半導體材料主要指單品鍺、單晶硅、砷化鎵、銻化鎵等。它們是制作晶體二極管、晶體三級管、晶閘管、場效應管、穩壓管、整流管(硅堆、橋堆等)集成穩壓電路、模擬數字集成電路、集成運算放大器等各種元件器件的重要原材料,在生產制造過程中,電火花加工常與機械加工、超聲波加工、電化學加工等聯合使用,在最后精加工前采用電火花加工,取得較好的加工效果。
(1)半導體材料的特點
1)半導體材料脆,電阻率大(通常為0.01~1Ω*cm),導熱系統高。電阻率大和導熱性好,加大了放電回路中產生的熱量和熱損失,電壓低于一定值后,如果不經任何處理的半導體材料,由于導電性能不良,一般不能進行放電加工。
2)進行電火花加工時,單個脈沖能量不應過大,否則將產生熱脆性機械裂紋,一般應采用窄脈沖、小峰值電流加工,單脈沖能量不大于10-5J。
3)在普通水介質中加工,由于水熱裂分解成氧和氫,使半導體表面形成非晶體的氧化膜。在油介質中,由于分解出炭,表面被炭污染。加工中通常采用去離子水,電阻率保持在166Ω*cm 以上,并應不斷更新。
4)當利用電火線切割進行切斷加工時,發現Ni絲比Mo、Cu、W絲的加工效果好(RC線路的脈沖電源)。當采用晶體管脈沖電源時,紫銅電極對儲單晶加工時損耗很小,其他工藝指標也不錯。
(2)加工實例一
1)工件名稱 高壓硅堆管芯電火花線切割加工。
2)工件技術要求
a.工件材料 做好P-N結疊置在一起,每片單晶大片厚度在0.3mm左右,根據需要,疊厚分別為4~10mm。
b.技術要求:要求切割成1mm×1mm的方柱,做成疊片管芯,再經組裝處理即形成產品硅堆。
3)加工要點
a.硅片特性:硅片本身屬半導體材料,如果不如任何處理的硅片,由于導電性能不良,不能進行放電切割。
b.硅片處理:首先將硅片表面鍍鎳,再將鍍鎳的硅片按P-N結方向一片一片在溶化的鉛錫合金沾錫,之后疊置成整體沾錫,這樣做出的疊片層與層之間都有薄薄的一層鉛錫合金作為導電層,并且層層之間都有連接,這樣將硅片處理之后才能進行放電切割出所需要的形狀尺寸。
4)使用設備 使用DK7125電火花數控線切割機床,ET-MC三相大功率高頻脈沖電源,脈沖寬度20μs,加工電流2A。
5)加工效果
a.采用電火花線切割工藝,克服了由于機械切割所造成的崩角、斷裂現象,保護P-N結構面的平整,提高疊片的反向耐壓。
b.由于鉛錫的導電性良好,在各層硅片之間,晶片的P-N結上處于等電位狀態,因此不會擊穿P-N結,在瞬間放電過程中,加工電流是通過各層鉛錫導電層與鉬絲放電,產生的瞬時高溫足以熔化鉛錫層之間與鉬絲相處的硅片,這樣,實際導電的鉛錫層并沒有多厚,且放電又是分層進行的,因此有利于高頻電源能量的利用,所以切割一定厚度的硅片比切割相應厚度的金屬材料要快。
c.加工速度達60~70mm2/min;有待進一步研究、試驗、完善加工工藝。
(3)加工實例二
1)工件名稱 鍺單晶的電火花加工。
2)鍺單晶的特點
a.鍺單晶是金剛石型的六方晶格,材料既脆又硬(硬度>6)很難進行機械處理,目前僅限于棒料的高速切割和研磨。
b.鍺的熔點比較低,是958℃,電阻率是鋼的4×106倍,具有較高的熱傳導系統數,要求采用較窄的脈沖寬度,避免產生裂紋和迸裂,以獲得較高的加工速度。
3)技術要求
a.要求對鍺單晶棒料進行切斷加工(φ40mm棒料切成10mm厚的圓片)。
b.要求在10mm厚的圓片上加工φ40mm的圓孔。
4)使用設備 使用D7140電火花成形加工機床;配置JDS-100晶體管脈沖電源;工作液介質為電火花專用煤油;電極材料分別為0.5mm厚紫銅板和φ4mm空心紫銅管。
5)加工效果
a.電極損耗在1%以下。
b.表面粗糙Ra值<2.5μm。
c.加工速度達到30mm3/min。
d.進行型腔加工效果也很好。