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大尺寸及异型锗窗高效电火花线切割技术真空表

文章来源:代理五金网  |  2020-05-19

大尺寸及异型锗窗高效电火花线切割技术刘志东,邱明波,汪炜,田宗军,黄因慧(南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)用二极管、可变电阻、稳压管、电阻等器件表征了锗半导体与进电端材料的接触势垒、极间体电阻、介质放电维持电压及工作液电阻。设计了锗半导体电火花线切割专用夹具,采用锗半导体表面涂覆碳浆并用石墨块进电的方式以降低接触势垒、接触电阻,对进电接触点采用吹气方式减少电化学反应导致的不导电钝化膜的产生,保障加工的延续。最后对电阻率为22 mm的N型锗进行了电火花线切割,切割效率大于100mm2/min并采用数控的方法切割出异型锗窗。检测了放电波形,分析了锗半导体电火花线切割的特性。

基金项目:国家自然科学基金(50975142);江苏省科技支撑计划(BE2009161);江苏省科技计划项目(BG2007004)Publ寸问题砂线大面积切砂线磨损将导致切i.net在现代战争中,获取战场信息的优势己经成为掌握战争主动权的关键,航空红外技术是从空中和空间获取战场信息的关键技术之一。单晶锗具有光学性能极好,吸收均匀、折射率和反射率高,并且比其他红外光学材料价格低等特性,目前被制成各种锗棱镜、锗透镜以对红外光线进行折射、聚焦而大量应用于红外系统中,红外系统对锗的消耗量约占锗总消耗量的45%以上11-31.为了提高红外系统对目标物的分辨能力,加收集探测物体的信息,需要让尽可能多的红外光线透射进入系统。因此就需要使用更大尺寸的锗窗及异型窗,所以如何制造出大尺寸及异型锗窗己成为提高军事及航空红外系统性能,强航空探测、侦察水平的关键所在。

锗属于典型的半导体材料,到目前为止,它的加工一直困扰着科研工作者,因为它最突出的一个特性就是脆性高,断裂韧性低,严重影响其加工表面质量和性能,可加工性极差141.锗的切割通常借用半导体硅材料加工所用的设备,如内圆切割机、外圆切割机、砂线锯、多线锯等,并且只能进行直线切割。由于受到诸如内、外圆切割刀盘尺缝变化且大厚度切割时由于冷却不佳易断线问题,多线锯切割虽然一次可以切割成百上千片,效率较高,但晶片厚度不能变化,并且设备昂贵,国内一般只能切割6英寸(即152mm)高度材料等诸多问题的影响,对于锗窗这种属于小批量甚至单件的生产方式较难适应等限制,国内现有设备能够切割锗的最大尺寸目前只能达到200mm,并且切割效率很低,目前采用砂线锯切割的效率约为1015mm2/min,对于200mm以上的锗只能采用带锯先下料,然后用平磨的方法去除因带锯下料产生的不平度后再加工的方法,消耗了大量锗材料,导致最终锗材料的利用率只有50%左右,且如遇异型(如扇型、跑道型)锗窗加工则上述方法加工更加困难。因此锗切割方法及切割效率均严重制约着大尺寸及异型锗窗的制造,严重制约了我国军事及航空红外探测、侦察技术的发展。

晶体锗电阻率通常在0.围内,利用电火花线切割(WEDM)技术加工是比较适合的151,并且可以做到低损耗、低成本、高厚度及异型切割。近年来随着硅、锗等半导体材料应用领域的不断拓展,该项技术的研究己经受到了大量的关注(H01.晶体锗虽然具有一定的导电性能,但是它的电阻率要比金属材料高出3~4个数量级,且具有其十分特殊的电性能,因此直接采用普通电火花线切割加工的方法将难以胜任。本文对高阻N型晶体锗负极性电火花线切割的特殊放电特性进行了研究,建立了放电模型,并以此指导实际的电火花线切割加工。

1放电模型的建立11单向导通性在研究半导体材料的电火花加工中己经发现其具有单向导通特性,并且随着电阻率及加工对象体积的加,该特性愈加明显所检测到的N型晶体锗伏安特性曲线如所示,当晶体锗接电源正极时,随着电压逐渐大,回路电流加缓慢,基本趋于零;而当晶体锗接负极时,随着电压大,回路电流也逐渐大,由此判断N型晶体锗电火花线切割须采用N型晶体锗伏安特性测试曲线12电火花线切割原理N型晶体锗极间电火花线切割原理如所示,采用负极性加工(工件接电源负极),两极之间加上直流脉冲电压。在负极锗材料进电端,为减少接触电阻,采用在表面涂覆碳校⒕婵疽孕成和锗材料表面牢固接触,其进电端采用石墨电极进电。在正极端,电极丝垂直纸面向右进给,与中:1为放电通道维持电压,由于半导体加工使用的工作液与金属加工的相同,其维持电压可类比金属电火花加工,为20V左右,在放电回路中始终处于反向偏置;2、4为接触势垒,由于使用的锗是N型半导体锗为等效二极管的阴极,负极性加工时,放电端的二极管2处于正向偏置,其分压很小,可以忽略,而固定端二极管4处于反向偏置,分压较大,放电过程中不能忽略,在加工电压较大时,反向偏置二极管经常处于击穿状态,其分压为击穿维持电压;3为锗材料体电阻,在放电过程中与其本身的电阻率、体积、温度以及接触面积有关,因此用可变电阻表示;5、6为工作液电阻,导电能力与半导体材料对比相当,己成为一个不能忽略的因素。由于在接触区域两端存在电势差,并且具有一定导电性能的工作介质的存在,必然会产生电化学反应,其结果将导致:①电化学作用消耗了大量的脉冲电源输入能量,使用于电火花线切割的能量比例急剧下降,甚至导致不能产生正常电火花线切割。

②接触点因为有接触电阻,通电后将会发热,导致表面形成高温氧化现象,致使表面接触电阻进一步加。

③由于接触点高温产生的N型锗表面涂覆的碳浆层会与基体产生分离从而使得接触电阻上述这些现象随着N型锗电阻率升高体现得愈加明显,己成为N型晶体锗是否能正常进行电火花线切割的技术瓶颈。

2工艺,首先在运丝系统上加电极丝导丝器及电极丝恒张力装置,目的在于避免传统HSWEDM电极丝来回换向而产生的电极丝空间位置变化导致的切割表面机械换向条纹的出现;其次采用专门研发的具有良好洗涤能力的复合工作液112,保障切割时放电间隙内均匀充满工作介质,维持极间冷却的均匀性,同时进一步提高切割效率和切割高度并使得在正常使用寿命范围内不断丝。

22夹具设计锗电火花线切割的照片如所示,根据锗特殊电特性,在其装夹过程中主要考虑了以下几个问题:(1)对于夹紧问题,由于锗属于脆性材料,加工过程中的夹紧力必须进行适当的控制,因此采锗材料之间在伺服系统的控制下保持一定的放电间隙,维持正常放电。为限制电流过大烧毁电源功率器件,需要在回路中串联限流电阻。

13电路模型半导体材料本身具有一定的体电阻,并且与其他材料接触时,表面具有特殊的电特性并产生接触面的接触势垒。电阻率的存在使得电火花加工材料的体电阻不能忽略而接触势垒的存在可以用二极管的性质代替。对于所示的N型锗半导体电火花加工,可以建立所示的等效电路模型1111.从欧姆接触转变为肖特基接触,接触电阻陡然大,将使得电火花线切割无法延续。

④由于具有一定导电性能的工作液存在,如锗表面涂覆碳浆层脱落,将导致在进电石墨块与N型锗之间产生电化学反应,在锗表面生成不导电钝化膜,致使正常电火花线切割无法延续。对未涂覆碳浆层的锗进电表面进行X射线衍射(XRD)检测表明,电化学反应后将生成不导电的氧化锗,其检测的结果如所示化线切割头际过程ofgermaniumbyWEDM§,为保证锗与进电电极保碳刷弹性接触方式进电,带单簧内的石墨进电刷直接相1推力下与锗形成面接触进1应使得锗极间体电阻尽可司发生明显变化,因此在夹往电。

点在电火花线切割过程中热现象,在撑板上的接触进孔接入压缩空气作为冷却中得到实时冷却并通过空c作液进入进电点导致的极变频器工作台运动控制圈锗电火n'Fig对于进电问持可靠接触,首先在锗然后采用所示的,有负电的导线与嵌入弓连,石墨碳刷在弹簧的电,考虑到切割过程中能不因切割的位置不余克章。锗(Ge)??金属在现代军事上的应用(十八)邱明波,黄因慧,刘志东,等。太阳能硅片制造方法研究现状。机械科学与技术,2008(8):1017-1020.汪炜,刘志东,田宗军,等。低电阻率单晶硅电火花/电解复合切割加工表面完整性研究。电加工与模具,2007刘志东,汪炜,田宗军,等。太阳能硅片电火花电解高效刘志东,邱明波,汪炜,等。太阳能硅片切割技术的研究。电加工与模具,2009(3):61-65.刘志东(966?)男,博士,教授,博士生导师主要研究方向:特种加工、半导体材料加工(编辑:蔡斐,杨冬)

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