Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
МІКРОМЕХАНІЧНА ОБРОБКА НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2005
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Інші
Група:
МЕ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти та науки України
Національний університет „Львівська політехніка”
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3
МІКРОМЕХАНІЧНА ОБРОБКА
НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
МЕТА РОБОТИ – ознайомитися з видами механічної обробки напівпровідникових матеріалів абразивними матеріалами, способами наклеювання пластин та їх розмірною обробкою на ультразвуковій установці ЛЕ-420.
ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
ВИДИ МЕХАНІЧНОЇ ОБРОБКИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
При виробництві приладів процес розрізування напівпровідникових матеріалів складається з двох етапів:
Зливок германію або кремнію розрізають на пластини.
Пластини розрізають на кристали-заготовки круглої, квадратної, прямокутної форми.
Для розрізування монокристалічних матеріалів застосовують різні способи (рис.1), які використовують у виробничих і лабораторних умовах. Більшість з цих способів різання є досить простими, але не економічними, бо 50 % цінного матеріалу витрачається на розпил. Ефективнішим є ультразвукове розрізування.
Рис.1. Класифікація способів розрізування матеріалів.
Розрізування алмазними дисками
Алмазний диск – це металева основа з вкрапленими в неї частинками алмазу. Принципова схема для розрізування алмазним диском наведена на рис. 2.
Плавне переміщення пластини відносно диска значно покращує якість різання. Швидкість обертання диска 8 тис. об/хв. Для запобігання перегріву диска його охолоджують мильною або звичайною водою. Такий спосіб розрізування характеризується високою продуктивністю.
Рис.2. Принципова схема основного вузла станка для розрізування алмазним диском: 1 - диск з алмазною крихтою, 2 – вал, який обертає диск,
3 – пластина напівпровідникового матеріалу, 4 – скляна пластинка.
Розрізування за допомогою диска і абразива
Принципова схема для розрізування за допомогою диска з абразивною суспензією наведена на рис. 3.
Рис.3. Принципова схема основного вузла станка для розрізування за допомогою диска з абразивною суспензією: 1 – металевий диск, 2 – вал, 3 – пластина, 4 – скло, 5 – оправка, 6 - вантаж.
Диск, обертаючись із великою швидкістю, стикається з пластиною, поверхня якої змочена абразивною суспензією, і розрізає її. Оправка може переміщуватися в площині стола, а також уверх і вниз. Для регулювання тиску на важіль, який з`єднаний з оправкою, встановлюється вантаж.
Пластину розрізають на декілька повздовжніх частин через певні віддалі, після чого повертають оправку в горизонтальній площині на 900, закріплюють і повторюють операцію різання. Таким чином, одержують кристали правильної геометричної форми.
Основні недоліки цього способу: велика витрата напівпровідникового матеріалу ( оскільки ширина прорізу 0.5 -0.6 мм ); сильне биття диска, що призводить до сколювань на торцях кристалів і розширення пазів; швидке зношування станка внаслідок застосування суспензії; низька продуктивність.
Розрізування полотнами
Полотнами, як правило, розрізають зливки кремнію і германію на пластини. Зливок, наклеєний на столик, закріплюють під оправкою з полотнами. Полотно – це стальна стрічка завширшки 10 і завдовжки 0.1 мм, кінці якої закріплюють у скобу станка. Віддаль між полотнами визначає товщину пластин. Вмикають подачу абразивної суспензії і за допомогою механізму подачі столик зі зливком піднімається до полотен ( ножів ), які рухаються зворотньо-поступально. Зерна абразиву між полотном і зливком викришують ( ріжуть ) напівпровідниковий матеріал.
Кінематична схема станка показана на рис. 4.
Товщина полотна 0.10-0.15 мм, ширина 0.3-0.4 мм. Станок за одну хвилину робить до шестисот подвійних ходів, характеризується високою продуктивністю і забезпечує плоскопаралельність пластин.
Недолік – зношуваність полотен і часта їх заміна. Порушення роботи станка за обриву ріжучого полотна призводить до поломки пластин зразка.
Рис.4. Кінетична схема станка абразивного розрізування полотнами: 1 – маховик, 2 – вантаж,3 – вузол закріплення полотен, 4 – монокристалічний зливок.
Розрізування дротиною
Цей спосіб застосовують для розрізування германієвих або кремнієвих пластин на кристали, а іноді зливків на пластини. Дротяне розрізування дозволяє одержувати квадратні кристали розміром 0.5 ( 0.5 мм2.
Вольфрамова дротина, натягнута на ролики, повільно рухається через систему, змотуючись із однієї котушки і намотуючись на іншу. На роликах є тонкі пази, віддаль між якими, а значить і між окремими витками дротини, визначає розмір кристала. Ролики закріплені на певній віддалі один від одного і можуть рухатися зворотно-паралельно в горизонтальній площині, зберігаючи цю віддаль. Таким чином при роботі станка є два рухи: зворотно-поступальний рух роликів і повільне протягування дротини. Існують станки, які не мають зворотно-поступального руху роликів і розрізування відбувається в результаті швидкого перемотування дротини з одного ролика на інший. Схема станка для дротяного розрізування показана на рис. 5.
Станки такого типу відзначаються високою продуктивністю, точністю, високою якістю різання і найповнішим використанням напівпровідникового матеріалу. При роботі станка можливе обривання дротини внаслідок заклинювання роликів або надмірного розтягу дротини.
Рис.5. Кінетична схема станка для дротяного розрізування:
1 – передаточні ролики, 2 – сопло для подачі абразиву,
3 – рухома дротина, 4 – монокристалічний зливок,
5 – перехідна пластина.
Струменеве розрізування – у потрібному місці зразка з сопла подається струмінь абразиву під високим тиском.
Розрізування шляхом нанесення алмазним різцем рисок на поверхні пластини з подальшим розколюванням її на кристали.
Рис.6. Зовнішній вигляд спеціальних свердел для виготовлення монокристалічних пружних елементів.
Розрізування наскрізним травленням. На поверхні пластини захищають ділянки необхідних розмірів, після чого травлять незахищені ділянки, одержуючи зразки заданих розмірів.
На рис. 6 показані спеціальні свердла, за допомогою яких виготовляють конструкційні деталі з кремнію, які є тілами обертання ( мембрани кільця ).
Шліфування
Шліфування дозволяє одержувати плоскопаралельні пластини строго визначеної товщини, а також зменшувати глибину пошкодженого при розрізуванні поверхневого шару.
Шліфування здійснюють притисканням пластини до шліфувального круга, змоченого абразивною суспензією ( 1ч. порошку на 10ч. води ). При цьому пластина і круг переміщуються один відносно другого.
Гладкість поверхні після шліфування залежить від величини зерна абразиву (чим менший розмір зерна, тим рівніша поверхня).
Розмір зерна в порошках встановлюють методом ситового аналізу і мікроскопічним методом. Кращим від ситового методу визначення розмірів зерен вважається метод осадження частин (седиментометричний аналіз).
Після шліфування зразки добре промивають водою, щоб видалити залишки абразивного матеріалу.
Полірування
Полірування забезпечує видалення з поверхні пластини нерівностей і подряпин; по-верхня пластини після полірування відповідає класу чистоти (12. Одночасно з поверхні пластини знімається шар напівпровідника з пошкодженою в процесі шліфування структурою.
Полірувати поверхню можна механічним, електроіскровим, електролітичним та хімічним способами.
Механічне полірування виконують на полірувальному кругу, вкритому дрібнозернистим наждачним папером, який поливають невеликою кількістю суміші машинного масла і гасу, при великих обертах ( (600 об/хв. ). Коли суміш висохне, продовжують полірувати по сухому. Такий спосіб дає досконалу дзеркальну поверхню. Для полірування застосовують також штучні корунди з водою на сукні, а остаточне полірування до блиску на сукні здійснюють магнезією.
АБРАЗИВНІ МАТЕРІАЛИ
Слово “абразив” походить від латинського "abrasio" – зішкрібати, що пояснює дію окремих зерен порошку при взаємодії з поверхнею.
Абразивні матеріали розділяють на природні і штучні. До природних абразивних матеріалів належать кремінь (різновид кварцової породи), корунд (мінерал, що складається в основному з кристалічного Al2O3), алмаз, який за хімічним складом є кристалічним вуглецем.
Штучні абразивні матеріали
Штучні абразивні матеріали завдяки їх високій твердості на цей час є основними для виробництва різних видів абразивного інструмента. До штучних абразивних матеріалів належать електрокорунд ( кристалічний оксид алюмінію з різними домішками ), монокорунд ( матеріал із високим вмістом кристалічного Al2O3 – 97 ... 98% ), карбід кремнію ( хімічна сполука Si з С ), карбід бору ( складається з кристалів бору B4C і невеликої кількості домішки бору, графіту та ін. ).
Абразивні матеріали мають високу твердість і міцність і незначну крихкість. Вони витримують великі механічні навантаження і високі температури.
Водна суспензія сприяє кращому перемішуванню абразиву і видаленню його з робочої зони. Концентрація абразиву в рідині становить 30-40% ( за масою ), залежно від твердості оброблюваного матеріалу.
НАКЛЕЮВАННЯ ЗЛИВКІВ, ПЛАСТИН І КРИСТАЛІВ
Залежно від розмірів і форми зразків для наклеювання їх на оправки (перехідні пластини) застосовують різні клеючі матеріали (мастики). Технологічний процес наклеювання зливків відрізняється від наклеювання пластин.
Наклеювання пластин
Здійснюють за допомогою мастик і піцеїну ( суміші воску з каніфоллю ), суміші 23 % клею БФ і 77 % абразивного порошку М14 або шелаку, воску та інших речовин. Найкращі результати дає застосування гліфталевого лаку, який забезпечує надійне з`єднання напівпровідникового матеріалу з перехідною пластиною і легко видаляється з поверхні зразків. Його готують нагріванням на електроплитці впродовж 7 год. суміші 70 % фталевого ангідриду з 30 % етиленгліколю. Лак є готовим, якщо крапля його не розтікається на склі. Готовий лак розливається у металеві форми – трубочки, внутрішня поверхня яких викладена калькою після охолодження лак у вигляді стержнів, обгорнутих калькою, виймають із форми.
Для наклеювання зразків перехідну скляну пластину нагрівають на електроплитці до 70-100 0С і змочують мастикою, поверх якої поміщають кристал ( пластину ). Після цього охолоджують до кімнатної температури. При охолодженні мастика застигає і надійно з'єднується з поверхнею скла і поверхнею напівпровідникового матеріалу. Процес наклеювання кристалів на перехідні пластини аналогічний.
Наклеювання зливків
Зливки наклеюють на столик станка для розрізування пластини. Розрізняють два види розрізування зливків:
Неорієнтоване – розрізування без урахування напрямку кристалографічних осей.
Орієнтоване – розрізування з урахуванням напрямку кристалографічних осей.
Зливок закріпляють на столику за допомогою спеціальної мастики ( суміш клею БФ з мікропорошком М14 ). Наклеєний зливок разом зі столиком поміщають у термостат із температурою 160 0С на 4 год. Після цього столик зі зливком ще раз обмазують клеєм БФ, щоб абразивна суспензія не розмивала клеючої мастики і поміщають на 1 год у термостат з температурою 160 0С .
Орієнтований зливок наклеюють на спеціальному пристосуванні, яке забезпечує повертання зливка відносно найбільшої осі столика на необхідний кут ( рис.7 ). Знаючи кут відхилення площини торця від кристалографічної площини (вказується у супровідному листі), наклеюють зливок на столик так, щоб після розрізування на пластини останні мали належну орієнтацію. Орієнтацію зливка здійснюється оптичним методом.
Рис.7. Пристрій для орієнтованого наклеювання зливка.
Після закінчення операції розрізування пластини знімають з оправки. Для цього знову нагрівають всю систему на електроплитці, мастика розм'якшується, що дає можливість легко відділити зразки.
Зразки обезжирюють промиванням у гарячих ( до 70 0С) органічних розчинниках і читирихлористому вуглеці, толуолі або трихлоретилені. Після промивання в органічних розчинниках, зразки промивають у деіонізованій воді і висушують у вакуумі.
Технологія ультразвукової розмірної обробки. Конструктивні особливості ультразвукових інструментів
Суть процесу в тому, що вібруючий з ультразвуковою частотою інструмент заставляє проникати в оброблюваний матеріал абразивні зерна, руйнуючи його. Якщо при цьому притискати з певним зусиллям інструмент до оброблюваної поверхні заготовки (або навпаки, заготовки до інструменту), то на останній поступово утворюється заглиблення, яке копіює форму робочої частини інструмента.
На рис. 8 схематично показано зняття матеріалу при ультразвуковому розрізуванні. В момент удару ультразвукового інструмента 1 по абразивних зернах 2 найбільші з них проникають в оброблюваний матеріал 3, виколюючи його мікрочастинки. При цьому величина останніх приблизно відповідає розмірам зерен абразиву. Завдяки кавітації рідини і тиску, з яким вона подається в робочу зону, видаляються продукти різання. Кавітаційні явища сприяють також перемішуванню абразивних зерен у зоні різання і заміні зношених зерен новими.
Рис. 8. Схема процесу ультразвукової розмірної обробки.
Продуктивність ультразвукової розмірної обробки залежить від твердості оброблюваного матеріалу.
У процесі обробки зерна абразиву однаковою мірою діють на оброблюваний матеріал та на інструмент. Однак у зв`язку з тим, що інструмент виготовляють із в`язких металів, зношування його значно менше, ніж оброблюваного матеріалу, і пропорційне тривалості процесу.
Критерієм стійкості ультразвукового інструмента є повздовжнє і поперечне зношування його робочої частини. Відносне (поздовжнє) зношування ультразвукового інструмента прийнято оцінювати відношенням довжини його зношеної частини (3 до глибини обробленої в деталі порожнини (П:
%. (1)
Важливий вплив на точність обробки деталей має поперечне зношування інструмента, яке виникає внаслідок стирання бокових його поверхонь абразивними зернами. Це зношування можна оцінити конусністю зношеної частини інструмента
(2)
де DG – початковий ( до обробки ) розмір робочої частини інструмента;
D3 – розмір робочої частини після обробки;
l3 – довжина зношеної частини інструмента.
Зі збільшенням твердості оброблюваного матеріалу зношуваність інструмента зростає. Так, наприклад, із обробки отворів на станках потужністю 0.25 – 1.5 кВт ( площа обробки 100 – 150 мм2 ) одержані такі дані про :
Скло,...........................................0.5 – 1.0 %
Кремній, германій......................1.0 – 2.0 %
Кераміка.....................................2.0 – 10.0 %
Тверді сплави.............................40 – 150 %
Загартована сталь......................120 – 200 %
Практично доцільно виготовляти інструмент зі сталі 45 і сталі У8. Ці матеріали добре обробляються різанням і мають задовільну стійкість. Якісно виготовлені інструменти працюють і забезпечують стабільність технологічних параметрів процесу.
На рис. 9 показані варіанти роз`ємного з`єднання інструментів із концентратором. Інструменти, в цьому разі, мають суцільну конструкцію.
Рис.9. Варіанти роз’ємного з’єднання інструментів з концентратором:
а – різьбове з’єднання, б – різьбове з’єднання з посадочним отвором, в – закріплення накидною гайкою, г – закріплення змінних наконечників з припаяним інструментом,
д – закріплення інструмента різьбовою шпилькою.
Розглянемо особливості виготовлення складових ультразвукових інструментів (рис. 10). Використовуючи складові інструменти, можна після зношування їх робочої частини багаторазово використовувати хвостовик, з`єднуючи його з новою робочою частиною. Це забезпечує суттєву економію металу. З`єднання складового інструмента здійснюють паянням твердим або м’яким припоєм. Для заміни зношеної робочої частини інструмент нагрівають до розплавлення припою, і від`єднують зношену частину, замість якої в хвостовик закріплюють нову.
Рис.10. Складові ультразвукові інструменти:
1 – хвостовик, 2 – робоча частина.
Формоутворення робочої частини інструментів для обробки отворів ( із точним зовнішнім контуром ) можна реалізувати в матрицях – обоймах холодним штампуванням.
Виготовлення інструментів для вирізування деталей по зовнішньому контуру можна виконувати на оправках відповідної форми і розмірів або протягуванням у спеціальних штампах.
Особливо складним є виготовлення групових інструментів. Для цього застосовують спеціальні шаблони.
Загальний вигляд різноманітних ультразвукових інструментів наведено на рис. 11.
Рис.11. Набір ультразвукових інструментів.
На рис. 12 показано технологічні схеми найбільш відомих операцій, які виконують ультразвуковою розмірною обробкою.
Рис.12. Технологічні схеми розмірної ультразвукової обробки:
а – розрізування заготовок, б – вирізування по зовнішньому контуру, в – обробка наскрізних отворів, г – обробка глухих отворів, д – нанесення рельєфних зображень, е – гравірування, ж – плоске шліфування, з – профільне шліфування, и – вирізання контуру дротинкою, к – різьбонарізання.
Якість поверхні, точність розмірів і
форми при ультразвуковій розмірній обробці
Для оцінки якості поверхні використовують два специфічних показники : мікронерівність поверхні і мікроскопічні вади (дефекти).
Чистота поверхні (або висота мікронерівності) залежить, в основному, від величини абразивних зерен, властивостей оброблюваного матеріалу, величини амплітуди коливань інструмента та ін.
Зі зростанням амплітуди коливань інструмента висота мікронерівностей на оброблюваній поверхні зростає. Це пояснюється глибшим проникненням у оброблюваний матеріал зерен абразиву. Встановлено, що при амплітуді 0.03 мм максимальна висота мікронерівностей становить 32 мкм, а при амплітуді 0.018 мм – 20 мкм. Висота мікронерівностей перевірялася за допомогою біологічного мікроскопа.
Найбільший вплив на чистоту поверхні при ультразвуковій обробці має величина зерен абразиву. Чистота поверхні вища при використанні дрібних зерен абразиву і невеликих амплітуд ; висота мікронерівностей оброблених поверхонь зростає з використанням більшого розміру абразиву і великих амплітуд коливань інструмента.
Міцнісні характеристики оброблюваного матеріалу суттєво впливають на чистоту поверхні. Висота мікронерівностей зменшується зі збільшенням твердості оброблюваного матеріалу. Це пояснюється тим, що в твердих матеріалах руйнівна дія абразиву поширюється на меншу глибину, ніж у менш твердих.
Поверхневі вади мають кавітаційне походження і погіршують чистоту оброблюваної поверхні, утворюючи своєрідні канавки і щілини глибиною до 0.1 мм.
Таким чином, застосовуючи дрібні шліф- і мікропорошки в поєднанні з невеликими амплітудами, можна досягти чистоти поверхні порядку 7-го. 8-го і навіть 9-го класу.
При виготовленні мініатюрних і мікромініатюрних деталей електронної техніки точність розмірів визначається досить жорсткими допусками ( 0.02 – 0.03 мм ); до точності геометричної форми цих деталей ставляться не менш жорсткі вимоги.
На точність розмірів впливають розміри зерен абразиву, стабільність зазору між оброблюваною поверхнею деталі і інструментом, глибина обробки, величини поперечних коливань інструмента і зношуваність його робочої частини. Крім цих факторів, на точність розмірів і форми деталей суттєво впливають точність робочого ходу стола або акустичної головки станка, точність відносного встановлення деталі і інструмента, спосіб закріплення та ін.
Неточність геометричної форми поверхонь характеризується конусністю, що частково є результатом нерівномірного зношування інструмента. Зі збільшенням глибини оброблення конусність зростає за рахунок збільшення зношуваності торця інструмента і близьких до нього вертикальних поверхонь, а також тривалої дії абразиву на поверхні деталі зі сторони входження інструмента.
Конусність можна подати виразом
, (3)
де DП – початковий розмір деталі, на вході інструмента;
DК – кінцевий розмір, на вході інструмента;
Н – глибина обробки.
Практично величина конусності може становити приблизно 20 хв, на 1 мм товщини при зернистості абразиву №5. Застосовуючи порошки малої зернистості ( М14 ), можна знизити конусність стінок отвору до 5 – 10 хв на 1 мм товщини. При чистових операціях мінімальна конусність може становити 1.5 – 2 хв при глибині 5 – 10 мм.
Еліптичність отворів при ультразвуковій обробці є причиною впливу бокових складових коливань інструмента. Однак при точній вивірці і підгонці інструмента, коли бокові коливання мінімізовані, еліптичність отворів не перевищує 0.01 мм; в окремих випадках вона може доходити до 0.03 – 0.05 мм.
На точність розмірів при обробці наскрізних отворів, в основному, впливає неоднорідність розмірів зерен абразиву вибраної фракції. В початковий момент різниця в розмірах отвору і інструмента різко зростає, а пізніше, при певній глибині обробки, настає затухання цього процесу. Цим і пояснюється поява конусності оброблюваної поверхні, а також завалів на вході інструмента.
Зі збільшенням часу обробки збільшується ступінь розбивки отворів. Встановлено, що ступінь розбивки отворів зростає приблизно пропорційно часу обробки.
Узагальнюючи теоретичні і експериментальні дані, можна зробити висновок, що при ультразвуковій розмірній обробці основної групи твердих крихких матеріалів досяжна точність розмірів наскрізних отворів до 0.02 мм при глибині обробки до 3 мм і площі до 40 – 50 мм2 ( абразив зернистості М14 – М28 ).
При ультразвуковій обробці глухих порожнин і отворів на точність розмірів і форми значною мірою впливає зношуваність інструмента. Для підвищення стійкості інструмента при його встановленні застосовують зносостійкі матеріали і термічну обробку. При використанні загартованого інструмента, невеликого (~0,2(0,5 мм) припуску і свіжого, добре змінюваного абразиву точність розмірів деталей можна забезпечити в межах 0.05 – 0.10 мм.
Висновок:
На цій лабораторній роботі я ознайомився з видами механічної обробки напівпровідникових матеріалів абразивними матеріалами, способами наклеювання пластин та їх розмірною обробкою на ультразвуковій установці ЛЕ-420.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора