微磨料氣射流切割單晶硅沖蝕率及切割質(zhì)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(zhì)量的影響，提出了“有效磨料通量效應(yīng)”的概念，建立了考慮有效磨料通量效應(yīng)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(jié)果對于深入了解各向異性硬脆單晶材料沖蝕機理，推廣應(yīng)用微磨料氣射流切割技術(shù)，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(dǎo)作用和實際應(yīng)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(cè)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(yīng)力場及工件材料晶向的關(guān)系。結(jié)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(dǎo)致明顯的工件材料去除，而側(cè)向裂紋擴展形成的CCC、CCCR、SCC和SCCR型沖蝕痕跡能夠?qū)е鹿ぜ牧系拇笃瑒兟?，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(yīng)力場對裂紋形核和擴展影響較大，晶向?qū)α鸭y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(yīng)”的概念，建立了有效磨料通量效應(yīng)模型和考慮有效磨料通量效應(yīng)的硅片沖蝕率模型，并進行了實驗驗證。結(jié)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??；反彈磨料與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(yīng)的工件沖蝕率模型可以較好地預(yù)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(jié)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?。磺懈顚挾入S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(dāng)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?；跍?zhǔn)靜態(tài)壓痕斷裂力學(xué)中的側(cè)向裂紋長度模型和磨料流質(zhì)