高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法及装置

摘要

本发明公开了一种高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法及装置，其关键是在电火花加工过程中使与被加工半导体材料相接触的进电电极与加工用的放电电极之间的相对位置保持不变，同时使所述进电电极的与半导体材料表面相接触的触点作绕进电电极轴线的旋转运动或绕放电电极的单向回转运动或绕放电电极的往复摆动运动以消除进电电极与半导体接触表面产生的不导电钝化膜。本发明首先可以使半导体材料放电加工极间的体电阻维持不变，并能防止钝化膜的产生，使进电端始终维持较低及恒定的接触势垒和接触电阻，降低原固定进电接触方式因在进电接触点产生电化学反应，形成不导电的钝化膜，致使进电点接触电阻在放电加工过程中陡然增加，阻碍电能的输入，使加工无法延续的现象发生。

权利要求

1.一种高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法，其特征是在电火花加工过程中使与被加工半导体材料相接触的进电电极与加工用的放电电极之间的相对位置保持不变，同时使所述进电电极与半导体材料表面相接触的触点作绕进电电极轴线的旋转运动或绕放电电极的单向回转运动或绕放电电极的往复摆动运动以消除进电电极与半导体材料接触表面产生的不导电钝化膜。

2.根据权利要求1所述的高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法，其特征是在所述的电火花加工过程中使用的放电加工介质为水溶性冷却液或油类冷却油；进电电极与半导体材料接触区域采用液体或气体进行冷却。

3.根据权利要求1所述的高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法，其特征是所述进电电极通过弹性器件与半导体材料表面始终保持可靠接触。

4.根据权利要求1所述的高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法，其特征是所述的放电电极为旋转电极、成型电极、单线或多线电极丝中的一种。

5.一种高阻半导体材料的随动进电电火花加工装置，包括放电电极(5)、脉冲电源(2)和放置被加工半导体材料(3)的绝缘工作台(4)，脉冲电源(2)的一极与放电电极(5)相连接，脉冲电源(2)的另一极与进电电极(6)相连，进电电极(6)与被加工半导体材料(3)的表面相接触，其特征是所述的进电电极(6)安装在压紧装置(7)上，压紧装置(7)与带动绕进电电极(6)轴线旋转并保持与放电电极(5)距离不变的旋转装置(8)或与带动进电电极(6)绕放电电极(5)回转或摆动并保持与放电电极(5)之间距离不变的驱动装置相连。

6.根据权利要求5所述的高阻半导体材料的随动进电电火花加工装置，其特征是所述的放电电极(5)为单线或多线电极丝，此时，所述的旋转装置(8)由电机(9)带动，在所述的绝缘工作台(4)上或一侧或两侧还分别安装有进电冷却系统(10)及放电冷却系统(11)。

7.根据权利要求5所述的高阻半导体材料的随动进电电火花加工装置，其特征是所述的放电电极(5)为能上下移动的主轴头带动的成型电极。

8.根据权利要求5所述的高阻半导体材料的随动进电电火花加工装置，其特征是所述的放电电极(5)为由既能旋转又能上下移动的电火花铣削主轴头带动的电极(1)。

说明书

高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电火花加工技术，尤其是一种半导体材料的电火花加工技术，具体地说是一种电阻率较高(不小于1Ω·cm)的高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法及装置。

背景技术

[0002] 随着现代信息社会的飞速发展，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，已成为尖端科学技术中应用最为活跃的先进材料，特别是在通讯、家电、工业制造、国防工业、航空、航天等领域中具有十分重要的作用。最典型的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。

[0003] 但到目前为止，半导体材料的加工仍是一件十分困难的事情，因为它们最突出的一个特性就是脆性高，断裂韧性低，材料的弹性极限和强度非常接近。当所承受的载荷超过弹性极限时就发生断裂破坏，在已加工表面产生裂纹，严重影响其表面质量和性能，所以半导体材料的可加工性极差。

[0004] 放电加工技术不依靠机械能，而是利用电能蚀除材料，因此可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度零件。尽管如此，由于传统放电加工技术要求材料应具有良好的导电性，半导体虽然具有一定的导电性，但是它的电阻率要比金属材料高出3～4个数量级，且其电特性十分特殊，以往对半导体进行的普通放电加工一般都局限在低电阻率范围，对于较高电阻率的半导体材料放电加工十分困难甚至无法加工。其原因主要是与半导体材料的特殊电特性有关。对于放电加工过程而言，加工对象通常被看作是电路的一个元器件，组成整个回路。例如对导电性能良好金属进行电火花线切割，金属通常被认为没有电阻，而它的电学特性只与放电端接触部分介质性质以及电源的负载特性有关。但对于半导体材料放电加工，首先，半导体材料本身具有一定的电阻率，致使其体电阻不能忽略，并且体电阻还随着电极与半导体材料的接触面积、与进电端的相对位置、半导体的体积大小等因素而改变，因此导致现在半导体材料尤其是电阻率在1Ω·cm以上的材料采用普通放电加工效率特别低甚至不能加工；其次，在对半导体进行放电加工时，由于使用的工作介质具有一定导电性，以及在接触面存在接触势垒及接触电阻，因此会在进电接触点形成局部阴、阳极，一旦回路通电且阴、阳极间存在电介质，必然会产生电化学反应，形成不导电的钝化膜，致使进电接触点接触电阻在加工过程中陡然增加，阻碍电能的输入，使加工无法延续。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对半导体材料在放电加工中两极间体电阻会产生变化及在放电加工中体现出的放电过程中由于电化学作用会在进电接触点形成不导电的钝化膜，使进电点接触电阻在加工过程中陡然增加，阻碍电能的输入，致使加工无法延续的问题，发明的一种高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法，同时针对不同的加工要求设计出相应的具有通用性的加工装置。

[0006] 本发明的技术方案之一是：

[0007] 一种高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法，其特征是在电火花加工过程中使与被加工半导体材料相接触的进电电极与加工用的放电电极之间的相对位置保持不变，同时使所述进电电极与半导体表面相接触的触点作绕进电电极轴线的旋转运动或绕放电电极的单向回转运动或绕放电电极的往复摆动运动以消除进电电极与半导体接触表面产生的不导电钝化膜。

[0008] 在所述的电火花加工过程中使用的放电加工介质为水溶性冷却液或油类冷却油；进电电极与半导体材料接触区域采用液体或气体进行冷却。

[0009] 所述的每个进电电极通过弹性装置与半导体材料表面始终保持接触。

[0010] 所述的放电电极为旋转电极、成型电极、单线或多线电极丝中的一种。

[0011] 本发明的技术方案之二是：

[0012] 一种高阻半导体材料的随动进电电火花加工装置，包括放电电极5、脉冲电源2和放置被加工半导体材料3的绝缘工作台4，脉冲电源2的一极与放电电极5相接触，脉冲电源2的另一极与进电电极6相连，进电电极6与被加工半导体材料3的表面相接触，其特征是所述的进电电极6安装在压紧装置7上，压紧装置7与带动绕进电电极6轴线旋转并保持与放电电极5距离不变的旋转装置8或与带动进电电极6绕放电电极5回转或摆动并保持与放电电极5之间距离不变的驱动装置相连。

[0013] 所述的放电电极5为单线或多线电极丝，此时，所述的旋转装置8由电机9带动，在所述的绝缘工作台4上或一侧或两侧还分别安装有进电冷却系统10及放电冷却系统11。进电冷却系统10可采用液体或气体进行冷却，放电冷却系统11可采用水溶性冷却液或油类冷却油进行冷却。

[0014] 所述的放电电极5为能上下移动的主轴头带动的成型电极。

[0015] 所述的放电电极5为由既能旋转又能上下移动的电火花铣削主轴头带动的铣削电极1。

[0016] 本发明的有益效果：

[0017] 1)本发明通过保持两极间的相对位置恒定，从而维持极间体电阻不变，减少了体电阻变化对放电加工的影响。

[0018] 2)本发明通过旋转电极对半导体材料表面具有一定压力的旋转擦刮作用，并配合喷气或喷液等冷却措施，可以不断将进电接触点可能因电化学作用所产生的钝化膜刮除，使进电端始终维持较低及恒定的接触势垒和接触电阻，降低原固定进电接触方式因在进电接触点产生电化学反应，形成不导电的钝化膜，使进电点接触电阻在加工过程中陡然增加，阻碍电能的输入，使加工无法延续的现象发生。

[0019] 3)本发明不仅可以采用改进的脉冲电源使得现有的晶体硅、单晶锗的放电加工问题得以解决，而且还可以将该方法拓展到对其它半导体及陶瓷功能材料如：氮化镓、碳化硅和氧化锌等的放电加工方面。

[0020] 4)本发明还可以将该原理拓展到半导体材料多线电极电火花线切割、电火花成型加工、电火花铣削加工等方面，进一步拓展放电加工的机理研究及其应用范围，为半导体材料的加工提供新的工艺方法及产品设计思路。

[0021] 附图说明

[0022] 图1是本发明的高阻半导体材料单线电火花线切割加工装置示意图。

[0023] 图2是本发明的高阻半导体材料多线电火花线切割加工装置示意图。

[0024] 图3是本发明的高阻半导体材料电火花成型加工装置示意图。

[0025] 图4是本发明的高阻半导体材料电火花铣削加工装置示意图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0027] 实施例一。

[0028] 一种高阻半导体材料的随动进电电火花加工方法，该方法的关键在电火花加工过程中使与被加工半导体材料相接触的进电电极与加工用的放电电极之间的相对位置保持不变，同时使所述进电电极与半导体材料表面相接触的触点作绕进电电极轴线的旋转运动或绕放电电极的单向回转运动或绕放电电极的往复摆动运动以消除进电电极与半导体材料接触表面产生的不导电钝化膜。

[0029] 具体地说就是：

[0030] 1)使进电电极与放电电极保持相对固定的位置关系，并尽可能缩短两极间相对距离，以减少两电极间的体电阻。

[0031] 2)使进电电极与半导体材料之间以一定压力保持某种相对运动(如旋转运动或往复定角度摆动)，以及时消除接触表面可能产生的不导电钝化膜。

[0032] 3)放电加工介质可以采用水溶性冷却液或油类冷却油进行冷却。

[0033] 4)进电电极与半导体材料接触区域可采用液体或气体进行冷却。

[0034] 实施例二。

[0035] 如图1所示。

[0036] 一种高阻半导体材料的随动进电电火花线切割装置，包括电极丝5(采用单线电极丝)、脉冲电源2和放置被加工半导体材料3的绝缘工作台4，脉冲电源2的一极通过导电块15与电极丝5相接触，电极丝5由储丝筒带动经上下线架及上下导轮定位后对半导体材料3进行切割，如图1，脉冲电源2的一极与进电电极6相连，进电电极6通过所述的触点与被加工半导体材料3的表面相接触，进电电极6安装在压紧装置7(可采用由弹簧及固定架组成的结构)上，并通过压紧装置7始终压紧在被加工半导体材料3的表面上，压紧装置7与带动其旋转并保持与电极丝5距离不变的旋转装置8相连，该旋转装置8(可为一根转轴)由电机9带动，电机9安装在电机座16上，电机9可采用调速电机或带调速装置的电机。此外，为对加工极间进行冷却并防止进电电极发热，整个装置还应安装有进电冷却系统10及放电冷却系统11，进电冷却系统10及放电冷却系统11可安装在绝缘工作台4的上面、一侧或两侧，进电冷却系统10可采用液体或气体进行冷却，放电冷却系统11可采用水溶性冷却液或油类冷却油进行冷却。

[0037] 实施例三。

[0038] 如图2所示。

[0039] 本实施例与实施例二的区别仅在于电极丝5为多线电极，对应的进电电极6的数量也相应增加，所构成的进电区域长度与切割的区域长度相等或略长，旋转装置8的数量与进电电极数量相等，这种结构的加工方法，加工效率较高，但系统相对复杂，尤其是其中的旋转装置8相对要复杂得多。

[0040] 实施例四。

[0041] 如图3所示。

[0042] 本实施例是本发明的方法和装置在电火花成型加工领域的一个具体应用，它与实施例一的区别在于放电电极5采用的是能上下移动的成型电极，由图3可看出，此时带动压紧装置7转动进而带动进电电极6转动的旋转装置8也应采用电机进行驱动。其余均与实施例二相同。

[0043] 实施例五。

[0044] 本实施例与实施例四的区别在于与进电电极6相连的压紧装置7由一个带动其绕成型电极等距离回转或往复摆动的驱动机构带动，该驱动机构可采用现有常用的回转机构或往复运动机构实现。

[0045] 实施例六。

[0046] 如图4所示。

[0047] 本实施例是本发明的方法和装置在电火花铣削加工领域的一个创新性应用，它与实施例一的区别在于放电电极5采用的是能旋转进行电火花铣削加工的简单形状的电极1，由图4可看出，此时带动压紧装置7转动进而带动进电电极6转动的旋转装置8仍应采用电机进行驱动转动。其余均与实施例二、四相同。

[0048] 实施例七。

[0049] 本实施例与实施例四的区别在于与进电电极6相连的压紧装置7既可直接与铣削主轴头17相连，由其带动作绕电极1的定距离回转运动，也可另外由一个带动其绕电极1往复摆动的驱动机构带动，该驱动机构可采用现有常用的往复运动机构(如曲柄回转装置等)加以实现。

[0050] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。