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硅阵列通孔微细电火花加工试验研究

时间:2015-10-8 8:53:00 来源:中国打火机网

  导电能力介于金属和绝缘体的半导体材料因其具有对光、热、电、磁等外界因素变化十分敏感而独特的电学性质,在电子和精密器件行业中应用非常广泛。MEMS技术的快速发展促进了半导体材料在微机械制造技术领域的快速发展,如以微细阵列孔为关键结构的零部件在MEMS封装和垂直集成传感器阵列(VISA)的使用越来越多,而对孔径尺寸第一:丁维育,男,1984年生,硕士研究生。

  *第13届全国特种加工学术会议优秀论文要求越来越小,精度要求也越来越高。目前主要的4种硅通孔(TSV,Through-Silicon-Via)制作方法都存在一定的不足,如湿法刻蚀通孔不垂直且深宽比小;激光加工(LBM)难以提高深宽比;深反应等离子体刻蚀(DRIE)工艺的灵活性较差;光辅助电化学加工表面质量差。此外上述方法对材料的选择也存在着一些局限性。因此对半导体材料阵列通孔加工的研究提出了越来越高的要求,如何实现阵列通孔的高质量、低成本、批量化的工艺和装备成为微机械制造加工技术最迫切需要的技术之一。探讨半导体微细阵列孔加工的理论及工艺规律具有十分重要的意义和极大的应用前景。

  作为微机械制造技术一个重要分支的微细电火花加工技术以其非接触加工易实现高的深宽比、微三维结构加工的特点受到国内外技术人员的广泛关注。国外对微细阵列孔加工的研究起步较早,已有较成熟的阵列孔加工工艺,特别是日本松下电器的反拷微细放电加工法代表了当前这一领域的最高工艺水平111.近年来随着微机械制造技术的广泛应用,国内在群电极制备及微细阵列孔加工方面进行了大量研究,其中哈尔滨工业大学赵万生教授等率领研究人员开展了大量相关研究工作,使得微细电火花加工技术应用于微细群孔加工。但国内在半导体材料的微细电火花加工特别是高深宽比的阵列通孔加工方法的研究方面尚无大的突破,其主要原因在于工具电极的损耗问题难以解决。在微细放电加工过程中,由于极间产物无法及时排除,容易二次放电和短路拉弧现象。国内外科研人员提出了很多工艺方法和措施,如促进工作液流动、辅助超声振动等,但由于放电间隙在微米级范围内,上述方法在促进极间产物排除的同时,也严重影响了放电稳定性,降低了加工精度12.因此本文提出的超短脉冲放电电源并结合单脉冲检测技术通过严格控制加工过程中单个脉冲的放电能量,从而保证材料一电极对的能量分配,实现半导体硅的微量蚀除和微细电极的少、无损耗,能有效地解决TSV垂直通孔加工中存在的技术瓶颈131. 1试验过程及工艺方法1.1阵列电极的制作在硅阵列通孔加工中的工具电极常用金属材料如紫铜或者CuW合金,常见的单个电极截面有方或圆形等截面。微细阵列电极一般是在多轴低速走丝线切割机床上先加工出正方形截面的细长条,再把切割后的细长条垂直地装夹在机床上,电极丝按事先编好的程序沿着细长条的方向开始切割加工。等加工完成后旋转工件90*重复刚才的加工步骤即可完成微细阵列群电极的制作(a)。用线切割的方法加工阵列电极只能割出方形或菱形列阵,加工效率和深宽比高,但加工精度相对较低。

  而微细阵列圆形截面电极一般是用反拷法先用单个钨电极在母板上加工出阵列母孔,然后用此阵列孔以微细电火花加工的方法在金属电极上反拷出需要的微细阵列电极。用反拷法加工的微细阵列电极锥度小,具有较好的精度,不经过二次修整加工可直接作为加工微细阵列孔的工具电极,但与电火花线切割法相比加工效率低,且加工过阵列电极的母板表面较粗糙不能多次使用(b)为了实现TSV的高深宽比加工可采用UV-LIGA和微细电火花复合加工的技术制作微细电极,即先用UV-LIGA技术在母板上光刻照相电解出阵列孔,然后通过微细电火花反拷的方法用母板在工件电极上反拷出TSV加工中需要的微细电极,该方法制作的电极阵列的深宽比可达17.65151.因此,采用这两种工艺方法加工微细阵列电极,应根据实际加工的精度要求选择合适加工工艺。

  (10反拷法制作电极不总阁微细阵列电极制作示意4在N型单晶硅阵列通孔微细电火花加工试验研究过程中,我们选用上述提到的第一种加工工艺,用直径为50m钨丝电极在AGIE4轴低速走丝电火花线切割机床上割出边长为180Mm、间距300m的群电极作为电火花加工微细阵列孔的工具电波整流电路:可调变压器1.2微细电火花加工工艺万法在微细电火花加工中,要提高加工精度就要单个脉冲放电能量微小化,这会导致放电间隙减小,因而就要求微细电火花机床上的工具电极或工件电极在进给方向具有更精密的进给分辨率。在本实验中用PI的高精度数控微位移实验平台(进给分辨率为0.125Mm)作为微细电火花加工机床,将工具电极用夹具固定在PI控制平台上,通过编程控制PCI- 843运动控制卡实现了微细阵列电极的微位移进给和快速回退()。微细电火花机床由计算机、运动控制卡、数控微位移控制平台、单脉冲检测电源、微细阵列电极、工作液循环系统及相关接口等组成。

  在微细电火花加工N型单晶硅微细阵列通孔加工过程中,因为N型单晶硅表面与工具电极之间具有整流特性,应使其接触表面的整流特性处于正向偏置状态,负极性加工的方法即以阵列电极为工具电极接脉冲电源的正极,N型单晶硅为工件电极接脉冲电源的负极。并将工件电极倒置在工具电极的上方可让极间产物迅速排除()。在试验的过程中通过程序的控制,实现了加工过程中的定时抬刀的欠跟踪方法,也有利于极间产物的排除。在微细电火花放电加工中使用油基工作液,可获得更小的放电间隙《5Mm)已可满足获得高的工件形状精度以及表面质量的要求。通过大量的实验也发现,在硅阵列通孔微细电火花加工中采用了油基工作液(煤油)加工,工件的表面质量优于其他工作液。

  同时,采用循环流动的工作液对工具电极和工件电极起到冷却的作用,并把加工过程中产生的积屑和碳黑冲出加工区域,用过滤装置过滤使得每次进入加工区域的工作液相对纯净,从而避免短路拉弧、加工区局部温度过高等不利现象的出现,有效地解决了微细电火花加工硅阵列孔的排屑,减少二次放电造成拉弧而影响加工表面质量和加工精度,同时也硅通孔微细电火花加工示意。3单脉冲检测电源设计以硅为例,在半导体材料的微细电火花加工中,需要在电极两端施加较高的击穿电压,才能击穿工作液介质实现火花放电加工。同时由于微细电火花加工单个脉冲放电能量在M级以下,与之对应的放电脉冲宽度极小。对于常规的单孔加工,可选择简单可靠的RC弛张放电电源,并通过不断修整的方式补偿电极轴向损耗。但在用阵列电极加工微细阵列通孔时,由于阵列电极的制作成本相对较高,且深宽比不是很大,电极的过多损耗将影响到后续的工程应用。因此,在微细电火花加工半导体阵列通孔时,必须采用超短脉冲放电电源并结合单脉冲检测技术,严格控制加工过程中单个脉冲的放电能量,从而保证材料一电极对的能量分配,实现半导体材料微量蚀除和微细电极的少、无损耗。精密工学会志,200571(5)533.董德生,曾伟梁,杭观荣等。群孔的微细电火花加工技术研究。电加工与模具,2006(2):。电力口工与模具,2005(6):翁明浩。微细阵列轴孔的电火花和电化学加工工艺研究。

  哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.。哈尔滨工业大学学报,2008.制造技术与机床,2004(10)22―25.

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