电火花加工单晶硅微结构的表面质量及成形精度

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230253

摘要/Abstract

摘要：

以电火花加工（EDM）P型单晶硅为实验对象，探究单晶硅加工表面的形貌特征及微观放电凹坑特性，揭示电火花加工单晶硅的材料去除机理，即应力蚀除作用大于熔化和气化蚀除作用.开展单晶硅微槽和微孔的加工工艺实验研究，探究电火花加工单晶硅微结构的成形精度、尺寸偏差、截面轮廓起伏高度和表面质量，揭示主要加工参数对电火花加工单晶硅的材料去除率、表面形貌、表面粗糙度的影响规律.

关键词: 单晶硅, 电火花加工, 微槽, 微孔, 表面形貌, 成形精度

Abstract:

Taking the electrical discharge machining （EDM） of P-type monocrystalline silicon as the experimental subject， the surface morphology features and microscopic discharge pit characteristics of the monocrystalline silicon were investigated. It was revealed that the material removal mechanism of the monocrystalline silicon is dominated by stress erosion， which is more significant than melting and vaporization erosion. An experimental research on EDM of monocrystalline silicon microstructures， including micro-grooves and micro-holes， was done to explore the forming accuracy， size deviations， fluctuation height of the cross-sectional profiles， and surface quality of the EDM-processed microstructures， revealing the influence of the main processing parameters on the material removal rate， surface morphology， and surface roughness of the EDM-processed monocrystalline silicon.

Key words: monocrystalline silicon, electrical discharge machining, micro-groove, micro-hole, surface morphology, forming accuracy

中图分类号:

TG 661

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图/表 11

图1 加工设备及工作原理图（a）—低速走丝电火花线切割机床CA20；（b）—电火花线切割放电蚀除原理.

Fig. 1 Experimental equipment and schematic diagram

表1 单晶硅微槽加工因素和水平

Table 1 Factors and levels for micro-groove of the monocrystalline silicon

因素	水平
因素	1	2	3	4
I_p/A	40	110	230	320
T_on/μs	4	6	13	15
F_w/N	9	12	15	16

图2 微细螺旋工具电极二维/三维形貌（a）—二维形貌；（b）—三维形貌.

Fig. 2 2D / 3D morphology of the micro-spiral tool

图3 电火花加工单晶硅表面形貌（a）—整体形貌；（b）—微槽剖面形貌；（c）—局部放大.

Fig. 3 Surface morphology of the monocrystalline silicon machined by EDM

图4 不同峰值电流下单晶硅低速走丝电火花加工表面形貌（a）—Ip=230 A；（b）—Ip=320 A.

Fig. 4 Surface morphology of the monocrystalline silicon machined by low-speed wire EDM with various Ip

图5 不同峰值电流下单晶硅低速走丝电火花线切割加工表面轮廓（a）—Ip=230 A；（b）—Ip=320 A.

Fig. 5 Surface roughness of the monocrystalline silicon machined by LS-WEDM with various Ip

图6 单晶硅低速走丝电火花线切割加工表面粗糙度和材料去除率（a）—峰值电流对Ra和RMR的影响；（b）—脉冲宽度对Ra和RMR的影响；（c）—电极丝张力对Ra和RMR的影响.

Fig. 6 Ra and RMR of the monocrystalline silicon machined by LS-WEDM

图7 电火花加工单晶硅微孔的出入口形貌（a）—第1个孔入口；（b）—第1个孔出口；（c）—第5个孔入口；（d）—第5个孔出口；（e）—第15个孔入口；（f）—第15个孔出口；（g）—第30个孔入口；（h）—第30个孔出口.

Fig. 7 Inlet and outlet morphology of the monocrystalline silicon micro-hole machined by EDM

图8 微孔出入口孔径尺寸的变化趋势

Fig. 8 Changed trend of the inlet and outlet diameters of the micro-holes

图9 单晶硅微孔加工后的微细螺旋电极（a）—加工后的微细螺旋电极；（b）—局部放大.

Fig. 9 Spiral microelectrode after fabricating the monocrystalline silicon micro-holes

图10 电火花加工单晶硅微孔剖面轮廓和三维形貌（a）—加工后的形貌；（b）—孔1的入口形貌；（c）—轮廓1入口截面；（d）—轮廓2出口截面；（e）—轮廓1孔壁截面；（f）—轮廓2孔壁截面.

Fig. 10 Cross-sectional profiles and three-dimensional surface of the micro-holes on the monocrystalline silicon machined by EDM

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