El límite superior del radio del borde de la herramienta para el corte en modo dúctil a nanoescala de la oblea de silicio

  1. Introducción

  Se ha informado [1–11] que los materiales frágiles, como el material de oblea de silicio, pueden mecanizarse en modo dúctil en ciertas condiciones de formación de viruta. Tales condiciones están dominadas por las condiciones de estrés en la formación de viruta.La región, que puede generarse por cierta geometría de la herramienta y condiciones de corte, es decir, el grosor de viruta no deformado, así como la relación entre el grosor de viruta no deformado y el radio del filo de la herramienta. Se ha encontrado [12] que en el cortede materiales frágiles, como el carburo de tungsteno y la oblea de silicio, la formación de viruta en modo dúctil se puede lograr en la medida en que el grosor de la viruta no deformada sea menor que el radio del borde de corte de la herramienta y el radio del borde de corte de la herramienta sea pequeñosuficiente, en el cual para el corte en modo dúctil de carburo de tungsteno y oblea de silicio se encontró que el radio del borde de la herramienta estaba en escala micrométrica y escala nanométrica, respectivamente. Considerando la aplicación del corte en modo dúctil en la industria,como en la industria de fabricación de obleas, en la que siempre se requiere una alta tasa de producción, para tener una alta tasa de remoción de material en el corte en modo dúctil, se esperaría que el radio del filo de la herramienta fuera lo más grande posibleSiempre y cuando la formación de viruta permanezca en modo dúctil. Por lo tanto, es necesario determinar el límite superior del radio del filo de la herramienta para el corte en modo dúctil de un material frágil. En este estudio, los experimentos de corte han sidorealizado para determinar el límite superior del radio del borde de la herramienta en el corte en modo dúctil de material de silicio cristalino único. Los resultados mostraron que el límite superior del radio del borde de la herramienta para el corte en modo dúctil de silicio está entre 700a 800 nm.

  Detalles experimentales

  Máquinas, herramienta y pieza de trabajo.

  Los experimentos de torneado frontal de la oblea de silicio se llevaron a cabo en un torno de ultra precisión (Toshiba ULG-100C) con una resolución de posicionamiento de 10 nm con herramientas de diamante. La Figura 1 muestra la configuración de la experiencia de giro de cara de ultra-precisiónments Se utilizaron como muestras obleas de silicio (111) de 100 mm de diámetro, 0,5 mm de espesor y con un acabado lapeado. Las obleas se pegaron en espacios en blanco de aluminio utilizando un pegamento suavizado por calor y luego se colocaron al vacío en el husillo de la máquina. Como ella capa de pegamento puede no estar distribuida uniformemente, se realizaron cortes de cara (recorte previo) antes del inicio de los experimentos para asegurar que la superficie de silicona fuera extremadamente plana. El corte se realizó utilizando herramientas de diamante de cristal único deSeis radios de filo diferentes. Sus parámetros de geometría se enumeran en la Tabla 1.

  Geometría de corte

  La Figura 2 muestra esquemáticamente una vista ortogonal de la formación de viruta en el corte en modo dúctil de materiales frágiles con una herramienta que tiene un gran ángulo de inclinación negativo y un borde de corte de arco, donde DE es la cara de inclinación de la herramienta, BD es el corte de arcoborde, BC es la cara del flanco de la herramienta, K es un punto en el arco 656 Dirección de corteborde de corte BD, O es el centro del arco borde de corte BD, AB es un plano de corte curvo, γ es el ángulo de inclinación de la herramienta, β es el ángulo de fricción medio entre el chip y la herramienta, γk es el ángulo de inclinación local en el punto K en el filoBD, r es el radio del filo de corte de la herramienta, ac es el espesor de viruta no deformado, ao es el espesor de la viruta, Fr es la fuerza de la herramienta resultante, Fc es la fuerza de corte, Ft es la fuerza de empuje, Fs es la fuerza de corte en la cizalla plano, Fns es elfuerza normal en el plano de corte, Ff es la fuerza de fricción en la cara de la herramienta y Fn es la fuerza normal en la cara de la herramienta. Tanto γ como γk están en grandes valores negativos.

  Condiciones de corte

  Las condiciones de corte del torneado facial de ultraprecisión.

  Fig. 2 Diagrama esquemático de la formación de viruta en el corte dúctil de una barra de aleación de aluminio ranurada y rotada de material frágil, que se mantuvo mediante un mandril de torno CNC. Se pueden lograr diferentes radios de filo de diamante controlando eltiempo de lapeado

  Las fichas se recolectaron utilizando una cinta de doble cara, que se colocó en la cara de rastrillo de la herramienta de diamante. La textura de la superficie de la pieza mecanizada y las formaciones de viruta se examinaron utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM) (JEOL JSM-5500).

  La topografía de la superficie de la pieza mecanizada se examinó utilizando un microscopio de fuerza atómica (AFM). La rugosidad de la superficie de las obleas de silicio mecanizadas se examinó utilizando un Formtracer (Mitutoyo CS-5000).

  Los experimentos se enumeran en la Tabla 2. Tenga en cuenta que en orden para estudiar solo el efecto del radio del borde de la herramienta en la formación de viruta, la relación entre el grosor de viruta mal formado y el radio del borde de la herramienta se mantuvo casi constante en todas las pruebas de corte. El corte en seco se realizó con el fin deRecogiendo las virutas de corte.

  Medición

  El radio del borde de corte de la herramienta de diamante se midió a través del método de indentación [13] utilizando un microscopio de fuerza atómica (AFM) (SEIKO-II, SPA-500). El radio inicial del borde de corte fue de 23 nm. Para conseguir una gran herramienta de diamante.radio de vanguardia, se diseñó un proceso de lapeado especial como se muestra en la Fig. 3.

  Resultados y discusión

Fractura en superficie mecanizada.

  Las fotografías de las Figs. 4 y 5, respectivamente. Para elradio del borde de la herramienta de diamante de 23, 202, 490, 623 y 717 nm, una prueba se realizó bajo la condición de que el grosor del chip no deformado era menor que el radio del borde de la herramienta y la otra prueba se realizó bajo la condición de queel grosor de viruta no deformado era mayor que el radio del borde de la herramienta. Para el radio del borde de la herramienta diamantada de 807 nm, ambas pruebas se realizaron bajo la condición de que el grosor de viruta no deformado fuera menor que el radio del borde de la herramienta.

  Las observaciones tanto de SEM como de AFM indicaron que cuando el radio del filo de corte de la herramienta no era mayor que 807 nm y el grosor de viruta no deformado era más pequeño que el radio del filo de corte de la herramienta, las superficies mecanizadas de la pieza eran muy suaves ylas marcas de alimentación se mostraron claramente en las superficies como se muestra en las Figs. 4 y 5, que muestran que el corte se realizó en modo dúctil. Por otro lado, cuando el grosor de viruta no deformado fue mayor que el Corte de Tabla 2condiciones657 de pruebas de corte de ultra-precisión. No. Radio de filo de la herramienta r ​​(nm) Velocidad de corte Velocidad de avance f (μm / rev) Profundidad de corte ao UCT ac (nm)

el radio del borde de corte de la herramienta, las superficies mecanizadas de la pieza de trabajo eran muy ásperas y fracturadas,lo que demostró que el corte se realizó en modo frágil. Sin embargo, cuando el radio del filo de corte de la herramienta alcanzó 807 nm e incluso el grosor de viruta no deformado era mucho menor que el radio del filo de corte de la herramienta, la pieza mecanizadalas superficies eran muy ásperas y fracturadas, lo que demuestra que el corte se llevó a cabo en un modo frágil en las condiciones de corte. Era probable que el radio del borde de corte de la herramienta de 807 nm fuera un límite superior para el modo dúctilCorte de material de oblea de silicio. Como resultado, para lograr el corte en modo dúctil del material de la oblea de silicio, se deben cumplir dos condiciones: (1) el radio del borde de la herramienta diamantada debe ser menor que 807 nm y (2) el no deformadoel grosor de la viruta debe ser menor que el radio del filo de corte de la herramienta.

  Formacion de viruta

  En la Fig. 6 se muestran fotografías SEM de virutas formadas en el corte de obleas de silicio que usan herramientas de diamante con diferentes radios de filo a una velocidad de corte de 150 m / min. Las pruebas se realizaron en las condiciones mencionadas en la Sección. 2.3.

Barra de aleación acanalada giratoria

  Se encontró que cuando el radio del borde de corte de la herramienta no era mayor que 807 nm y el grosor de viruta no deformado era menor que el radio del borde de corte de la herramienta, la formación de la viruta estaba en modo dúctil, que puede identificarse de acuerdo conchips, como se muestra en la Fig. 6. Como se mencionó anteriormente, dichos chips continuos obtenidos fueron similares a la formación de chips durante el corte de materiales dúctiles, donde la formación de chips está dominada por la dislocación. Por otro lado, cuando elel grosor de viruta no deformado era mayor que el radio del borde de corte de la herramienta, las virutas obtenidas parecen formarse en formas irregulares, lo que muestra que las virutas probablemente se formaron en modo frágil. Sin embargo, cuando el radio de filo de la herramienta alcanzó807 nm e incluso el grosor de viruta no deformado era mucho menor que el radio del borde de corte de la herramienta, las virutas obtenidas muestran que el corte se llevó a cabo en un modo frágil en las condiciones de corte. Se creía que la herramienta de corteel radio del borde de 807 nm debe ser un límite superior para lograr el corte en modo dúctil del material de oblea de silicio, que también se muestra en la topografía de la superficie de la pieza mecanizada. Por lo tanto, dos condiciones deben ser satisfechas para obtenercorte en modo dúctil del material de la oblea de silicio: (1) el radio del borde de la herramienta de diamante debe ser menor que 807 nm y (2) el grosor de viruta no deformado debe ser más pequeño que el radio del borde de corte de la herramienta.

Rugosidad de la superficie mecanizada

 Herramienta de diamante

 Fig. 3 Diagrama esquemático del lapeado para el filo de la herramienta diamantada

Lechada de diamante

  La rugosidad de la superficie de la pieza mecanizada fue examinada usando el Formtracer. La figura 7 muestra el efecto del radio del filo de la herramienta de diamante en los valores de rugosidad de la superficie Ra de las obleas de silicio mecanizadas. Cuando el radio de borde de la herramienta no estabamás grande que 807 nm, los valores de Ra solo aumentaron ligeramente con el aumento del radio del borde de la herramienta. Esto podría deberse al aumento de la velocidad de avance de la herramienta en las pruebas de corte, como se puede ver en la Fig. 4. Se encontró que una superficie muy buenaLa integridad se logró bajo corte en modo dúctil cuando se cumplieron las dos condiciones. Sin embargo, cuando el radio del borde de la herramienta alcanzó 807 nm, el valor Ra de la rugosidad de la superficie aumentó dramáticamente, lo que demuestra que este radio del borde era unlímite superior para lograr658

Fig. 4 Fotografías SEM de superficies de obleas de silicio maquinadas con diferentes espesores no deformados con diferentes superficies de bordes con bordes lisos. La razón principal es que el corte de modo frágil se logró en estas condiciones. EseEste modo de corte tiene un efecto significativo en los valores de rugosidad de la superficie Ra.

Fig. 5 Fotografías de AFM de superficies de obleas de silicio maquinadas con diferentes espesores no deformados con diferentes radios de borde de herramienta

  Discusión

  Se informó [14] que la condición clave para la formación de chips en modo dúctil en el corte de materiales frágiles es laesfuerzo de compresión extremadamente grande, que es tan grande que la propagación de fisuras de los defectos preexistentes de los materiales se analiza y la formación de virutas está dominada por la emisión de dislocación. La tensión de compresión normal media, σc que actúa sobre laárea de contacto entre la herramienta de corte y la pieza de oblea de silicio, Ac puede expresarse

Fig. 6 Fotografías SEM de virutas formadas en el corte de obleas de silicio con diferentes espesores no deformados con diferente radio de bordes de herramienta

Fig. 7 El efecto del radio del filo de corte de la herramienta de diamante en la rugosidad de la superficie de las obleas de silicio mecanizadas obtenidas.

  Fig. 8 Relación entre la fuerza de corte resultante Fr; área de contacto de la pieza de la herramienta, Ac; la tensión de compresión normal media σc, y el radio del filo de corte de la herramienta, rdonde rc ¼ ac = ao es la relación de corte, y kAB es la tensión de flujo de corte a lo largo de la superficie de corte curvada AB.

  En el corte de materiales frágiles, como el silicio, la formación de viruta en modo dúctil se puede lograr cuando el grosor de viruta no formado es menor que el radio del borde de la herramienta. Así, para el corte dúctil de materiales frágiles, el resultadofuerza de corte Fr．

  Monótonamente con el radio de corte de la herramienta r. Ec. 4 indica que el área de contacto de la pieza de la herramienta Ac aumenta de forma monótona con el radio de borde de corte de la herramienta r. Correspondiente a la fuerza de corte resultante Fr así como a la herramientaárea de contacto de la pieza de trabajo Ac, la tensión de compresión normal media σc como en la ecuación. 1 inicialmente disminuye gradualmente con el radio del borde de la herramienta r, y luego disminuye rápidamente con r a medida que Ac aumenta rápidamente con r.cuanto más pequeño, mejor, y debe haber un límite superior del radio del borde de la herramienta para cada material de la pieza de trabajo, por encima del cual el corte no está en modo dúctil. En los experimentos del presente estudio, este límite superior de la herramienta.

Considere el área de contacto de la pieza de la herramienta Ac = f (r, ac R, γ), ya que para una herramienta de corte de diamante cristalino individual dada, el radio de la esquina de la herramienta, R y el ángulo de inclinación γ son constantes, el radio del filo en el dúctil corte de modo deLa oblea de silicio se mostró como 807 nm.

  4. Conclusiones

  En este estudio, se ha investigado el efecto del radio del filo de la herramienta en la formación de viruta y la superficie de la pieza mecanizada en el modo dúctil a nanoescala del material de oblea de silicio. Los resultados muestran que hay un límite superiorvalor para el radio del borde de corte de la herramienta, por encima del cual el modo de formación de viruta cambia de dúctil a quebradizo, aunque el grosor de la viruta no deformado sea menor que el radio del borde de la herramienta Esto podría deberse a la disminución dela tensión de compresión en la zona de formación de viruta, como se discute en la Sección. 3.4. Como resultado del cambio del modo de corte de dúctil a quebradizo cuando el radio del borde de la herramienta es mayor que el valor del límite superior, la superficie de la pieza mecanizadase fracturará, causando un aumento significativo en la rugosidad de la superficie mecanizada. En las pruebas de corte de este estudio, se encontró que el valor de límite superior para el corte de material de oblea de silicio con una herramienta de diamante de cristal único estaba entre700 a 800 nm.