金刚石线锯锯切β-Ga2O3晶体应力场分析.pdf

作为典型的硬脆材料,氧化镓晶体(-Ga2O3)加工时易裂解。金刚石线锯是生产-Ga2O3晶片的主要方式,切片加工过程中会在晶片表面产生微裂纹损伤层,应力作用下微裂纹会发生扩展,导致材料破碎和断裂。本文建立了金刚石线锯多线切割-Ga2O3(010)晶面的有限元模型,研究了锯切过程中机械应力、热应力和热力耦合应力的分布变化规律,分析了锯丝速度、进给速度和恒速比下不同参数组合对热力耦合应力的影响。结果表明,锯切过程中锯切热产生的热应力占据热力耦合应力的主导地位,锯切力引起的机械应力占比较小,但机械应力会影响热力耦合应力的分布情况,锯丝速度和进给速度的增加会引起热力耦合应力的增加。关键词:-Ga2O3;金刚石线锯;有限元分析;热力耦合应力;机械应力;热应力中图分类号:O786;TQ133.5+1文献标志码:A文章编号:1000-985X(2023)08-1378-08Stress Field Analysis of Diamond Wire Sawing-Ga2O3CrystalLI Zongping1,CHENG Dameng2(1.Shandong Science and Technology Service Development Promotion Center,Jinan 250101,China;2.School of Mechanical Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China)Abstract:As a typical hard and brittle material,gallium oxide crystal(-Ga2O3)is easy to crack during processing.Diamondwire saw is the main way to produce-Ga2O3wafers.During the slicing process,a microcrack damage layer will be generatedon the surface of the wafer.Under the stress,the microcracks will expand,leading to material breakage and fracture.In thispaper,a finite element model of diamond wire sawing of-Ga2O3(010)crystal surface was established.The distribution ofmechanical stress,thermal stress,and thermal-mechanical coupling stress during the sawing process were studied.The effectsof sawing wire speed,feed speed and different parameter combinations under constant speed ratio on the thermal-mechanicalcoupling stress were analyzed.The research results show that:the thermal stress generated by sawing heat dominates thethermal-mechanical coupling stress during the sawing process;the mechanical stress caused by sawing force has a smallnumerical value and proportion,but it affects the distribution of thermal-mechanical coupling stress;increasing sawing wirespeed and feed speed will increase the thermal-mechanical coupling stress.Key words:-Ga2O3;diamond wire saw;finite element analysis;thermal-mechanical coupling stress;mechanical stress;thermal stress 收稿日期:2023-03-16 基金项目:国家重点研发计划(2022YFB3401902)作者简介:李宗平(1976),男,山东省人,助理研究员。E-mail:0 引 言氧化镓晶体(-Ga2O3)具有宽能隙,良好的导电性能和发光特性,以及优异的电子学、光学和热学性能,被广泛用于光电子、半导体、光电技术和电力电子等领域1-4。-Ga2O3是典型的硬脆材料,加工时易裂解。多位学者对-Ga2O3晶体的加工机理进行了研究。周海等2建立了单磨粒刻划-Ga2O3(010)晶面的弹性应力场模型,分析预测了刻划过程中-Ga2O3表面径向裂纹的成核位置和扩展方向。张杰群等3采用纳米压痕实验研究了-Ga2O3的断裂韧性。李晖等4探究了金刚石线锯工艺参数对切割-Ga2O3晶体表面质量的影响规律。采用金刚石线锯将-Ga2O3晶体切割成为晶片是生产各种高性能器件的重要环节。锯切过程中 第 8 期李宗平等:金刚石线锯锯切-Ga2O3晶体应力场分析1379会产生机械应力和热应力并发生相互耦合,并且应力场随锯切深度发生实时变化。因为锯切过程中材料发生脆性去除会在-Ga2O3晶片表面产生微裂纹,微裂纹在锯切应力的作用下发生扩展,显著影响晶片的断裂强度,引起晶片破碎和断裂5,所以对锯切过程中的实时应力场进行研究,理解锯切应力变化与分布规律,对减小晶片破碎率、提高锯切质量有重要意义。由于金刚石线锯加工的特殊性,加工过程中工件实时应力的分布与变化很难采用实验法直接检测,因此关于实时应力场的研究多采用有限元仿真方法。焦扬等6通过有限元的方法分析了金刚石线锯锯切 KDP晶体过程中应力场的分布变化规律。Wu 等7通过有限元法研究了单磨粒刻划作用下硅晶体的应力分布情况。对金刚石线锯锯切过程中应力的动态分布已进行大量研究,但其研究对象多为 Si、蓝宝石和 SiC 等材料,目前还未见针对-Ga2O3晶体的相关文章报道。本文建立了金刚石线锯多线切割-Ga2O3(010)晶面的有限元模型。研究了锯切过程中机械应力场、热应力场和热力耦合应力场的分布变化规律,分析了锯丝速度、进给速度和恒速比下不同参数组合对热力耦合应力场的影响,研究结果为优化工艺参数,提高加工质量提供了理论指导,探究锯切应力场的动态变化规律有助于理解锯切中的材料破碎和断裂问题。1 锯切力和热流密度模型1.1 锯切力理论模型金刚石线锯切割的过程是多颗磨粒刻划材料表面的过程。磨粒切入深度变化将产生材料塑性和脆性两种去除方式8,基于此,Cheng 等9建立了金刚石线锯锯切过程中的锯切力模型:FN=0.617 3Y tan 2-acos KN()vWvSLWRW,-2,-8()8,2()0.748 3K12C(1-v2)2C21E7889tan23 H43C19vWvS()89LWRW,-8,8()(1)FT=0.617 3 Y tan cot +aKTsin()vWvSLWRW,-2,-8()8,2()0.748 3cos +aKT2sin-asin cos KNK12C(1-v2)2C21E7889tan23 H43C19vwvs()89LWRW,-8,8()(2)式中:FN为工件受到的总法向锯切力;FT为工件受到的总切向锯切力;Y 为屈服强度;为磨粒的半锥角;a为界面摩擦系数;KN、KT为磨粒形状常数,当磨粒的半锥角 =55时,KN=1.138 2,KT=1.432 3;vW为进给速度;vS为锯丝速度;C 为磨粒密度;KC为材料的断裂韧性;H 为工件的硬度;v 为材料的泊松比;C1为无量纲常数;E 为材料的弹性模量;LW为锯丝与工件的接触长度;RW为锯丝的包络半径。并推导了脆性去除模式下法向载荷 pb和切向载荷 qb:pb=Kp1cos89qb=Kq1cos89(3)以及塑性去除模式下法向载荷 pd和切向载荷 qd:pd=Kp2cos qd=Kq2cos(4)式中:Kp1、Kq1、Kp2和 Kq2为载荷系数。1.2 热流密度理论模型加工过程中的热流密度可以定义为每单位面积加工的功率。热流密度 q(W/m2)可以表示为10q=PA(5)式中:P 为功率,P=12FTvS;A 为锯丝与工件之间的接触面积,A=LWRW;为无量纲系数,可以表示为1380研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷=LWsin,为线锯的弓角。2 有限元仿真2.1 仿真分析过程金刚石线锯的锯切过程中既有磨粒与材料之间相互作用产生的机械应力,还有锯切热量传导进工件内部引起的热应力,机械应力与热应力相互耦合产生最终的锯切应力。本文基于 ABAQUS 有限元分析软件采用顺序耦合的方法对-Ga2O3晶体的锯切过程中实时应力进行分析,即先计算锯切过程温度场的分布情况,再将温度场的计算结果作初始条件添加到应力场的计算模型中,有限元仿真的流程图如图 1所示。图 1 仿真流程图Fig.1 Simulation flowchart2.2 有限元模型图2 为金刚石线锯锯切-Ga2O3晶体的示意图,工件尺寸为20 mm 20 mm 20 mm,切片厚度为1 mm,设置锯缝宽度为 120 m,仿真模拟了 2 条锯缝形成 1 个切片的切割过程。锯丝沿 X 轴方向(100晶向)运动,平面 ABCD 为锯丝的出口面。同时相对于工件沿 Z 轴方向(001晶向)进给,切割的晶面为(010)。在锯口处施加法向和切向锯切载荷,如图 2 中的局部放大图所示。通过公式(3)和(4)计算得到不同工艺参数所对应的锯切载荷数值。图 3 为金刚石线锯锯切-Ga2O3晶体的有限元模型。-Ga2O3的材料属性如表 1 所示。环境温度设置为25,ABFE 表面设置完全固定边界条件,完整的锯切过程通过多个分析步实现,每步通过生死单元的方法去除一定深度的-Ga2O3材料。有限元模型中采用 2 种单元类型:1)用于热传递分析的八结点线性传热六面体单元 DC3D8;2)用于应力分析的八结点线性六面体单元 C3D8R。通过改变网格尺寸和个数进行了网格独立性验证,在考虑了计算成本和计算精度后最终确定单元个数为 165 536,并在锯缝位置对网格进行了加密处理,如图 3 所示。第 8 期李宗平等:金刚石线锯锯切-Ga2O3晶体应力场分析1381图 2 锯切-Ga2O3晶体几何示意图Fig.2 Geometric diagram of sawing-Ga2O3crystal图 3 锯切-Ga2O3晶体有限元模型Fig.3 Finite element model of sawing-Ga2O3crystal表 1-Ga2O3晶体材料属性4Table 1 Material properties of-Ga2O3crystal4ParameterValueDensity/(tmm-3)5.945 10-9Elastic modulus/MPaE010=195 700Poisson ratiov010=0.27Coefficient of thermal expansion/K-1010=5.45 10-6Thermal conductivity/(Wm-1K-1)010=28.0Specific heat capacity/(Jkg-1K-1)c010=472Fracture toughness/(MPam1/2)KIC010=0.769Hardness/GPaHV010=6.553 结果与讨论3.1 锯切机械应力分析了锯丝速度为 1 200 m/min、进给速度为1.2 mm/min 时的机械应力场。锯切深度为3 mm 时,锯切力引起的最大主应力云图如图4 所示。在锯切位置应力较大,此时应力最大值为0.079 95 MPa,且应力呈对称分布,如锯口局部放大图所示。在底面仰视图中可以看出,锯丝出口处的应力明显大于锯丝入口处的应力,这是因为出口处的工件所受周围材料的阻力小,产生较大的应变,从而应力值大于入口处,所以本文主要1382研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷提取了锯丝出口处的最大主应力值,即图 2 和图 3 中 ABCD 面上的最大应力值。图 4 锯切力产生的机械应力云图Fig.4 Mechanical stress nephogram generated by sawing force为了解锯切过程中机械应力的实时分布,提取了不同锯切深度的应力值,变化曲线如图 5 所示。从图中可以看出,锯切开始阶段机械应力迅速升高并趋于稳定,在锯切深度为 2 19 mm 时,应力虽有小幅度波动但整体趋于稳定,最大主应力约为 0.08 MPa,数值较小。3.2 锯切热应力3.2.1 锯切温度场图6 为3 mm 锯切深度时的温度场分布云图。对应的锯丝速度为 1 200 m/min,进给速度为 1.2 mm/min。温度场呈对称分布,锯口处的温度最高,并以该位置为中心呈波浪状向外递减。切片的温度更低,是因为两侧切缝的形成使得其与空气和冷却液的接触面积增大,加强了换热效率,温度下降更快。图 5 机械应力随锯切深度的变化曲线Fig.5 Variation of mechanical stress with sawing depth图 6 温度场分布云图Fig.6 Temperature field nephogram温度最大值随锯切深度的变化曲线如图 7 所示。锯切开始阶段,温度从室温 25 迅速增加至 29。随着锯切深度的增加,切削液可以浸入到锯切产生的切片表面从而带走更多的热量,使温度下降至约27。在稳定锯切阶段温度是恒定的,说明锯切产生的热量与空气、冷却液的散热达到了动态平衡。第 8 期李宗平等:金刚石线锯锯切-Ga2O3晶体应力场分析13833.2.2 热应力温度的升高导致材料发生膨胀,相互挤压产生热应力。锯丝速度为1 200 m/min,进给速度为 1.2 mm/min对应的热应力云图如图 8 所示。应力的最大值依然在锯口位置,不过与图 4 对比可以发现热应力的数值远大于机械应力,此时的热应力最大值为 1.225 MPa。热应力场分布区域较大,将增加切片表面微裂纹的扩展趋势,增大切片破碎的概率。图 7 锯切温度随锯切深度的变化曲线Fig.7 Variation of sawing temperature with sawing depth图 8 热应力云图Fig.8 Thermal stress nephogram热应力随锯切深度的变化曲线如图 9 所示。热应力最大值约为 2 MPa,出现在锯切深度为 1 mm 处,对应于图 7 中锯切温度最大处。随着锯切深度的增加,热应力呈现下降的趋势。这是因为锯缝的产生使材料拥有更大的膨胀空间,材料之间的相互挤压程度相对减弱。3.3 热力耦合应力同时考虑机械应力与热应力的影响,分析了锯丝速度为1 200 m/min 和进给速度为1.2 mm/min 时的热力耦合应力,图 10 为应力云图。云图的分布情况与热应力云图相似,但数值上热力耦合应力更大。锯切深度为3 mm 时的热力耦合应力最大值为1.256 MPa。另一方面切片上的深橘色范围有所扩大,说明机械应力数值虽低,但影响了热力耦合应力场的分布。图 9 热应力随锯切深度的变化曲线图Fig.9 Variation of thermal stress with sawing depth图 10 热力耦合应力分布云图Fig.10 Thermo-mechanical coupling nephogram图 11 对比了机械应力、热应力和热力耦合应力随锯切深度的变化曲线。热应力与热力耦合应力的变化趋势几乎相同,且数值上相差很小。相对而言机械应力数值很小,说明在热力耦合应力中热应力占据主导地位。但是热力耦合应力的分布范围较热应力更广,切片表面更大范围的微裂纹会受到热力耦合应力的影响。3.4 锯切参数对热力耦合应力的影响本节探究了锯丝速度、进给速度和恒速比下不同参数组合对热力耦合应力的影响,各因素的影响结果如图 12 所示。当进给速度为 1.2 mm/min 时,对比了锯丝速度 1 200、1 600、2 000 和 2 400 m/min 的仿真模拟结果,如图 12(a)所示。随着锯丝速度的增加,热力耦合应力值越来越大。锯线速度为 2 400 m/min 时的热力耦合1384研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷图 11 应力对比图Fig.11 Comparison of stress curves应力最大值达到 3 MPa,相比 1 200 m/min 时增加了约1 MPa。这是因为锯丝速度的增加导致单位时间内参与切削的磨粒数大幅增加,此时锯切所需功率增加,更多热量的产生带来更大的应力。锯丝速度为 2 400 m/min 时,对比了进给速度 1.5、1.8 和 2 mm/min 的热力耦合应力值,结果如图 12(b)所示。热力耦合应力值随着进给速度的增加而增加。当进给速度从 1.5 mm/min 增加至 2 mm/min 时,热力耦合应力最大值从 3.5 MPa 增加至 4.4 MPa。进给速度提高使得磨粒平均切入材料的深度增加,这不仅仅造成锯切力的升高还导致单位时间内去除材料的体积也增加,从而产生更多的锯切热量,带来更大的热应力。这些方面综合导致热力耦合应力的增大。磨粒切入深度的增加使得切片表面的微裂纹密度和深度也进一步增加,提高了切片过程中破碎的风险。最后分析了恒速比条件下,不同锯切参数组合对热力耦合应力的影响,结果如图 12(c)所示。保持锯丝速度与进给速度比值不变(1 200 m/min)/(1 mm/min)、(1 800 m/min)/(1.5 mm/min)、(2 400 m/min)/(2 mm/min)的情况下,锯丝速度和进给速度的数值越大产生的热力耦合应力值越大。(1 200 m/min)/(1 mm/min)对应的热力耦合应力最大值为2.1 MPa,(2 400 m/min)/(2 mm/min)对应的热力耦合应力最大值增加至 4.4 MPa。因为锯丝速度和进给速度的增加使锯切效率升高,材料去除率增大,这将增加锯切过程所需功率,产生更多的热量,引起更大的热应力。又因为热应力在热力耦合应力中占据主导地位,最终导致热力耦合应力的增加。所以锯丝速度与进给速度比值不变的情况下,锯丝速度和进给速度的数值越大,切片表面微裂纹所承受的应力载荷越大,破碎的风险也越大。图 12 锯丝速度(a)、进给速度(b)和恒速比条件下不同锯切参数组合(c)对热力耦合应力的影响Fig.12 Effect of saw wire speed(a),feed speed(b)and different sawing parameter combinations under constant speed ratioconditions(c)on thermo-mechanical coupling stress 第 8 期李宗平等:金刚石线锯锯切-Ga2O3晶体应力场分析13854 结 论本文采用有限元分析方法对金刚石线锯锯切-Ga2O3(010)晶面过程中的实时应力场分布进行了分析,具体结论如下:1)锯丝速度为 1 200 m/min,进给速度为 1.2 mm/min 时,3 mm 锯切深度位置处的机械应力、热应力和热力耦合应力分别为 0.079 95 MPa、1.225 MPa 和1.256 MPa。锯切过程中由锯切力引起的机械应力数值虽小,但会影响热力耦合应力的分布。锯切热产生的热应力占据热力耦合应力的主导地位,因此保证锯切区冷却液的良好冷却效果对减少锯切热量、提高锯切质量有着重要作用。2)锯丝速度和进给速度的增加会引起热力耦合应力的增加。进给速度为 1.2 mm/min 时,锯丝速度从1 200 m/min 增加至 2 400 m/min,锯切热力耦合应力最大值增加了约 1 MPa;锯丝速度为 2 400 m/min 时,进给速度从 1.5 mm/min 增加至 2 mm/min,锯切热力耦合应力最大值从 3.5 MPa 增加至 4.4 MPa。保持锯丝速度与进给速度的比值恒定,当工艺参数组合从(1 200 m/min)/(1 mm/min)增加至(2 400 m/min)/(2 mm/min),锯切过程中热力耦合应力最大值从 2.1 MPa 增加至 4.4 MPa,在提高锯切效率的同时使材料亚表面加工微裂纹扩展的概率增加。参考文献1 吴 成,李军,侯天逸,等.抛光垫及抛光液对固结磨料抛光氧化镓晶体的影响J.金刚石与磨料磨具工程,2022,42(6):720-727.WU C,LI J,HOU T Y,et al.Effect of pad and slurry on fixed abrasive polishing of gallium oxide crystalJ.Diamond&AbrasivesEngineering,2022,42(6):720-727(in Chinese).2 周 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