超声辅助电化学机械抛光仿真与实验研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wcqadam
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碳化硅作为新一代半导体材料,具有优越的电学性能,包括宽禁带、高击穿电场、高饱和漂移速度和高热导率,这些特征使得SiC器件可以工作在高温、高功率和高频等特殊条件下。同时碳化硅具有硬度高、脆性大、抗冲击性差等特点,使其加工难度极大,现有加工方法存在着加工质量不够高或者效率较低的缺点。  超声辅助电化学机械抛光是一种复合了超声振动、电化学以及磨粒机械作用的综合型抛光技术,流场状态复杂且抛光机理尚不明确。通过对其抛光过程进行流场、温度场、电化学场仿真分析与实验研究,得到不同工艺参数对抛光过程的影响规律,为碳化硅的高效超精密加工提供重要的理论指导。  首先是流场仿真分析,建立fluent流场模型,分析超声振动的振幅、频率、流场膜厚以及带孔抛光垫等因素对流场绝对压强、流速、气含率以及试件磨损量等参数的影响规律。结果表明:空化作用主要发生在试件下表面,边缘较弱且会受到流体和磨粒反复“冲刷”;振幅、频率、膜厚对流场性能有重要影响,存在最优值;磨粒种类、直径以及浓度对磨粒磨损效果有重要影响;带孔抛光垫能够起到缓冲作用,使流场性能更加平稳,有利于加工质量的稳定。  然后进行温度场和电化学仿真,温度直接影响饱和蒸气压的改变,进而影响空化作用,电场的电压、电流密度、能量密度分布直接影响试件抛光过程中化学反应速率。电极的钝化与试件材料的溶解去除速率直接相关。结果表明:温度场变化过程中,摩擦热相对于试件与抛光液的冲击热很弱;试件表面附近的抛光液温度在上升过程中一直周期性波动,在波动中上升,开始稳定后波动逐渐减小;使用带孔抛光垫后,流场导电性能下降,电场参数在试件中形成环状分布,小孔处压降大,电流密度大;抛光液的浓度对电场各参数分布有着显著影响;外加电压较小时,试件表面易发生钝化,增大外加电压,电极钝化消失,试件表面电化学反应加快。  最后,改进实验机,通过对压力、摩擦力、流场电阻以及温度进行实时数据采集,获得超声振动、直流电压、磨粒悬浮液等因素的正交实验数据,进行分析。实验结果表明:加载力增大使得机械作用显著提高,去除率显著增大,但表面加工质量无法保证;其次催化剂、电场、超声振动使去除率和试件表面质量都有明显提高;使用绒布抛光垫后表面质量显著提高,同时去除率也明显降低。
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