微磨料氣射流切割單晶硅沖蝕率及切割質量研究.pdf

1、本文通過微磨料氣射流大角度沖蝕和切割單晶硅片實驗，研究了微磨料氣射流切割加工單晶硅的微觀沖蝕機理、切割加工參數(shù)對加工能力和加工質量的影響，提出了“有效磨料通量效應”的概念，建立了考慮有效磨料通量效應的沖蝕率模型，以及切割寬度、切割深度、切割深寬比和切口橫截面輪廓形狀模型。本文的研究結果對于深入了解各向異性硬脆單晶材料沖蝕機理，推廣應用微磨料氣射流切割技術，解決單晶硅等硬脆薄板小熱影響區(qū)和小加工力的切割及刻劃加工問題，具有十分重要的理論指

2、導作用和實際應用價值。
　　 通過微磨料氣射流大角度沖蝕單晶硅片實驗，研究了沖蝕凹坑特征，分析了單顆磨粒沖擊下硅片表面加工痕跡的種類和特征，計算了各類沖蝕痕跡的數(shù)量在大尺度沖蝕痕跡總數(shù)量中所占比例，研究了徑向/中位裂紋、側向裂紋和赫茲裂紋產(chǎn)生的磨粒臨界速度條件，以及裂紋形核和擴展與應力場及工件材料晶向的關系。結果表明，加工痕跡可以分為沖蝕凹痕、沖蝕劃痕和沖蝕微點坑三種基本類型，沖蝕凹痕可以分為CC、CCR、CCC和CCCR四種類

3、型，沖蝕劃痕可以分為SC、SCR、SCC和SCCR四種類型；CC、CCR、SC、和SCR型沖蝕痕跡不能導致明顯的工件材料去除，而側向裂紋擴展形成的CCC、CCCR、SCC和SCCR型沖蝕痕跡能夠導致工件材料的大片剝落，但是沒有見到赫茲裂紋擴展形成的沖蝕痕跡；隨著氣壓的增加，含有解理斷裂面的沖蝕痕跡數(shù)量在大尺度單顆磨粒沖蝕痕跡總數(shù)量中所占比例增大，隨著射流角度的增加，凹痕型沖蝕痕跡數(shù)量在整個大尺度單顆磨粒沖蝕痕跡總數(shù)量中所占比例增大；多數(shù)

4、磨粒沖擊工件表面后彈離工件，含有解理斷裂面的沖蝕凹痕是硅片去除的主要形式；各向異性硅片的硬度、彈性模量和斷裂韌度，以及磨粒形狀均影響裂紋形核位置和擴展方向，應力場對裂紋形核和擴展影響較大，晶向對裂紋形核和擴展方向的影響較小。
　　 研究了微磨料氣射流切割單晶硅片時切割加工參數(shù)對硅片沖蝕率的影響，提出了“有效磨料通量效應”的概念，建立了有效磨料通量效應模型和考慮有效磨料通量效應的硅片沖蝕率模型，并進行了實驗驗證。結果表明，工件沖蝕

5、率隨著氣壓、射流角度和噴嘴橫移速度的增加而增大，隨著磨料流量的增加而減?。环磸椖チ吓c入射磨料碰撞干涉引起的后續(xù)有效入射磨料數(shù)量減少是沖蝕率隨磨料流量和噴嘴橫移速度變化而改變的主要原因；考慮了有效磨料通量效應的工件沖蝕率模型可以較好地預測硅片沖蝕率。
　　 研究了微磨料氣射流切口邊緣形貌和切口橫截面輪廓形狀特征，分析了切割加工參數(shù)對切口上邊緣平整度、切割寬度、切割深度、切割深寬比和切口橫截面輪廓形狀的影響。結果表明，切口上縫基本平

6、直，切口邊緣有損傷區(qū)，隨著氣壓的增加和射流角度的減小，切口平整度降低，而磨料流量和噴嘴橫移速度對切口平整度的影響較小；切割寬度隨著氣壓和磨料流量的增加而增大，隨著噴嘴橫移速度的增加而減小，當名義靶距相同，射流角度是60°時切割寬度最小，射流角度是30°時切割寬度最大，要獲得較小的切割寬度，可選擇較小的氣壓和磨料流量及較大的噴嘴橫移速度；切割深度隨著氣壓、磨料流量和射流角度的增加而增大，隨著噴嘴橫移速度的增加而減小，要獲得較大的切割深度，

7、可以選用較大的氣壓、磨料流量和射流角度及較小的噴嘴橫移速度；隨著氣壓、磨料流量和噴嘴橫移速度的增加，切口橫截面輪廓底部的平坦度減小，輪廓線曲率增加，隨著射流角度的減小，切口橫截面輪廓底部的平坦度增加，輪廓線曲率減小；切割深寬比隨著氣壓、磨料流量和射流角度的增加而增大，隨著噴嘴橫移速度的增加而減小。
　　 建立了微磨料氣射流切割寬度、切割深度、切割深寬比和切口橫截面輪廓形狀模型。基于準靜態(tài)壓痕斷裂力學中的側向裂紋長度模型和磨料流質