磨粒加工的案例
磨粒加工SPH工件溝槽的形成
磨粒加工SPH工件溝槽的形成
單顆磨粒加工單晶碳化硅對橫向裂紋的模擬
單顆磨粒加工單晶碳化硅對橫向裂紋的模擬
基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
1.工程背景
隨著半導體行業的蓬勃發展，單晶碳化硅作為典型的第三代半導體材料被廣泛應用于集成電路生產、光學襯底材料制備等加工過程中，晶片表面質量的好壞直接決定了半導體器件的使用性能及工作壽命[1-2]，這也就對以單晶碳化硅為代表的光學材料的加工質量提出了更高的要求，其中在研磨拋光過程中產生的表面/亞表面損傷缺陷（見圖1-1亞表面損傷示意圖）是影響晶片性能的重要因素，而對損傷層（SSD）中的裂紋產生、擴展表征與控制更是不容忽視。通常，通過研磨拋光單晶碳化硅晶片實驗來觀測裂紋是行之有效的手段，但裂紋產生、擴展是一個復雜的動態過程，通過實驗后觀測的手段顯然與晶片表面裂紋擴展的真實情況相差甚遠，其次單晶碳化硅屬于典型的硬脆材料，其在加工過程中的裂紋產生、擴展往往在微秒間完成，這也是難以用實驗的手段對裂紋擴展進行觀測的另一原因。因此本文采用ANSYS/LSDYNA軟件建立了單顆磨粒劃擦單晶碳化硅模型，通過仿*真手段來分析單晶碳化硅在研磨加工過程中的裂紋產生及擴展情況。
2.研磨加工模型分析及模型簡化
2.1研磨原理
固結磨磨料研磨加工系統主要由研磨盤、載物盤、研磨液供給系統組成。研磨時，向下壓力P使緊貼上盤面作自轉運動的工件與下盤面接觸作公轉，依靠相對運動實現磨粒對工件的研磨加工[3]。研磨加工系統及示意圖如圖2.1所示。本文所采用的圖案磨盤為課題組自行設計的雙圖案排布磨盤，在實驗中表現出比傳統圖案磨盤更高的效率和加工精度，其微粉金剛石磨粒通過釬焊技術排布在磨盤上，釬焊效果圖如圖2.2所示。此外因研磨相對磨削具備更低的轉速，在加工過程中的散熱及振動很小，故忽略加工系統的振動及研磨液對磨粒加工的熱作用。
展開 【LSDYNA操作小技巧七】LSDYNA中具體材料歷史變量的定義與輸出問題 ￥1.99
本帖以典型的材料大變形問題磨粒切削加工引起的加工損傷為案例講解損傷歷史變量的定義與輸出步驟。
在我們沒有更好的文獻參考時，官方仿真軟件的幫助文檔是一個最佳的選擇。以下提供在LSDYNA中具體查閱歷史變量定義的鏈接如下，
History Variables for Certain Material Models — Welcome to the LS-DYNA support site.
基于此，必須首先定義目標歷史變量如圖1所示。具體通過，在關鍵字 *DATABASE_EXTENT_BINARY中定義NEIPH 或 NEIPS 實現。這里NEIPH 或 NEIPS 只能填入具體的數字加以定義材料具體哪些的歷史變量。
圖1
具體以此為例：為輸出磨粒切削加工引起的工件損傷，首先找到對應的工件材料編號110（工件為K9玻璃，采用JH-2本構），可知損傷因定義為2如圖1所示，故在NEIPH輸入數字2即可，若為了查看其他材料歷史變量，對應輸出1-4即可實現。
圖2
完成定義后，完成模型建模輸出為k文件，在LSPP中進行損傷云圖的輸出。圖3為定義的損傷在后處理中的查看方式，圖4為輸出的損傷云圖，紅色粒子表示損傷。
圖3
圖4
以上，基于此案例，可在LSDYNA軟件中定義并輸出所給材料的歷史變量。
展開 
基于FE耦合SPH算法的磨粒變切深刻劃碳化硅陶瓷仿真
粒子拋擲效果及損傷分布與相關文獻中基本一致，驗證了FE耦合SPH算法的合理性，可用于磨粒精密加工領域。
關于超聲研磨藍寶石的SPH模擬仿真方法導出磨屑應力云圖的方法
應用SPH算法表征材料在加工過程中的磨屑狀態、損傷情況、亞表面裂紋擴展對于揭示刀具切削原理更加直觀高效，是此方法的最大優勢之處。關于SPH算法的原理及建模思路本帖不加說明，讀者可自行前往技術鄰平臺搜索閱覽。本帖主要給出金剛石磨粒在加工過程中形成的SPH磨屑狀態分布云圖方法。
除去磨削力信號、力表面形貌、亞表面工件損傷云圖等直接表征加工好壞的評價指標，通過加工形成的磨屑狀態也能夠反映刀具的與加工參數的好壞，從而對加工參數進行指導。諸如加工合金類通常出現的卷尺狀切屑與加工鑄鐵等硬脆材料出現的團簇狀磨屑等。下圖給出金剛石工具加工藍寶石的磨屑狀態云圖。
具體方法是通過將SPH粒子顯示成Smooth狀態，調整顆粒大小合適（因模型而定），之后后處理中顯示應力云圖，將云圖播放至加工完成狀態，通過第三方軟件或者LSdyna自帶功能導出云圖，最后可以根據需要標上比例尺。
圖中可以直觀粒子的分布狀態與應力分布釋放，同時粒子飛濺大小也可顯示出來，可以根據磨屑尺度也對標加工切深，這樣就可以建立加工參數與加工質量的關系了。
圖1金剛石工具加工藍寶石磨屑狀態云圖
展開 金屬3D打印的表面處理方法
目前主要的后處理方法包括精加工和機械加工。下面我們來仔細看看這些方法吧。
△金屬3D打印表面處理
精加工工藝
精加工方法主要包括手工拋光、噴砂或數控磨削。手工拋光質量很大程度上取決于操作者的經驗，重復性和一致性差，人工和時間成本高，并且拋光過程中產生的粉塵對人體健康有害。此外，噴砂和CNC磨削對內表面復雜、多孔結構的零件加工可達性較差，因此一般用于零件外表面的清潔和拋光以及去除氧化層。
對于高表面質量要求：Ra在0.8μm~1.6μm的復雜結構件，精加工工藝面臨很大挑戰。除上述方法外，還有形狀自適應磨削、激光拋光、化學拋光和磨粒流加工。
△電拋光醫療植入物
形狀自適應磨削
形狀自適應磨削 (SAG) 是一種用于自由曲面加工難加工材料（如陶瓷和硬金屬）的新工藝。盡管加工設備的設備剛度較低，但工具的半彈性可以實現具有高表面光潔度的延性模式磨削。據悉，有研究人員采用球形柔性磨頭的形狀自適應磨削方法對鈦合金3D打印零件的自由曲面進行拋光。通過粗拋和精拋去除增材制造表面的缺陷層，最終表面粗糙度Ra小于10nm。
激光拋光
激光拋光利用高能激光束再次熔化零件表面材料以降低表面粗糙度。目前，激光拋光零件的表面粗糙度Ra在2~3μm左右。由于激光拋光設備成本較高，在實際的3D打印后處理工藝中并未得到廣泛應用。
化學拋光
化學拋光的直接結果是微粗糙度平滑和拋光形成，以及上層的平行溶解。在小型增材制造中，去除中空結構或帶有中空結構零件表面松散易脫落的球狀層有顯著效果。通過化學拋光和電化學拋光，多孔植入物的表面粗糙度從6~12μm降低到0.2~1μm。
展開 碳化硅單晶襯底加工技術現狀及發展趨勢
減小進給量和進給力可降低磨粒法向壓應力，增大鋸絲速度可降低磨粒切向壓應力，小范圍減小鋸絲和鍍層的磨損及磨粒的脫落，但需綜合考慮鋸絲損壞程度與鋸切效率。此外需保持充足均勻的冷卻液以減少殘余熱應力，減少鋸絲的振動，避免磨粒應力場不穩定。
3 碳化硅晶片的薄化
碳化硅斷裂韌性較低，在薄化過程中易開裂，導致碳化硅晶片的減薄非常困難。碳化硅切片的薄化主要通過磨削與研磨實現。
3. 1 薄化技術研究現狀
晶片磨削最具代表性的形式是自旋轉磨削，晶片自旋轉的同時，主軸機構帶動砂輪旋轉，同時砂輪向下進給，進而實現減薄過程。自旋轉磨削雖可有效提高加工效率，但砂輪易隨加工時間增加而鈍化，使用壽命短且晶片易產生表面與亞表面損傷。加工缺陷的存在嚴重制約加工精度和效率，為了解決這些問題，研究人員開發出了不同的輔助技術，如砂輪在線修整，或研制新型軟磨料砂輪，目前主要的技術包括超聲振動輔助磨削和在線電解修整輔助磨削，加工示意如圖 3。
超聲輔助磨削是通過超聲振動降低磨削力、砂輪磨損量，改善加工質量的方法。諸多研究表明，在一定的工藝條件下，相比于普通磨削，超聲輔助磨削更適于硬脆材料的薄化加工。在線電解修整輔助磨削對 4 H-SiC 進行薄化加工原理如圖 3( b) 所示。電解作用下，砂輪表面生成絕緣氧化膜，可以減緩砂輪的損耗，同時承托大量電解脫落的磨粒，與游離磨粒的研磨作用類似，有利于提高磨削表面質量。
研磨工藝可分為單面和雙面研磨，小尺寸碳化硅晶片單雙面研磨技術相繼被開發。研磨加工碳化硅切片表面時，使用的磨料通常為碳化硼或金剛石，可分為粗磨和精磨。粗磨主要是去除切片造成的刀痕以及切片引起的變質層，使用粒徑較大的磨粒。
展開 FEM-SPH耦合算法高效性驗證及球形磨粒恒切深劃擦6H-SiC仿真
圖4-3最大等效應力
4.4材料去除狀態分析
球形磨粒在研磨加工硬脆工件時，一般是以脆性斷裂的形式去除材料。圖4-4分別給出了在相應時刻的塑性應變、等效應力圖。可以看出磨粒正前方45°范圍內所受應力最為嚴重，也就意味著工件在這一范圍內最容易產生損傷堆積，同時磨粒以粉末狀飛濺去除與實際加工單晶碳化硅工件相一致，也初步驗證了仿真結果的正確性。而從磨粒對SPH工件的三向壓力來看工件損傷區域的方向更為直觀，如圖4-5（a-c）所示，通過FCOMP→Misc→history#2可以看裂紋損傷情況如圖4-5（d）所示。
圖4-4應力應變圖
圖4-5X Y Z向磨粒對SPH工件的壓力顯示云圖（a-c），SPH工件損傷圖（d）
5 總結
經多次調試與仿真實驗，得出結論：
（1）計算效率方面：發現其計算時間比單純用SPH快了16倍（SPH算法耗時約16小時，而采用FEM-SPH耦合算法仿真耗時1小時13分鐘左右），仿真結果文件D3PLOT文件平均十秒一個，仿真過程極度絲滑。
（2）SPH邊界難以處理問題：FEM-SPH耦合模型不用考慮用虛粒子約束法定義SPH邊界，在耦合模型中直接將外層SPH粒子固連在FEM網格上即可。
因此，采用FEM-SPH耦合建模同時避免了單純S9PH算法的邊界難以處理、FEM網格算法難以處理大變形的兩個棘手問題。這為金屬切削、磨削加工、研磨拋光加工過程的仿真提供了一種更加高效的仿真手段，具有一定的理論與實踐意義。
參考文獻
[1] Groenenboom P H L, Cartwright B K. Hydrodynamics and fluid-structure interaction by coupled SPH-FE method[J].
展開 半導體碳化硅（SiC）行業研究：打開新能源汽車百億市場空間
2.1.3 切磨拋:SiC 晶錠硬度高、脆性大，加工困難
生長完成的 SiC 晶錠在經過初加工定型后，還需要經過切磨拋環節制成碳化硅 拋光片。受加工技術的制約，目前高表面質量碳化硅晶片的加工效率較低，據天岳 先進招股書中披露，公司襯底環節整體良率在 75%。
國內切割環節主要用固結磨料多線切割。由于碳化硅硬度高、脆性大、化學性 質穩定，無法使用傳統鋸切工具。國內目前最多使用固結磨料多線切割法來加工， 將金剛石磨料固結在金屬絲上，隨鋸絲運動實現磨粒的鋸切加工。目前國內外正在 研究激光切割、冷分離和電火花切片等技術。
研磨主要是為了去除晶片切割后表面的缺陷，并達到預定厚度，同時將晶片的 翹曲、彎曲、總厚度變化、表面粗糙度降至最小。目前主要用單面減薄技術以及雙 面研磨，使用的磨料通常為碳化硼或金剛石。
拋光主要通過配比好的拋光液對研磨片進行機械拋光和化學拋光(CMP)，用 來消除表面劃痕、降低表面粗糙度及消除加工應力等，使研磨片表面達到納米級平 整度。最后通過檢測、清洗，將襯底交付給下游外延環節。
2.2 外延:可滿足不同應用領域對器件的電阻等參數要求
外延可滿足不同應用領域對器件參數要求。外延是指在碳化硅襯底上生長了一 層與襯底晶相同的單晶薄膜(外延層)的過程。為了滿足 SiC 器件在不同應用領域 對電阻等參數的特定要求，必須在襯底上進行滿足條件的外延后才可制作器件，因 此外延質量的好壞將會影響 SiC 器件的性能。目前 SiC 襯底上常見外延有 SiC 同質外 延和 GaN 異質外延，前者用于功率器件，后者用于射頻器件。
目前主要使用 CVD 法進行外延。
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