CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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超声振动辅助研磨单晶碳化硅晶片工艺研究

郝晓丽 苑泽伟 温泉 郭胜利

郝晓丽, 苑泽伟, 温泉, 郭胜利. 超声振动辅助研磨单晶碳化硅晶片工艺研究[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2022, 42(3): 268-274. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0208
引用本文: 郝晓丽, 苑泽伟, 温泉, 郭胜利. 超声振动辅助研磨单晶碳化硅晶片工艺研究[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2022, 42(3): 268-274. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0208
HAO Xiaoli, YUAN Zewei, WEN Quan, GUO Shengli. Process research on ultrasonic vibration assisted lapping of single crystal silicon carbide[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2022, 42(3): 268-274. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0208
Citation: HAO Xiaoli, YUAN Zewei, WEN Quan, GUO Shengli. Process research on ultrasonic vibration assisted lapping of single crystal silicon carbide[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2022, 42(3): 268-274. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0208

超声振动辅助研磨单晶碳化硅晶片工艺研究

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0208
基金项目: 国家自然科学基金(51305278);辽宁省兴辽英才计划项目(XLYC2007133);辽宁省自然科学基金(2020-MS-213)。
详细信息
    通讯作者:

    苑泽伟,男,博士、副教授、博士生导师。主要研究方向:特种加工与精密制造技术、难加工材料的高效加工技术以及高端装备关键零/部件制造技术。E-mail:zwyuan@aliyun.com

  • 中图分类号: TG58;TH161

Process research on ultrasonic vibration assisted lapping of single crystal silicon carbide

  • 摘要: 针对传统研磨方法加工单晶碳化硅晶片存在的材料去除率低、磨料易团聚等问题,本文提出超声振动辅助研磨方法,并探究不同工艺参数(转速、磨料质量分数、抛光压力、磨料粒径)对单晶碳化硅晶片研磨效率和表面质量的影响规律。试验结果和理论分析表明:超声振动有效提高了单晶碳化硅晶片研磨的材料去除率;在研磨盘转速为50 r/min,磨料质量分数为2.5%,压力为0.015 MPa,磨料粒径为0.5 μm时超声振动对材料去除率的提升效果最明显,分别提升23.4%,33.8%,72.3%,184.2%。同时,通过对研磨过程中表面粗糙度的追踪检测,能确定不同粒径磨料超声振动辅助研磨的最佳时间。

     

  • 图  1  压电陶瓷片逆压电效应示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic sheet

    图  2  试验装置示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of experimental device

    图  3  试验装置图

    Figure  3.  Diagram of experimental device

    图  4  单晶碳化硅晶片

    Figure  4.  Single crystal silicon carbide wafer

    图  5  压电陶瓷片

    Figure  5.  Piezoelectric ceramic sheet

    图  6  喷砂玻璃研磨盘

    Figure  6.  Sandblasted glass grinding disc

    图  7  研磨试验流程图

    Figure  7.  Flow chart of lapping experiment

    图  8  不同转速时试件的材料去除率

    Figure  8.  Material removal rate of specimens at different speeds

    图  9  不同磨料质量分数时试件的材料去除率

    Figure  9.  Material removal rate of specimens at different abrasive concentrations

    图  10  不同压力时试件的材料去除率

    Figure  10.  Material removal rate of specimens under different lapping pressures

    图  11  不同磨料粒径时的材料去除率

    Figure  11.  Material removal rate at different abrasive grit sizes

    图  12  不同粒径金刚石磨料研磨碳化硅晶片表面粗糙度变化

    Figure  12.  Surface roughness of silicon carbide wafers varing with different diamond grit sizes

    图  13  不同磨料研磨后碳化硅晶片表面形貌

    Figure  13.  Surface morphology of silicon carbide wafer after lapping with different abrasives

    表  1  研磨试验方案

    Table  1.   Test program of lapping experiment

    试验组别工艺条件研究变量变量取值
    1d=5.0 μm,
    ω=5.0%,
    p=0.010 MPa
    研磨盘转速
    n1 / (r·min−1)
    30,40,
    50,60
    2d=5.0 μm,
    p=0.010 MPa,
    n1=50 r/min
    磨料质量
    分数ω / %
    2.5,5.0,
    7.5,10.0
    3
    ω=5.0%,
    n1=50 r/min,d=5.0 μm
    压力 p / MPa0.010,0.015,0.020,0.025
    4
    ω=5.0%,p =0.010 MPa,
    n1=50 r/min
    磨料粒径
    d / μm
    0.5,2.0,5.0
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    表  2  不同研磨转速下试件研磨前后质量

    Table  2.   Mass of test pieces before and after grinding at different rotational speeds

    研磨盘转速
    n1 / (r·min−1)
    研磨前试件质量
    m0 / g
    研磨后试件质量
    m1 / g
    无超声振
    动辅助
    有超声振
    动辅助
    无超声振
    动辅助
    有超声振
    动辅助
    304.563 24.582 54.548 34.565 6
    404.563 04.582 04.542 64.559 4
    504.562 74.581 74.528 14.539 0
    604.563 04.582 24.513 64.528 4
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    表  3  不同磨料质量分数条件下试件研磨前后质量

    Table  3.   Mass of test pieces before and after grinding at different abrasive concentrations

    磨料质量分数

    ω / %
    研磨前试件质量
    m0 / g
    研磨后试件质量
    m1 / g
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    2.54.556 74.583 24.527 14.543 6
    5.04.562 74.581 74.528 14.539 0
    7.54.564 24.582 24.525 44.534 1
    10.04.558 34.582 04.534 54.550 3
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    表  4  不同研磨压力条件下试件研磨前后质量

    Table  4.   Mass of test pieces before and after grinding at different lapping pressures

    压力
    p / MPa
    研磨前试件质量
    m0 / g
    研磨后试件质量
    m1 / g
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    0.0104.562 74.58174.52814.539 0
    0.0154.559 64.581 14.522 14.516 5
    0.0204.558 54.579 84.482 34.483 2
    0.0254.561 34.578 34.463 84.425 3
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    表  5  不同磨料粒径条件下试件研磨前后质量

    Table  5.   Mass of test pieces before and after grinding at different grit sizes

    磨料粒径
    d / μm
    研磨前试件质量
    m0 / g
    研磨后试件质量
    m1 / g
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    5.04.562 74.58174.52814.539 0
    2.04.553 84.580 54.543 74.563 9
    0.54.561 14.578 84.559 24.573 4
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-09
  • 修回日期:  2022-01-09
  • 录用日期:  2022-03-14
  • 网络出版日期:  2022-07-13
  • 刊出日期:  2022-07-13

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