切割深度的增加,SiC晶片亞表面損傷深度及損傷面積先減小后增大,與SiC晶片邊緣形貌的分析結(jié)果一致(圖12)。與切割深度為6 μm相比,當(dāng)切割深度較低為3 μm時,SiC晶片的亞表面損傷深度與損傷面積較高,此時晶片承受的單位壓力和磨粒的出刃高度是影響其切割損傷的因素。當(dāng)切割深度為6 μm時,亞表面損傷深度達(dá)到最低值10.67 μm,損傷面積達(dá)最小值7 022.18 μm2。當(dāng)切割深度>6 μm時,SiC晶片亞表面損傷深度與損傷面積隨切割深度的增大呈線性上升趨勢。所以,切割深度對SiC晶片亞表面損傷深度及損傷面積的影響較大,控制切割片的切割深度能有效提高晶片加工質(zhì)量。
(1)Python語言能夠?qū)崿F(xiàn)磨料形狀的隨機切割和磨粒的隨機正態(tài)分布,采用Python語言與Abaqus有限元分析軟件相結(jié)合的方式建立了磨粒模型庫和超薄金剛石片切割SiC晶片的模型。
(2)隨著超薄金剛石片切割深度的增大,切割力、金剛石磨粒和晶片的溫度增大,SiC晶片切割邊緣損傷程度和亞表面損傷深度先減小后增大。當(dāng)切割深度為6 μm時,晶片切割邊緣的損傷寬度和損傷面積分別達(dá)到8 μm和4 905.56 μm2的最小值,且晶片的亞表面損傷深度和損傷面積也分別達(dá)到10.67 μm和7 022.18 μm2的最小值。
(3)在超薄金剛石切割片高速切割階段(切割速度為60~121 m/s),切割速度對切割力、溫度、晶片切割邊緣形貌和亞表面損傷的影響較弱。因此,在不影響切割質(zhì)量的情況下,提高切割速度將是提高晶片切割效率最有效方法。