專利名稱：高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電火花加工技術(shù)，尤其是一種半導(dǎo)體材料的電火花加工
技術(shù)，具體地說(shuō)是一種電阻率較高(不小于l&cm)的高阻半導(dǎo)體材料的隨
動(dòng)進(jìn)電電火花加工方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代信息社會(huì)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體材料因其具有對(duì)光、熱、電、磁 等外界因素變化十分敏感而獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，已成為尖端科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用最 為活躍的先進(jìn)材料，特別是在通訊、家電、工業(yè)制造、國(guó)防工業(yè)、航空、航 天等領(lǐng)域中具有十分重要的作用。最典型的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等。
但到目前為止，半導(dǎo)體材料的加工仍是一件十分困難的事情，因?yàn)樗鼈?最突出的一個(gè)特性就是脆性高，斷裂韌性低，材料的彈性極限和強(qiáng)度非常接 近。當(dāng)所承受的載荷超過(guò)彈性極限時(shí)就發(fā)生斷裂破壞，在己加工表面產(chǎn)生裂 紋，嚴(yán)重影響其表面質(zhì)量和性能，所以半導(dǎo)體材料的可加工性極差。
放電加工技術(shù)不依靠機(jī)械能，而是利用電能蝕除材料，因此可以加工任 何硬度、強(qiáng)度、韌性、脆性的材料，且專長(zhǎng)于加工復(fù)雜、微細(xì)表面和低剛度 零件。盡管如此，由于傳統(tǒng)放電加工技術(shù)要求材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，半 導(dǎo)體雖然具有一定的導(dǎo)電性，但是它的電阻率要比金屬材料高出3 4個(gè)數(shù)量 級(jí)，且其電特性十分特殊，以往對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行的普通放電加工一般都局限在 低電阻率范圍，對(duì)于較高電阻率的半導(dǎo)體材料放電加工十分困難甚至無(wú)法加 工。其原因主要是與半導(dǎo)體材料的特殊電特性有關(guān)。對(duì)于放電加工過(guò)程而言， 加工對(duì)象通常被看作是電路的一個(gè)元器件，組成整個(gè)回路。例如對(duì)導(dǎo)電性能 良好金屬進(jìn)行電火花線切割，金屬通常被認(rèn)為沒(méi)有電阻，而它的電學(xué)特性只 與放電端接觸部分介質(zhì)性質(zhì)以及電源的負(fù)載特性有關(guān)。但對(duì)于半導(dǎo)體材料放 電加工，首先，半導(dǎo)體材料本身具有一定的電阻率，致使其體電阻不能忽略，并且體電阻還隨著電極與半導(dǎo)體材料的接觸面積、與進(jìn)電端的相對(duì)位置、半 導(dǎo)體的體積大小等因素而改變，因此導(dǎo)致現(xiàn)在半導(dǎo)體材料尤其是電阻率在
1Q ，cm以上的材料采用普通放電加工效率特別低甚至不能加工；其次，在 對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行放電加工時(shí)，由于使用的工作介質(zhì)具有一定導(dǎo)電性，以及在接 觸面存在接觸勢(shì)壘及接觸電阻，因此會(huì)在進(jìn)電接觸點(diǎn)形成局部陰、陽(yáng)極，一 旦回路通電且陰、陽(yáng)極間存在電介質(zhì)，必然會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，形成不導(dǎo)電 的鈍化膜，致使進(jìn)電接觸點(diǎn)接觸電阻在加工過(guò)程中陡然增加，阻礙電能的輸 入，使加工無(wú)法延續(xù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)半導(dǎo)體材料在放電加工中兩極間體電阻會(huì)產(chǎn)生變化 及在放電加工中體現(xiàn)出的放電過(guò)程中由于電化學(xué)作用會(huì)在進(jìn)電接觸點(diǎn)形成不 導(dǎo)電的鈍化膜，使進(jìn)電點(diǎn)接觸電阻在加工過(guò)程中陡然增加，阻礙電能的輸入， 致使加工無(wú)法延續(xù)的問(wèn)題，發(fā)明的一種高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加 工方法，同時(shí)針對(duì)不同的加工要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的具有通用性的加工裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案之一是
一種高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工方法，其特征是在電火花加 工過(guò)程中使與被加工半導(dǎo)體材料相接觸的進(jìn)電電極與加工用的放電電極之間 的相對(duì)位置保持不變，同時(shí)使所述進(jìn)電電極與半導(dǎo)體表面相接觸的觸點(diǎn)作繞 進(jìn)電電極軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或繞放電電極的單向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或繞放電電極的往復(fù) 擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)以消除進(jìn)電電極與半導(dǎo)體接觸表面產(chǎn)生的不導(dǎo)電鈍化膜。
在所述的電火花加工過(guò)程中使用的放電加工介質(zhì)為水溶性冷卻液或油類 冷卻油；進(jìn)電電極與半導(dǎo)體材料接觸區(qū)域采用液體或氣體進(jìn)行冷卻。
所述的每個(gè)進(jìn)電電極通過(guò)彈性裝置與半導(dǎo)體材料表面始終保持接觸。
所述的放電電極為旋轉(zhuǎn)電極、成型電極、單線或多線電極絲中的一種。
本發(fā)明的技術(shù)方案之二是.
一種高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工裝置，包括放電電極5、脈 沖電源2和放置被加工半導(dǎo)體材料3的絕緣工作臺(tái)4，脈沖電源2的一極與 放電電極5相接觸，脈沖電源2的另一極與進(jìn)電電極6相連，進(jìn)電電極6與
4被加工半導(dǎo)體材料3的表面相接觸，其特征是所述的進(jìn)電電極6安裝在壓緊 裝置7上，壓緊裝置7與帶動(dòng)繞進(jìn)電電極6軸線旋轉(zhuǎn)并保持與放電電極5距 離不變的旋轉(zhuǎn)裝置8或與帶動(dòng)進(jìn)電電極6繞放電電極5回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)并保持與 放電電極5之間距離不變的驅(qū)動(dòng)裝置相連。
所述的放電電極5為單線或多線電極絲，此時(shí)，所述的旋轉(zhuǎn)裝置8由電 機(jī)9帶動(dòng)，在所述的絕緣工作臺(tái)4上或一側(cè)或兩側(cè)還分別安裝有進(jìn)電冷卻系 統(tǒng)IO及放電冷卻系統(tǒng)11。進(jìn)電冷卻系統(tǒng)IO可采用液體或氣體進(jìn)行冷卻，，放 電冷卻系統(tǒng)11可采用水溶性冷卻液或油類冷卻油進(jìn)行冷卻。
所述的放電電極5為能上下移動(dòng)的主軸頭12帶動(dòng)的成型電極13。
所述的放電電極5為由既能旋轉(zhuǎn)又能上下移動(dòng)的電火花銑削主軸頭14 帶動(dòng)的銑削電極l。
本發(fā)明的有益效果
1) 本發(fā)明通過(guò)保持兩極間的相對(duì)位置恒定，從而維持極間體電阻不變， 減少了體電阻變化對(duì)放電加工的影響。
2) 本發(fā)明通過(guò)旋轉(zhuǎn)電極對(duì)半導(dǎo)體材料表面具有一定壓力的旋轉(zhuǎn)擦刮作 用，并配合噴氣或噴液等冷卻措施，可以不斷將進(jìn)電接觸點(diǎn)可能因電化學(xué)作 用所產(chǎn)生的鈍化膜刮除，使進(jìn)電端始終維持較低及恒定的接觸勢(shì)壘和接觸電 阻，降低原固定進(jìn)電接觸方式因在進(jìn)電接觸點(diǎn)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，形成不導(dǎo)電 的鈍化膜，使進(jìn)電點(diǎn)接觸電阻在加工過(guò)程中陡然增加，阻礙電能的輸入，使 加工無(wú)法延續(xù)的現(xiàn)象發(fā)生。
3) 本發(fā)明不僅可以采用改進(jìn)的脈沖電源使得現(xiàn)有的晶體硅、單晶鍺的放 電加工問(wèn)題得以解決，而且還可以將該方法拓展到對(duì)其它半導(dǎo)體及陶瓷功能 材料如氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等的放電加工方面。
4) 本發(fā)明還可以將該原理拓展到半導(dǎo)體材料多線電極電火花線切割、電 火花成型加工、電火花銑削加工等方面，進(jìn)一步拓展放電加工的機(jī)理研究及 其應(yīng)用范圍，為半導(dǎo)體材料的加工提供新的工藝方法及產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路。


圖1是本發(fā)明的高阻半導(dǎo)體材料單線電火花線切割加工裝置示意圖。
5圖2是本發(fā)明的高阻半導(dǎo)體材料多線電火花線切割加工裝置示意圖。 圖3是本發(fā)明的高阻半導(dǎo)體材料電火花成型加工裝置示意圖。 圖4是本發(fā)明的高阻半導(dǎo)體材料電火花銑削加工裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。 實(shí)施例一。
一種高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工方法，該方法的關(guān)鍵在鬼火 花加工過(guò)程中使與被加工半導(dǎo)體材料相接觸的進(jìn)電電極與加工用的放電電極 之間的相對(duì)位置保持不變，同時(shí)使所述進(jìn)電電極與半導(dǎo)體材料表面相接觸的 觸點(diǎn)作繞進(jìn)電電極軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或繞放電電極的單向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或繞放電電 極的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)以消除進(jìn)電電極與半導(dǎo)體材料接觸表面產(chǎn)生的不導(dǎo)電鈍化 膜。
具體地說(shuō)就是
1) 使進(jìn)電電極與放電電極保持相對(duì)固定的位置關(guān)系，并盡可能縮短兩極 間相對(duì)距離，以減少兩電極間的體電阻。
2) 使進(jìn)電電極與半導(dǎo)體材料之間以一定壓力保持某種相對(duì)運(yùn)動(dòng)(如旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)或往復(fù)定角度擺動(dòng))，以及時(shí)消除接觸表面可能產(chǎn)生的不導(dǎo)電鈍化膜。
3) 放電加工介質(zhì)可以采用水溶性冷卻液或油類冷卻油進(jìn)行冷卻。
4) 進(jìn)電電極與半導(dǎo)體材料接觸區(qū)域可采用液體或氣體進(jìn)行冷卻。 實(shí)施例二。
如圖l所示。
一種高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花線切割裝置，包括電極絲5 (采 用單線電極絲)、脈沖電源2和放置被加工半導(dǎo)體材料3的絕緣工作臺(tái)4，脈 沖電源2的一極通過(guò)導(dǎo)電塊15與電極絲5相接觸，電極絲5由儲(chǔ)絲筒帶動(dòng)經(jīng) 上下線架及上下導(dǎo)輪定位后對(duì)半導(dǎo)體材料3進(jìn)行切割，如圖1，脈沖電源2 的一極與進(jìn)電電極6相連，進(jìn)電電極6通過(guò)所述的觸點(diǎn)與被加工半導(dǎo)體材料 3的表面相接觸，進(jìn)電電極6安裝在壓緊裝置7(可采用由彈簧及固定架組成 的結(jié)構(gòu))上，并通過(guò)壓緊裝置7始終壓緊在被加工半導(dǎo)體材料3的表面上，壓緊裝置7與帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)并保持與電極絲5距離不變的旋轉(zhuǎn)裝置8相連，該 旋轉(zhuǎn)裝置8 (可為一根轉(zhuǎn)軸)由電機(jī)9帶動(dòng)，電機(jī)9安裝在電機(jī)座16上，電 機(jī)9可采用調(diào)速電機(jī)或帶調(diào)速裝置的電機(jī)。此外，為對(duì)加工極間進(jìn)行冷卻并 防止進(jìn)電電極發(fā)熱，整個(gè)裝置還應(yīng)安裝有進(jìn)電冷卻系統(tǒng)10及放電冷卻系統(tǒng) 11，進(jìn)電冷卻系統(tǒng)10及放電冷卻系統(tǒng)11可安裝在絕緣工作臺(tái)4的上面、一 側(cè)或兩側(cè)，進(jìn)電冷卻系統(tǒng)10可采用液體或氣體進(jìn)行冷卻，放電冷卻系統(tǒng)ll 可采用水溶性冷卻液或油類冷卻油進(jìn)行冷卻。
實(shí)施例三。
如圖2所示。
本實(shí)施例與實(shí)施例二的區(qū)別僅在于電極絲5為多線電極，對(duì)應(yīng)的進(jìn)電電 極6的數(shù)量也相應(yīng)增加，所構(gòu)成的進(jìn)電區(qū)域長(zhǎng)度與切割的區(qū)域長(zhǎng)度相等或略 長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)裝置8的數(shù)量與進(jìn)電電極數(shù)量相等，這種結(jié)構(gòu)的加工方法，加工效 率較高，但系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，尤其是其中的旋轉(zhuǎn)裝置8相對(duì)要復(fù)雜得多。
實(shí)施例四。
如圖3所示。
本實(shí)施例是本發(fā)明的方法和裝置在電火花成型加工領(lǐng)域的一個(gè)具體應(yīng) 用，它與實(shí)施例一的區(qū)別在于放電電極5采用的是能上下移動(dòng)的成型電極， 由圖3可看出，此時(shí)帶動(dòng)壓緊裝置7轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)進(jìn)電電極6轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)裝 置8也應(yīng)采用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其余均與實(shí)施例二相同。
實(shí)施例五。
本實(shí)施例與實(shí)施例四的區(qū)別在于與進(jìn)電電極6相連的壓緊裝置7由一個(gè) 帶動(dòng)其繞成型電極等距離回轉(zhuǎn)或往復(fù)擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可采 用現(xiàn)有常用的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例六。
如圖4所示。
本實(shí)施例是本發(fā)明的方法和裝置在電火花銑削加工領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新性 應(yīng)用，它與實(shí)施例一的區(qū)別在于放電電極5采用的是能旋轉(zhuǎn)進(jìn)行電火花銑削 加工的簡(jiǎn)單形狀的電極l，由圖4可看出，此時(shí)帶動(dòng)壓緊裝置7轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶
7動(dòng)進(jìn)電電極6轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)裝置8仍應(yīng)采用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。其余均與實(shí)施 例二、四相同。 實(shí)施例七。
本實(shí)施例與實(shí)施例四的區(qū)別在于與進(jìn)電電極6相連的壓緊裝置7既可直 接與銑削主軸頭17相連，由其帶動(dòng)作繞電極1的定距離回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也可另外 由一個(gè)帶動(dòng)其繞電極1往復(fù)擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可采用現(xiàn)有常 用的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如曲柄回轉(zhuǎn)裝置等)加以實(shí)現(xiàn)。
以實(shí)現(xiàn)(
權(quán)利要求
1、一種高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工方法，其特征是在電火花加工過(guò)程中使與被加工半導(dǎo)體材料相接觸的進(jìn)電電極與加工用的放電電極之間的相對(duì)位置保持不變，同時(shí)使所述進(jìn)電電極與半導(dǎo)體材料表面相接觸的觸點(diǎn)作繞進(jìn)電電極軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或繞放電電極的單向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或繞放電電極的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)以消除進(jìn)電電極與半導(dǎo)體材料接觸表面產(chǎn)生的不導(dǎo)電鈍化膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工方法，其特 征是在所述的電火花加工過(guò)程中使用的放電加工介質(zhì)為水溶性冷卻液或油類 冷卻油；進(jìn)電電極與半導(dǎo)體材料接觸區(qū)域采用液體或氣體進(jìn)行冷卻。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工方法，其特 征是所述進(jìn)電電極通過(guò)彈性器件與半導(dǎo)體材料表面始終保持可靠接觸。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工方法，其特 征是所述的放電電極為旋轉(zhuǎn)電極、成型電極、單線或多線電極絲中的一種。
5、 一種高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工裝置，包括放電電極(5)、脈 沖電源(2)和放置被加工半導(dǎo)體材料(3)的絕緣工作臺(tái)(4)，脈沖電源(2) 的一極與放電電極(5)相連接，脈沖電源(2)的另一極與進(jìn)電電極(6)相 連，進(jìn)電電極(6)與被加工半導(dǎo)體材料(3)的表面相接觸，其特征是所述 的進(jìn)電電極(6)安裝在壓緊裝置(7)上，壓緊裝置(7)與帶動(dòng)繞進(jìn)電電極(6)軸線旋轉(zhuǎn)并保持與放電電極(5)距離不變的旋轉(zhuǎn)裝置(8)或與帶動(dòng)進(jìn) 電電極(6)繞放電電極(5)回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)并保持與放電電極(5)之間距離不 變的驅(qū)動(dòng)裝置相連。
6、根據(jù)權(quán)利要求5高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工裝置，其特征是 所述的放電電極(5)為單線或多線電極絲，此時(shí)，所述的旋轉(zhuǎn)裝置(8)由 電機(jī)(9)帶動(dòng)，在所述的絕緣工作臺(tái)(4)上或一側(cè)或兩側(cè)還分別安裝有進(jìn) 電冷卻系統(tǒng)(10)及放電冷卻系統(tǒng)(11)。 -
7、 根據(jù)權(quán)利要求5高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工裝置，其特征是所 述的放電電極(5)為能上下移動(dòng)的主軸頭(12)帶動(dòng)的成型電極(13)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工裝置，其特征是所 述的放電電極(5)為由既能旋轉(zhuǎn)又能上下移動(dòng)的電火花銑削主軸頭(14)帶 動(dòng)的電極(1)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高阻半導(dǎo)體材料的隨動(dòng)進(jìn)電電火花加工方法及裝置，其關(guān)鍵是在電火花加工過(guò)程中使與被加工半導(dǎo)體材料相接觸的進(jìn)電電極與加工用的放電電極之間的相對(duì)位置保持不變，同時(shí)使所述進(jìn)電電極的與半導(dǎo)體材料表面相接觸的觸點(diǎn)作繞進(jìn)電電極軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或繞放電電極的單向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或繞放電電極的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)以消除進(jìn)電電極與半導(dǎo)體接觸表面產(chǎn)生的不導(dǎo)電鈍化膜。本發(fā)明首先可以使半導(dǎo)體材料放電加工極間的體電阻維持不變，并能防止鈍化膜的產(chǎn)生，使進(jìn)電端始終維持較低及恒定的接觸勢(shì)壘和接觸電阻，降低原固定進(jìn)電接觸方式因在進(jìn)電接觸點(diǎn)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，形成不導(dǎo)電的鈍化膜，致使進(jìn)電點(diǎn)接觸電阻在放電加工過(guò)程中陡然增加，阻礙電能的輸入，使加工無(wú)法延續(xù)的現(xiàn)象發(fā)生。
文檔編號(hào)B23H7/00GK101508042SQ20091002997
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者劉志東, 劉正塤, 煒 汪, 田宗軍, 邱明波, 黃因慧 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)