金刚石砂轮缓进给磨削单晶硅沟槽研究_艾小忱

２０１５年４月第２期第３５卷　总第２０６期金刚石与磨料磨具工程Ｄｉａｍｏｎｄ　＆Ａｂｒａｓｉｖｅｓ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｐｒｉｌ　２０１５Ｎｏ．２　Ｖｏｌ．３５　Ｓｅｒｉａｌ　２０６金刚石砂轮缓进给磨削单晶硅沟槽研究＊艾小忱，董志刚，周　平，康仁科，陈　晓，郭东明（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，大连１１６０２４）摘要　分别选用２ｍｍ宽的树脂结合剂和金属结合剂金刚石砂轮，以缓进给磨削方式在单晶硅上进行开槽实验，研究砂轮类型、砂轮线速度、工作台进给速度等参数对沟槽加工质量的影响，同时探讨了表面陪片对提高磨削质量的作用。

实验结果及分析表明：沟槽磨削质量与磨削参数和砂轮类型有关，与金属结合剂砂轮相比，使用树脂结合剂砂轮进行沟槽加工，单晶硅试样崩边尺寸较小，沟槽侧壁的表面质量较高；表面粘贴陪片后进行沟槽磨削可以显著降低沟槽两侧的崩边，提高磨削精度和效率。

关键词　单晶硅；缓进给沟槽磨削；金刚石砂轮；崩边中图分类号　ＴＱ１６４；ＴＧ７４　文献标志码Ａ　文章编号　１００６－８５２Ｘ（２０１５）０２－００２６－０７ＤＯＩ码１０．１３３９４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｇｓｚｚ．２０１５．２．０００５Ｇｒｏｏｖｉｎｇ　ｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｌａｔｅ　ｕｓｉｎｇ　ｃｒｅｅｐ－ｆｅｅｄ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｈｅｅｌＡＩ　Ｘｉａｏｃｈｅｎ，ＤＯＮＧ　Ｚｈｉｇａｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｐｉｎｇ，ＫＡＮＧ　Ｒｅｎｋｅ，ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏ，ＧＵＯ　Ｄｏｎｇｍｉｎｇ（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｎｏｎ－ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　１１６０２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｓｅｖｅｒａｌ　ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｇｒｏｏｖｅｓ　ｗｅｒｅ　ｃｕｔ　ｏｎ　ａ　ｐｏｌｉｓｈｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｃｒｅｅｐｆｅｅｄ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ（ＣＦＧ）ｗｉｔｈ　ｒｅｓｉｎ－ｂｏｎｄｅｄ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｈｅｅｌｓ　ａｎｄ　ｍｅｔａｌ　ｂｏｎｄｅｄ　ｏｎｅｓ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆｂｏｎｄ，ｗｈｅｅｌ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｔａｂｌｅ　ｓｐｅｅｄ　ｏｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈａｔｔｈｅ　ｅｄｇｅ　ｃｈｉｐｐｉｎｇ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｏｏｖｅｓ　ｗａｓ　ｓｍａｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｉｄｅ　ｗａｌｌ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｇｒｏｕｎｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｎ　ｂｏｎｄｗｈｅｅｌ　ｗａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｂｏｎｄｅｄ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｗｈｅｅｌ．Ｔｈｅ　ｅｄｇｅ　ｃｈｉｐｐｉｎｇ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｔｏ　ｂｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｓ　ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ａ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｃｏｖｅｒ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｓｉｌｉｃｏｎ；ｃｒｅｅｐ－ｆｅｅｄ　ｓｌｏｔ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ；ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｈｅｅｌ；ｃｈｉｐｐｉｎｇ 单晶硅具有高热传导系数、低密度和低膨胀系数、优良的光学性能等诸多优越性能，被广泛应用于光学元器件、电子、机械、化工等领域，尤其是因其优越的热物理性能而在具有细小通道结构的换热器、反应器上广泛使用［１－３］。

单晶硅用作换热器、反应器的组成部分时，往往需要在硅基片表面加工出细小沟槽结构，用于导流或散热。

这类沟槽截面形状多为矩形、三角形或半圆形，截面尺寸在毫米量级或更小，并具有较大深宽比，沟槽长度则可达几百毫米［４］。

在单晶硅上加工这类沟槽，可采用湿法刻蚀、干法刻蚀等化学物理的加工方法，但由于刻蚀过程存在各向异性显著、刻蚀效率低、成本高、深宽比有限等诸多问题，一般只用于制备微纳米量级的沟槽，当沟槽尺寸达到毫米量级时，多采用金刚石工具磨削加工的方法进行沟槽加工［５－６］。

单晶硅是一种典型的硬脆难加工材料，当使用金刚石工具磨削加工细小沟槽时，沟槽两侧容易形成崩边、沟槽侧壁容易出现凹坑、破碎等缺陷，这严重限制了它的应用［７］。

以金刚石工具磨削沟槽时，可采用棒状工具立式往复磨削［７－１１］或圆片状砂轮周向磨削［１２－１３］两种方式。

使用棒状工具加工沟槽时，由于工具线速度低，存在加工＊基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）课题（２０１１ＣＢ０１３２０１）；国家高技术研究发展计划（８６３计划）课题（２０１３ＡＡ０４０１０４）；“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（２０１２２Ｘ０４００３０８１－０５）；国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金项目（２０１３０１９４２）。

　第２期艾小忱，等：金刚石砂轮缓进给磨削单晶硅沟槽研究效率低、磨头磨损快、尺寸精度低及加工质量差等问题，尤其是当沟槽尺寸小、长度大，材料去除量大时，这些问题更加突出。

而使用盘状砂轮时，多采用缓进给磨削方式加工单晶硅表面的沟槽。

缓进给磨削是一种高精度、高效率的磨削方法，在缓进给磨削中，砂轮径向切入量大（一般为１～３０ｍｍ），进给速度可达５～３００ｍｍ／ｍｉｎ［１４］。

采用高刚性磨床和砂轮缓进给磨削并提高一次磨削深度，以去除大量材料，极大地提高磨削效率，在加工玻璃、陶瓷和铁氧体、半导体等难加工材料方面具有独特优势［１５－１６］。

我们选用盘状砂轮以缓进给磨削方式在单晶硅试样上加工沟槽，研究了加工工艺参数、砂轮类型等因素对沟槽边缘崩边、沟槽侧壁的表面粗糙度的影响规律，探讨了磨削加工沟槽时形成边缘崩边的原因，提出了抑制崩边缺陷的工艺措施。

１　实验条件沟槽磨削实验在立式数控磨床上进行，主轴功率５．５ｋＷ，最高转速１５　０００ｒ／ｍｉｎ。

实验中主轴转速范围３０００～６０００ｒ／ｍｉｎ，工作台进给速度１０～７０ｍｍ／ｍｉｎ。

磨削实验装置示意图如图１所示，单晶硅工件用石蜡粘接在夹具板上，夹具板用虎钳固定在工作台上。

实验中，砂轮以缓进给磨削方式进行磨削，加工矩形沟槽，其截面尺寸为２ｍｍ×２ｍｍ。

为排除工件表面微裂纹对实验结果的影响，单晶硅工件待加工表面都经抛光处理以去除损伤层［１６］。

图１　缓进给磨削沟槽实验示意图砂轮分别选用树脂结合剂和金属结合剂金刚石砂轮。

砂轮内径３２ｍｍ，外径１００ｍｍ，宽２ｍｍ，粒度１７０＃，金刚石浓度１００％。

磨削方式为顺磨，砂轮线速度分别为：１５．７，２０．９，２６．２，３１．４ｍ／ｓ，进给速度分别为：１０，２５，４０，５５，７０ｍｍ／ｍｉｎ。

沟槽边缘崩边形貌通过光学显微镜进行观测，取样长度４ｍｍ。

崩边尺寸在ＣＡＤ软件中测量，磨削表面粗糙度以白光干涉三维表面轮廓仪进行测量，粗糙度值取五点进行平均。

２　实验结果及讨论２．１　沟槽侧壁形貌使用树脂结合剂金刚石砂轮和金属结合剂金刚石砂轮以不同磨削参数磨削沟槽侧壁，其表面形貌分别如图２和图３所示。

由两图可见：磨削条件和参数对沟槽侧壁形貌影响显著。

在磨削砂轮线速度较大、进给速度较小时，沟槽侧壁存在明显的磨削纹路。

（ａ）ｖｓ＝２６．２ｍ／ｓ，ｖｗ＝１０ｍｍ／ｍｉｎ（ｂ）ｖｓ＝２６．２ｍ／ｓ，ｖｗ＝７０ｍｍ／ｍｉｎ（ｃ）ｖｓ＝１５．７ｍ／ｓ，ｖｗ＝５５ｍｍ／ｍｉｎ（ｄ）ｖｓ＝２６．２ｍ／ｓ，ｖｗ＝５５ｍｍ／ｍｉｎ图２　树脂结合剂金刚石砂轮磨削单晶硅沟槽的侧壁形貌（ａ）ｖｓ＝２６．２ｍ／ｓ，ｖｗ＝１０ｍｍ／ｍｉｎ（ｂ）ｖｓ＝２６．２ｍ／ｓ，ｖｗ＝７０ｍｍ／ｍｉｎ（ｃ）ｖｓ＝１５．７ｍ／ｓ，ｖｗ＝５５ｍｍ／ｍｉｎ（ｄ）ｖｓ＝２６．２ｍ／ｓ，ｖｗ＝５５ｍｍ／ｍｉｎ图３　金属结合剂金刚石砂轮磨削单晶硅沟槽的侧壁形貌 使用树脂结合剂砂轮在ｖｓ＝２６．２ｍ／ｓ，ｖｗ＝１０ｍｍ／ｍｉｎ参数下磨削时，沟槽侧壁表面磨削纹路细密均匀，７２金刚石与磨料磨具工程总第２０６期基本无凹坑和微破碎；相同参数下金属结合剂砂轮磨削的侧壁表面磨削纹路较明显，有明显的微破碎。

随着磨削进给速度的增大，磨削纹路越来越不明显，凹坑、微破碎所占表面比例明显增加。

提高砂轮的线速度，侧壁表面凹坑、微破碎占比显著减小，磨削纹路变得清晰。

磨削参数相同时，树脂结合剂砂轮磨削的侧壁表面的磨削纹路比金属结合剂砂轮磨削的侧壁表面更加清晰、完整，凹坑更少，微破碎及其面积占比更小。

用白光干涉三维表面轮廓仪，测量不同加工参数下，磨削沟槽侧壁上距表面深度１ｍｍ区域的粗糙度，取样面积０．３５８ｍｍ×０．２６８ｍｍ。

测得的侧壁粗糙度值与进给速度的关系如图４所示，与砂轮线速度的关系如图５所示。

粗糙度值随着进给速度增大而增大，随着砂轮线速度增大而降低。

相同磨削参数下，树脂结合剂砂轮磨削表面粗糙度值比金属结合剂砂轮磨削表面粗糙度值要小得多。

磨削参数ｖｓ＝２６．２ｍ／ｓ，ｖｗ＝１０ｍｍ／ｍｉｎ时，使用树脂结合剂砂轮磨削沟槽获得了Ｒａ值图４　侧壁粗糙度与进给速度关系图５　侧壁粗糙度与砂轮线速度的关系０．０３７μｍ的侧壁，使用金属结合剂砂轮磨削沟槽侧壁的表面粗糙度值Ｒａ为０．１３４μｍ。

对比两种砂轮磨削侧壁发现：进给速度较小时，磨削表面由清晰磨削纹路和较少微破碎构成；进给速度增大或者砂轮线速度减小时，单颗磨粒材料去除量增大，促使表面凹坑、微破碎增多，磨削纹路变模糊，凹坑、微破碎占比增大。

表面磨削纹路与凹坑、微破碎所占面积比对表面粗糙度值有重要的影响，磨削纹路清晰、占比大时表面粗糙度值较小，相反，表面凹坑、微破碎占比大时，粗糙度值增大。

相同磨削条件下，树脂基砂轮磨削表面微破碎面积比例明显小于金属结合剂砂轮，表面粗糙度值也较小。

这是因为树脂基砂轮比金属基砂轮硬度小，更为柔软，砂轮表面磨粒对工件表面材料的滑擦、抛光作用更为显著，材料表面微破碎的倾向更小，因此更容易获得低粗糙度值、高质量的表面。

２．２　磨削崩边图６、图７分别表示不同磨削深度（ＤＯＣ）下，金属结合剂砂轮和树脂结合剂砂轮磨削崩边情况。

由图６～７可知：在实验条件下，沟槽边缘都有崩边产生，崩边尺寸和形式在不同参数下不同。

（ａ）ＤＯＣ＝０．５ｍｍ，表面（ｂ）ＤＯＣ＝０．５ｍｍ，侧壁（ｃ）ＤＯＣ＝２．０ｍｍ，表面（ｄ）ＤＯＣ＝２．０ｍｍ，侧壁图６　金属结合剂砂轮磨削崩边，ｖｓ＝２６．２ｍ／ｓ，ｖｗ＝７０ｍｍ／ｍｉｎ 比较树脂基砂轮和金属基砂轮的磨削沟槽形貌，显然在相同的磨削条件下，树脂基砂轮的沟槽边缘崩边尺寸较金属基砂轮的小得多。