SiC磨削技术研究现状

摘要：第三代半导体材料SiC特性优良，逐渐应用到新能源汽车、航天电子等领域。许多学者为减小SiC的加工误差、表面粗糙度，进行了大量研究，对SiC的应用具有重大意义。磨削是SiC的精密加工方法之一，具有加工误差小、高效率高等优点。本文通过梳理相关文献，介绍SiC磨削技术的研究现状，探索SiC的高效、精密的加工方法。

关键词：碳化硅；磨削；加工效率；表面质量

引言

由于Si材料逐渐临近物理极限，难以突破其性能的限制，半导体行业的摩尔定律需要新材料来超越。在新能源汽车、航天电子等领域，第三代半导体材料SiC受到瞩目，发展趋势迅速。与Si、GaAs等半导体材料相比，SiC的热导率大、抗辐射能力强等优点赋予其在极端工况下工作的能力。所以，SiC理所应当可以替代Si，当成基础材料制造半导体元件。研究表明，以SiC基芯片的器件性能和可靠性更为卓越。

莫氏硬度达到9.5级的SiC，仅弱于硬度最大的金刚石，而且脆性较大，对其进行加工充满挑战性。目前，SiC晶棒首先切割成片；然后研磨去除表面刀痕；粗抛能够降低研磨后的残余应力和部分损伤；成品的SiC晶片可经化学机械抛光（CMP）大幅度提高表面质量后得到。尽管中间两道工序某些方面保证了SiC表面质量，但不可否认存在加工时间长、材料去除率低等问题。因此，许多学者致力于开发高效率、精确度高、低成本的加工技术。具备良好的加工特性的磨削对于SiC的精加工来说，具有重要意义。但是，如何尽可能减轻SiC的表面和亚表层损伤，提高加工效率和减小表面粗糙度，毫无疑问是所要面对的问题[1]。

本文列举几种SiC的磨削方法，分析各个磨削技术的特点。在此基础上，探讨精密、高效的SiC磨削思路，对SiC行业进行展望。

1 磨削技术分类

磨削技术主要有缓进给磨削、高速超高速磨削、超声辅助磨削、ELID磨削等技术，在生产中发挥着重要的作用。

2 SiC磨削技术的应用

2.1高速超高速磨削技术

磨削速度大于45m/s的叫做高速超高速磨削。20世纪30年代，Salomon首次提到高速超高速切削的想法，随着切削速度v的向右移动，温度t至峰值后下降。当切削速度v较大时，加工时间明显减少，生产效率得到大幅度提高，还能降低切削温度过高造成的刀具磨损。倪嘉铭[2]分别以20m/s和80m/s的砂轮速度对SiC开展磨削试验，结果表明，磨削速度为80m/s时，表面粗糙度为0.261um，磨削损伤小于低速磨削，能减少SiC的磨削力和提高材料去除率（MRR）。吴重军[3]对SiC进行高速磨削试验，研究表明，MRR达到2.73mm3/mm的速度为140m/s。成屑厚度越小，表面粗糙度越低，延性域去除比例越大。

2.2超声辅助磨削技术

超声辅助技术由R.W.Wood等提出，并运用到实际加工中。超声辅助磨削（UVAG）是在砂轮或材料给予超声振动，普通磨削与超声振动相结合的加工技术。UVAG能够降低磨削力，改善表面光洁度，并有效防止砂轮堵塞等问题。UVAG分一维和二维超声振动磨削。

丁凯[4]等以不同硬脆材料为研究对象，通过对两种振动模式和加工特性的分析，研究了UVAG的机理和特点，发现UVAG有效减小磨削力，对提高加工精度有利。许陆昕[5]等探究不同工艺参数对磨削SiC的影响。结果表明，砂轮轴向施以超声振动的条件下，表面粗糙度的减小通过增大砂轮速度和超声振幅可实现；减小磨削深度和进给速度可达到同样效果。轴向超声振动磨削获得的磨削表面质量较好。梁晓辉[1]对SiC进行磨削工艺试验，对于SiC亚表面裂纹的形式与深度，比较平面磨削和UVAG的差异。研究表明，与平面磨削相比，UVAG在降低SiC的表面粗糙度，还可以减少亚表面裂纹的数量，且其亚表面裂纹的深度也较浅。徐铭洲[6]等以电镀、钎焊金刚石磨头进行SiC超声辅助磨削试验。相同工况下的超声辅助加工过程中，以钎焊工艺制备的磨头磨削力最小，SiC的表面粗糙度较低。

2.3 ELID磨削技术

日本学者大森整[7]于1987年阐述ELID磨削技术，通过电解金属结合剂砂轮进实现连续修整、保持砂轮锋锐性的目的，进而达到硬脆材料的镜面磨削。肖强[8]等研究电解电压、占空比对ELID磨削单晶SiC的影响。研究证明，SiC磨削后的表面质量很大程度由占空比决定。尹韶辉[9]采用4000#砂轮、12000#砂轮对SiC进行ELID磨削，研究表明，经磨削后，表面粗糙度分别降至5.7nm和3nm，加工精度分别提高到12.7nm和2.7nm。关佳亮[10]等通过ELID外圆磨削SiC的试验，确定此试验条件下的最佳工艺参数，获得的磨削表面较好。虽然ELID磨削拥有高效率和高精度，但仍受制于金属结合剂砂轮的限制，树脂基、陶瓷基砂轮无法应用。

2.4激光辅助磨削技术

激光可以用来辅助磨削，原理是借助激光对材料做热处理来降低材料硬度，以减小后续的磨削难度。刘伟[11]等采用纳秒激光对SiC进行表面改性处理后进行磨削试验。研究表明，激光辅助磨削一定程度上减少SiC的硬度，实现塑性去除，磨削力和表面粗糙度有效减小，SiC陶瓷磨削质量得到提升。潘永成[12]使用亚纳秒激光-磨削来加工菲涅尔微结构件，研究表明，亚纳秒-超精密磨削可以提高菲涅尔微结构件的加工精度，降低表面粗糙度，缩短加工时间。激光辅助磨削中为避免工件烧伤、生产成本高等问题，处理工件表面应选择恰当的激光功率；其次是尽可能减少激光热处理与后续磨削的时间差。

3结语

综上，随着对材料的深入研究和制造技术的不断提高，SiC加工精度无疑会越高，表面粗糙度必定越小。归纳以上磨削的特点，拟给出一种加工方法，即SiC利用激光预处理后，细粒度金刚石砂轮配合超声振动进行高速磨削，以此缩短生产时间兼顾表面质量。结合最新热门的半导体行业，未来SiC将会得到更加广泛的应用。

参考文献：

[1]梁晓辉. 碳化硅磨削去除机理及亚表面裂纹研究[D]. 哈尔滨工业大学，2013.

[2]倪嘉铭.碳化硅高速磨削表面完整性研究[J].机械设计与制造，2019（11）：167-169+173.

[3]吴重军. 碳化硅磨削微观损伤机理及其高性能磨削技术研究[D].东华大学，2017.

[4]丁凯，李奇林，苏宏华，陈玉荣.硬脆材料超声辅助磨削技术研究现状及展望[J].金刚石与磨料磨具工程，2020，40（01）：5-14.

[5]许陆昕，李华，蔡晓童，等. 碳化硅陶瓷超声振动辅助精密磨削实验研究[J]. 苏州科技大学学报：工程技术版，2020（2）：72-80.

[6]徐铭洲，丁凯，李奇林，王许，刘盛.不同类型工具对碳化硅陶瓷超声辅助磨削性能的影响[J].工具技术，2022，56（10）：40-44.

[7]Nobuhide Itoh，Hitoshi Ohmori，B. P. Bandyopadhyay. Grinding Characteristics of Hard and Brittle Materials by ELID-Lap Grinding Using Fine Grain Wheels[J]. Materials and Manufacturing Processes，1997，12（6）.

[8]肖强，李言，朱育权.SiC单晶片ELID超精密磨削氧化膜特性研究[J].人工晶体学报，2010，39（04）：1055-1059.DOI：10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2010.04.034.

[9]尹韶辉，陈逢军，盛晓敏等.应用在线电解修整磨削和磁流变光整加工组合工艺进行碳化硅的纳米加工[J].中国机械工程，2007，No.237（21）：2547-2550+2560.

[10]关佳亮，陈玲，张孝辉，刘益嘉.基于ELID精密镜面磨削技术的外圆精加工工艺[J].北京工业大学学报，2015，41（08）：1133-1136.

[11]刘伟，顾浩，唐都波等.碳化硅陶瓷的激光改性磨削[J/OL].机械科学与技术：1-6[2023-02-26].https：//doi.org/10.13433/j.cnki.1003-8728.20220243.

[12]潘永成. 碳化硅菲涅尔微结构的激光—超精密磨削工艺技术基础[D].哈尔滨工业大学，2021.DOI：10.27061/d.cnki.ghgdu.2021.000500.

作者简介：蔡晓星（1995.11—），男，汉族，河南省开封市，硕士研究生，沈阳工业大学机械工程学院，先进制造技术。

（作者单位：沈阳工业大学机械工程学院）