摘 要：介紹了電火花線切割法加工半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)、加工原理和難點(diǎn)；引出線切割法加工半導(dǎo)體材料時(shí)的"接觸式放電現(xiàn)象"和等效電路；介紹了半導(dǎo)體單晶Si線切割加工的最佳放電參數(shù)。簡(jiǎn)單概括了國(guó)外該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和面臨的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電火花線切割；半導(dǎo)體材料；接觸式放電；接觸勢(shì)壘

半導(dǎo)體材料是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的一類(lèi)材料，這類(lèi)材料的電導(dǎo)率對(duì)雜質(zhì)和外界因素（光、熱、磁等）高度敏感，當(dāng)人為的引導(dǎo)摻入特定雜質(zhì)元素時(shí)，可以控制材料的導(dǎo)電性能；此外在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性也有明顯的變化。當(dāng)今社會(huì)發(fā)展迅速，如今絕大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、多媒體終端的核心單元都和半導(dǎo)體材料有著密切的關(guān)聯(lián)，因此，半導(dǎo)體材料的加工方法一直是機(jī)械行業(yè)的熱門(mén)話題。半導(dǎo)體材料多數(shù)為典型的脆硬材料，利用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式加工時(shí)，會(huì)在加工表面造成崩碎和裂紋，嚴(yán)重影響其表面質(zhì)量和性能。這也是半導(dǎo)體材料共有的一個(gè)特性，制約著半導(dǎo)體材料更廣泛的應(yīng)用。電火花線切割的加工原理是通過(guò)放電過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫來(lái)蝕除材料，因此對(duì)加工材料的硬度、脆性等物理特性沒(méi)有限制，理論上十分適合用來(lái)加工半導(dǎo)體這類(lèi)高脆性、高硬度材料。

潘慧君在研究電火花線切割方法加工半導(dǎo)體硅時(shí)，發(fā)現(xiàn)了“接觸式放電現(xiàn)象”：電火花線切割方法加工傳統(tǒng)導(dǎo)體時(shí)，放電瞬間電極絲與工件之間有很小的放電間隙，是典型的的非接觸式加工。但在加工半導(dǎo)體材料時(shí)，由于半導(dǎo)體特殊的電阻特性，電極絲已經(jīng)被工件嚴(yán)重頂彎的情況下依然可以產(chǎn)生火花放電， 并且蝕除

工件材料。（如圖1，2）同時(shí)研究了微接觸式放電狀態(tài)下提高加工效率的方法，研究認(rèn)為主要是由于脈沖放電本身利用效率的提高和側(cè)邊放電幾率的降低這兩個(gè)原因?qū)е抡w切割效率的提高[1]。

邱明波對(duì)半導(dǎo)體材料的進(jìn)電特性和接觸勢(shì)壘進(jìn)行了研究，并提出了半導(dǎo)體材料放電加工的等效電路模型，其中半導(dǎo)體材料與金屬接觸的部分可以用二極管等效（D1，D2），由于加工過(guò)程中半導(dǎo)體的電阻也在發(fā)生變化，故用可變電阻R等效，由于半導(dǎo)體自身有體電阻，半導(dǎo)體與進(jìn)電金屬、半導(dǎo)體與電極絲之間均有接觸勢(shì)壘，用RL等效[2]，如圖3。但邱明波研究的自動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)是基于金屬電火花加工中的平均電壓檢測(cè)法和峰值電壓檢測(cè)法得到的，實(shí)際加工中要考慮到除了間隙電壓之外，還存在半導(dǎo)體材料體電阻壓降和接觸勢(shì)壘壓降的因素， 所以嚴(yán)重影響了該了該伺服系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

辛彬[3]在研究單晶 Si的電火花加工時(shí)，使用了滿(mǎn)意度函數(shù)方法找出了最佳放電參數(shù)：當(dāng)峰值電流為18.5 A、脈沖寬度為358.62μ s、脈沖間隔為20μ s時(shí)，滿(mǎn)意度為0.912，此時(shí)材料去除率的最大值為76.26 mm3/ min。使用這一系列的放電參數(shù)在電火花成型機(jī)床上做重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得P型單晶硅的平均加工速度可達(dá)到73. 86 mm3 /min。函數(shù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與最佳放電參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值相對(duì)誤差僅為3.2%。

比利時(shí)KU Leuven和美國(guó)The University of Nebraska的學(xué)者采用慢走絲線切割機(jī)床對(duì)半導(dǎo)體硅片進(jìn)行加工并研究了最佳加工工藝，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)單晶硅或多晶硅的電阻率≦20Ω？ cm時(shí)具備較好的加工可行性[4～5]。日本Okayama University的學(xué)者使用類(lèi)似快走絲電火花線切割機(jī)床和去離子水作為工作液，研究了單晶硅棒的電火花線切割加工的最佳工藝參數(shù)，達(dá)到了93.3 mm2/ min的切割效率[6]。此外美國(guó) NASA的 Arnold、美國(guó)Utah State University的學(xué)者 Rakwal和 Bamberg均用電火花線切割技術(shù)研究了半導(dǎo)體鍺材料的加工工藝， 并取得了不錯(cuò)的加工效果[7～8]。

到目前為止，半導(dǎo)體材料的加工依舊是機(jī)械行業(yè)的一個(gè)難題，即便是采用電火花線切割的加工方法，也會(huì)因?yàn)榘雽?dǎo)體電阻率比金屬材料高出3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，且其電特性十分特殊等原因，一般都局限在較低電阻率范圍，對(duì)于電阻率較高的材料，加工難度依舊很大。

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作者簡(jiǎn)介：

周世乾（1990-），男，民族：漢族，籍貫：湖北武漢，當(dāng)前職務(wù)：教師，當(dāng)前職稱(chēng)：初級(jí)，學(xué)歷：碩士，研究方向：半導(dǎo)體線切割。