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作者：蔡志航广东工业大学

学位级别：硕士

以蓝宝石(AlO)、氮化镓(Ga N)、碳化硅(Si C)为代表的新一代光电晶片被广泛应用于微电子和光电子领域,在5G技术、人工智能、大数据等高新技术快速发展的21世纪发挥着重要作用。然而,新一代光电晶片材料的高硬度、高脆性以及化学惰性等... 详细信息

以蓝宝石(AlO)、氮化镓(Ga N)、碳化硅(Si C)为代表的新一代光电晶片被广泛应用于微电子和光电子领域,在5G技术、人工智能、大数据等高新技术快速发展的21世纪发挥着重要作用。然而,新一代光电晶片材料的高硬度、高脆性以及化学惰性等导致其超精密加工面临严峻的挑战。为实现光电晶片精密、高效、低损伤的超精密加工,本文提出变间隙动压磁流变超光滑平坦化加工技术方案,通过变间隙运动产生抛光压力动态变化、实时调控抛光过程中流体特性,提高抛光效果。为深入分析变间隙动压磁流变超光滑平坦化加工过程中的材料去除机理,以蓝宝石作为研究对象对不同的变间隙运动参数展开系统实验研究。首先,通过Kistler 9171A旋转式测力仪对变间隙动压磁流变超光滑平坦化加工过程中的抛光正压力进行了系统实验研究,分析不同变间隙参数对抛光正压力变化特性的影响。结果表明,在工件轴向低频振动作用下,抛光正压力出现脉冲正值和负值周期性动态变化;工件轴向低频挤压振动过程可以视作为下压过程与拉升过程的结合,下压速度和拉升速度对动态抛光力有不同的响应特性;随着最小加工间隙的减小抛光正压力会急剧增加;设置最小加工间隙停留时间观察抛光正压力变化,可以发现在工件最小加工间隙停留时间期间抛光力从峰值逐渐衰弱并逐渐趋于平稳;挤压振动幅值和最大间隙停留时间对抛光正压力影响较小;下压过程的分段进行并不改变磁链结构,对抛光正压力的最大值和最小值的影响不大,抛光正压力与加工间隙的相关性更强。其次,开展了变间隙动压磁流变超光滑平坦化加工工艺研究,并且优化了工艺参数。通过系统的单因素实验研究了不同磨料粒径、工件下压速度、工件拉升速度、挤压振动幅值、最小加工间隙、最小间隙停留时间以及最大间隙停留时间对抛光效果的影响,并获得了较优的工艺参数为:硅溶胶粒径60 nm、工件下压速度1 mm/s、工件拉升速度3.5 mm/s、挤压振动幅值1 mm、最小加工间隙1 mm。蓝宝石晶片经过90 min的加工,可以实现表面粗糙度均值从Ra 3.5 nm降低到Ra 0.328 nm,材料去除率达到5.37nm/min。最后,通过对不同工艺参数变间隙动压磁流变超光滑平坦化加工实验结果跟踪分析,掌握了材料去除率、加工表面形貌、表面粗糙度随时间的变化规律。结果表明,改变变间隙运动速度可以调控磁流变液的流场特性,采用合适的工件下压速度和工件拉升速度有利于提高工件的抛光效率和表面质量。结合实验结果建立了变间隙动压磁流变超光滑平坦化加工材料去除模型,弄清了在动态压力作用下磨料更新及其附加运动机制,研究了变间隙动压磁流变超光滑平坦化加工过程中磨料颗粒对工件表面柔性划擦和微量去除的作用机理。

关键词：光电晶片磁流变抛光变间隙动压抛光力平坦化加工

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磁流变变间隙动压平坦化加工力特性研究

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机械工程学报 2023年第1期59卷 231-241页

作者：阎秋生蔡志航潘继生广东工业大学机电工程学院广州510006

磁流变变间隙动压平坦化加工利用工件的轴向低频振动使磁流变液产生挤压强化效应,可以有效提高加工效果并使光电晶片快速获得纳米级表面粗糙度。通过旋转式测力仪试验研究不同变间隙参数对磁流变变间隙动压平坦化加工过程中抛光正压力... 详细信息

磁流变变间隙动压平坦化加工利用工件的轴向低频振动使磁流变液产生挤压强化效应,可以有效提高加工效果并使光电晶片快速获得纳米级表面粗糙度。通过旋转式测力仪试验研究不同变间隙参数对磁流变变间隙动压平坦化加工过程中抛光正压力的影响规律,结果表明,在工件轴向低频振动作用下,抛光正压力形成脉冲正值和负值周期性的动态变化过程;将工件轴向低频振动过程分解为下压过程与拉升过程,下压速度和拉升速度对动态抛光力有不同的响应特性;随着最小加工间隙的减小抛光正压力会急剧增大;设置最小加工间隙停留时间观察抛光正压力变化,可以发现在工件最小加工间隙停留期间抛光力从峰值逐渐衰减并趋于平稳;挤压振动幅值对抛光正压力影响较小。建立了磁流变变间隙动压平坦化加工材料去除模型,弄清了在动态压力作用下,磨料更新及其附加运动机制,研究了磁流变变间隙动压平坦化加工过程中磨料颗粒对工件表面柔性划擦和微量去除的作用机理,为磁流变变间隙动压平坦化加工的工艺优化提供了理论依据。

关键词：光电晶片磁流变抛光变间隙动压抛光力平坦化加工

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磁流变变间隙动压平坦化加工的工艺及机理

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金刚石与磨料磨具工程 2022年第4期42卷 488-494页

作者：阎秋生蔡志航潘继生黄蓓曾自勤广东工业大学机电工程学院广州510006

为提高光电晶片的磁流变抛光效率并实现其超光滑平坦化加工,提出其磁流变变间隙动压平坦化加工方法,研究不同变间隙条件下蓝宝石晶片的材料去除率和表面粗糙度随加工时间的变化,并分析磁流变变间隙动压平坦化加工机理。结果表明:通过蓝... 详细信息

为提高光电晶片的磁流变抛光效率并实现其超光滑平坦化加工,提出其磁流变变间隙动压平坦化加工方法,研究不同变间隙条件下蓝宝石晶片的材料去除率和表面粗糙度随加工时间的变化,并分析磁流变变间隙动压平坦化加工机理。结果表明:通过蓝宝石晶片对磁流变抛光液施加轴向低频挤压振动,其抛光压力动态变化且磁流变液产生挤压强化效应,使抛光效率与抛光效果显著提升。在工件下压速度为1.0 mm/s,拉升速度为3.5 mm/s,挤压振动幅值为1 mm条件下磁流变变间隙动压平坦化抛光120 min后,蓝宝石晶片的表面粗糙度Ra由6.22 nm下降为0.31 nm,材料去除率为5.52 nm/min,相较于恒定间隙磁流变抛光,其表面粗糙度降低66%,材料去除率提高55%。改变变间隙运动速度可以调控磁流变液的流场特性,且合适的工件下压速度和工件拉升速度有利于提高工件的抛光效率和表面质量。

关键词：磁流变抛光变间隙动压平坦化加工表面粗糙度材料去除率

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集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

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机械工程学报 2021年第19期57卷 230-238页

作者：阎秋生廖博涛路家斌付有志广东工业大学机电工程学院广州510006

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面... 详细信息

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明:集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电(1英寸=2.54 cm)集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。

关键词：集群磁流变抛光变间隙动压平坦化加工表面粗糙度材料去除率

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