基于_RSM_的SiC_单晶片切割过程中切向锯切力的研究

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1、基于RSM的SiC单晶片切割过程中切向锯切力的研究摘要：通过响应面分析法对金刚石线锯——超声振动复合切割碳化硅（SiC）的工艺进行优化。本试验采用中心组合设计方法，考察了线锯速度、工件进给速度、工件转速和超声波振幅四因素对碳化硅切割过程中切向锯切力的影响。运用响应曲面分析法，回归出关于切向锯切力的响应模型，进行响应面分析，确定了切割碳化硅的最佳工艺参数线锯速度为1.65m/s，工件进给速度为0.025mm/min，工件转速为16r/min，超声波振幅为0.0018mm，SiC切割过程中的切向锯切力的最小值为1.62N。关键词：响应曲面法碳化硅切向锯切力1引言碳化硅又称金刚砂或耐火砂，是用石英砂

2、、石焦油（或焦煤）、木屑（生产绿色碳化硅时需加食盐）等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。其硬度仅次于金刚石，具有高杨氏模量(270～310GPa)、较高导热率(172W/(m·℃))、耐热冲击性、高的比刚度、机械能各向同性等一系列优良物理性质,在一些应用上成为最佳的半导体材料，并广泛应用于高频电子学、高温电子学以及传感器技术等，在通讯、微电子、光电子、军事、航空航天、汽车和地质勘探等领域有着广泛的应用前景[1,2]。对于SiC晶体，因材料难以加工，内圆刀片急剧磨损，常规的内圆切割机不能有效地工作，现在广泛采用金刚石线锯——超声复合切割技术[3]。但是在切割工艺参数的优化的研究报道并不是很多。碳化硅

3、（SiC）晶体很难生长，并且材料价格十分昂贵，同时用于切割碳化硅的金刚石线锯价格很高，且切割碳化硅晶体效率本身不高。考虑到试验时间、费用、试剂以及试验材料消耗等原因，采用多变量设计方法来设计试验方案。常用的多变量试验设计方法是正交设计方法，但是正交设计法有其局限性，不能在给定区域上提供因素和响应值之间的明确函数关系，从而无法确定整个区域上因素的最佳组合和响应值的最优值，此外，正交设计法无法提供因素之间存在的交互影响。鉴于本试验值考虑四个因素且需要确定因素最优值，可以采用响应曲面法（ResponseSurfaceMethodogy，RSM）[4]。响应曲面法有中心组合设计法（CentralCom

4、positeDesign，CCD）和Box-Behnken设计法等，非常适合于多变量的试验设计，该方法采用数学和统计学技术，将试验数据用多项式方程拟合，用方差分析评估拟合结果。它能用于分析几个变量可能对结果的影响，优化变量和水平参数，并能给出很好的三维视觉效果图。其以最经济的方式、较少的试验次数和较短的时间对所选的试验参数进行全面的研究，得出正确的结论，它的优越性被许多实验工作者所重视[5]。目前该方法在生物工程领域应用比较广泛，但是在金刚石线锯——超声复合切割方面的研究报道不多。试验首次采用响应曲面法中的中心组合设计法（CentralCompositeDesign，CCD）对影响SiC切割过

5、程中的切向锯切力的线锯速度，工件进给速度，工件转速，超声波振幅进行试验设计，并对SiC晶体进行切割实验研究和工艺控制参数分析，建立并验证了相关的工艺模型，从而为SiC单晶片的后续加工过程提供良好的表面质量和工艺参数。2材料与方法2.1材料黑碳化硅，SiC质量分数95%，比重为3.20—3.25，纤维硬度2840—3320kg/mm2；金刚石线锯，采用不锈钢钢丝，胎体为镍，上镀JR2型金刚石磨粒，磨粒平均尺寸30—40um，锯丝总长50m，平均直径0.29mm；冷却液，采用1：5稀释后的乳化液。2.2试验装置试验机床为WXD170型往复金刚石线旋转点切割机所改制的，X轴移动平台行程:180-30

6、0mm，进给速度可无级调整在0.005-18mm/min之间，Y轴移动平台行程：180-300mm，旋转速度在0-36r/min之间，可实现金刚石线锯与工件的点接触切割。超声波发生器，陕西师范大学自主研制的AQ-600超声波发生器。切向锯切力测量仪，采用北京时代之峰科技有限公司。2.3试验设计采用中心组合设计法（CentralCompositeDesign，CCD），对影响SiC切割过程中的切向锯切力的线线锯速度Vs、工件进给速度Vx、工件转度nw和超声波振幅a四因素为自变量，根据单因素试验结果，取值范围分别为1.3m/s—1.9m/s，0.025mm/min—0.08mm/min，8r/mi

7、n—16r/min和0.0012mm—0.0018mm。CCD设计的因素和水平见表1.自变量未编码水平-101线锯速度(m/s)Vs1.31.61.9工件进给速度（mm/min）Vx0.0250.050.08工件转速（r/min）nw81216超声波振幅（mm）a0.00120.00150.0018表1试验因素及水平碳化硅切割过程中的切向锯切力采用三向测力仪来测量，测量十次的平均值用来分析，中心组