倒角时边缘磨削力和磨削温度的研究 康洪亮

单晶硅片倒角时边缘磨削力和磨削温度的研究

康洪亮张伟才陈建跃陶术鹤摘要：本文对硅片倒角过程中三个最重要的因素;磨轮转速、硅片转速和圈去除量一一进行了原理分析，并倒角机进行了试验得到了比较合理的组合方案。

关键词:硅片倒角磨轮转速硅片转速圈去除量

为了解决单晶硅片边缘的精密磨削问题，磨削力和磨削温度是研究磨削加工中两个最基本的物理因素，磨削力是影响磨削加工质量的主要因素。磨削力起源于砂轮与硅片接触后产生的弹、塑性变形以及磨粒和结合剂与硅片表面之间的摩擦。磨削温度主要是由摩擦和切屑变形能产生的。对于脆性材料而言，由于其切屑的形成机理与金属材料有很大的不同，因此反映在磨削力和磨削温度上也有很大的不同。

1 原理分析

第一阶段为滑擦阶段，内切削刃与硅片表面开始接触，硅片仅发生弹性变形。随着切削刃切过硅片表面，进一步发生变形，法向力会稳定地上升，摩擦力及切向力同时稳定增加。磨粒微刃不起切削作用，只在表面滑擦。

第二阶段为耕犁阶段，在滑擦阶段，摩擦逐渐加剧，越来越多的能量转化为热。逐步增加的法向力超过了随温度上升而下降的材料屈服力时，切削刃就被压入塑性基体中，最终导致表面的隆起，这是磨削中的耕犁作用。

第三阶段为切屑形成阶段。在滑擦和耕犁阶段，磨粒并不产生切屑。磨粒在微小时间间隔内，当切刃切入塑性区，最终导致应力的增加，一直达到硅片材料的最大剪切能为止，这样最终导致材料的局部僵化，上升到材料的临界应力，就出现再次的剪切。当切削厚度达到临界值时，被磨粒推挤的材料明显地滑移而形成切屑。

1.1磨削力分析

磨削力ṗ可分解为相互垂直的三个分力，作用于磨削轮圆周速度方向的切向分力pz，作用于磨削深度方向径向分力py,作用于磨削轮轴线方向的轴向分力px，由于磨粒对硅片的挤压，径向力大于切向力，这是磨削加工的特征之一。一般情况下py是pz的二至三倍(pz=py /2)。在磨削过程中，轴向分力px较小，对于硅片倒角这种特殊的加工过程中，由于没有纵向进给，px为零。

硅片倒角属于精密磨削(精密磨削是使用金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接磨出超光滑表面)。

径向力py可以按下式计算[3]

py=CpyW0.7Bk (1-1)

式中:Cpy为切削力系数;

B为磨削轮宽度(毫米);

k为磨削轮硬度系数;

W为磨削轮的每一毫米宽度每分钟切下的加工量。

精密磨削是磨削的一种，服从金属磨削的普遍规律。但与常规磨削相比，又存在较大的差别，主要有以下几个方面:

(1)常规磨削中，多为炭化硅砂轮磨削黑色金属，其磨削力、磨削温度、砂轮摩擦、磨损都很大，而精密加工多为金刚石砂轮加工非金属及有色金属。

(2)常规磨削中，切削量比较大，所以剪切力比较大，其它力(如沿纵向进给方向磨削力)与之相比可忽略不计。但在精密加工中，剪切力和摩擦力都很小，这个力就不可忽略。

(3)常规磨削中，磨削速度比较低，可以不考虑切削速度对切削力的影响。但在超精密加工中，其磨削速度很高，因此不得不考虑速度对切削过程的影响。

综上所述，精密加工具有一些特殊的规律。可以从滑移理论和切削动力学入手，建立精密磨削时切削力模型，进而分析切削力的影响因素，建立局部磨削力模型。

关于磨削力的数学模型，G. Werner等建立的磨削力数学模型考虑了砂轮圆周磨削刃分布的随机特性及磨削过程的动态情况，该磨削力数学模型包括了切削变形力及摩擦力等两方面。另外，砂轮磨钝后磨粒顶部磨钝平面逐渐加大，磨削力也逐渐加大，该磨削力数学模型不能直观说明。为此，我们对磨削力数学模型做了进一步分析，直接划分为切削变形力及摩擦力两项。

由磨削实验知，在以磨耗磨损为主要磨损的磨削过程中，未发生烧伤前，磨粒顶部磨损面积率与磨削力呈线性关系。在不变的磨削用量条件下，法向磨削力随着砂轮磨粒顶部磨损面积率增大而线性增大，所以磨损平面与硅片间的接触压强为常数;另外，由于切向磨削力也随磨粒顶部磨损面积增大而线性增大，所以，硅片与磨损平面间的摩擦系数也是常数。

线速度提高，进给量相同，则每颗磨粒的切削厚度减小，从而使每颗磨粒上承受的切削负载减小。这样，每颗磨粒的切削寿命可以相应的提高，同时磨削力降低，因此也提高了磨粒的结合强度。线速度提高后，相应的增加了动力硬度，磨削时不容易产生挤压变形，减小了磨粒的滑动磨削，因此也增加了磨削轮的耐用度，增加了磨削轮的寿命。单晶硅片倒角采用了切入磨削法。利用公式(1-1) 估算单晶硅片倒角时的磨削力

径向力： py=CpyW0.7Bk

切向力： pz=py /2

带入以下参数:

磨削量W:粗磨削时，W=0.1835(mm3/Min·mm)。

磨削轮加工圆弧槽等效宽度(最大值):B=0.8433mm ;

硬度系数:k=1.0;

切入磨削法系数:Cpy = 0.11;

磨削力是磨削量w的函数，粗磨削时磨削力较大。要提高加工效率，主要是增加粗磨时硅片转速，但会增加磨削力，而过大的磨削力会造成局部表面温度过高，导致磨削时硅片碎裂。

1.2 磨削温度分析

磨削时在滑擦、耕犁和切屑形成的三个阶段所消耗的能量，绝大部分都转化为热能。这是磨削过程中磨削热产生的根源。在一般切削加工中，大部分切削热均被切屑带走，只有少部分传入硅片。磨削时由于砂轮的导热性能差，磨屑的体积微小，容纳热量的能力低，加之冷却液难以进入磨削区，所以大部分磨削热将传入硅片。磨削时不仅线速度很高，而且切除单位体积材料所消耗的能也非常高，会造成磨粒与硅片接触处达到1000。C以上的高温。这种高温作用时间极短，作用的区域很小，仅为磨削区中有效磨粒和硅片接触的一些离散接触点。因此对于硅片表面质量有影响，会促使磨粒与硅片的界面处发生一些物理、化学变化，对于砂轮磨损有重大影响。

对于硅片表面质量有影响的是磨削区的温度及其分布情况。一般所说的“磨削温度”就是指磨削区的温度。磨削时对于硅片表面及距离表面不同深处的温度分布情况是离硅片表面越远处，其温度越低。

磨削时消耗的大量能量在极短的时间变为热能，从而使磨削区的温度以1x105℃/s的数量级的加热速度急剧升温口因此硅片表层的组织将迅速变化，并产生表层残余应力。这种情况还能造成磨削表面的热损伤，使表面出现烧伤和微裂纹。此外，磨削区温度的急剧变化，还可能使硅片产生热变形，从而影响加工精度。

影响磨削温度的因素很多，但主要的有以下几个:

(1)砂轮速度ʋs

砂轮速度增大，单位时间内的工作磨粒数将增多，单个磨粒的切削厚度变小，挤压和摩擦作用加剧，滑擦热显著增多，此外还会使磨粒在硅片表面的摩擦次数增多。所有这些都将促使磨削温度的升高。

(2)硅片速度ʋ

W

硅片速度增大就是热源移动速度增大，硅片表面温度可能降低，但不明显。