Підвищення точності різання напівпровідникових монокристалів за рахунок зменшення нерівномірності натягу корпусу відрізного круга

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

"ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ"

УДК 621.922.34

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ РІЗАННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МОНОКРИСТАЛІВ ЗА РАХУНОК ЗМЕНШЕННЯ НЕРІВНОМІРНОСТІ НАТЯГУ КОРПУСУ ВІДРІЗНОГО КРУГА

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

ТАРАЩАНСЬКИЙ МАРК ТАНКУМОВИЧ

Донецьк - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Інформатизації електронної промисловості" Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник:

Єрошин Сергій Сергійович, доктор технічних наук, професор, Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля, м. Луганськ завідувач кафедри "Інформатизації електронної промисловості".

Офіційні опоненти:

Матюха Петро Григорович, доктор технічних наук, професор, Державний вищий навчальний заклад "Донецький національний технічний університет", м. Донецьк, завідувач кафедри "Металорізальні верстати та інструменти".

Тарасюк Анатолій Петрович, кандидат технічних наук, доцент, Українська інженерно-педагогічна академія, м. Харків, доцент кафедри "Виробничі процеси у машинобудуванні".

Провідна установа: Донбаська державна машинобудівна академія, кафедра "Металорізальні верстати та інструменти" Міністерства освіти та науки України, м. Краматорськ.

Захист відбудеться 26 квітня 2007 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.04 Державного вищого навчального закладу "Донецький національний технічний університет" за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 6-й навчальний корпус, аудиторія 6.202.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного вищого навчального закладу "Донецький національний технічний університет" за адресою: Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий 23 березня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Т.Г. Івченко.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Алмазні відрізні круги із внутрішньою ріжучою крайкою є одним з найпоширеніших інструментів для різання монокристалів напівпровідникових матеріалів при виготовленні підкладок інтегральних схем. При різанні таких матеріалів як сапфір, карбід кремнію і корунди, внаслідок незначної різниці в жорсткостях оброблюваного та інструментального матеріалів і, тому високих силових і температурних навантажень, використання алмазних відрізних кругів залишається поза конкуренцією.

Різання злитків напівпровідникових матеріалів на пластини є однією з основних операцій у технологічному циклі виробництва напівпровідникових виробів, яка визначає якість і ефективність усього технологічного процесу. В особливій мері це проявляється в умовах продиктованої економічними обставинами тенденції збільшення діаметрів розрізуваних злитків і жорсткості вимог до якості поверхні пластин.

Багаторічний досвід застосування алмазних відрізних кругів показав, що основними факторами, які впливають на точність різання та якість поверхні пластин, ширину пропила (багато в чому визначаючу економічність процесу різання), і стійкість інструмента, є величина і ступінь рівномірності натягу відрізного круга. Недостатній натяг приводить до виникнення дефектів геометрії пластин (неплощинності, прогину, розкиду по товщині) і збільшенню ширини пропилу, а надмірний натяг - до швидкого виходу круга з ладу через пластичні деформації і розрив корпуса. Нерівномірність натягу приводить до нерівномірного зношування відрізних кіл, до великого розкиду параметрів точності відрізуваних пластин і збільшенню ширини пропила.

В умовах реального виробництва, коли основні характеристики процесу різання злитків на пластини визначені існуючою технологією і наявним на виробництві обладнанням, єдиними параметрами, зміною яких можна впливати на якість кінцевої продукції процесу різання, є величина натягу відрізного круга і ступінь рівномірності натягу.

Підвищення точності різання злитків монокристалів на пластини є одним зі шляхів зменшення собівартості виготовлення підкладок напівпровідникових приладів. Тому задача підвищення точності відрізуваних пластин за рахунок зменшення ступеня нерівномірності натягу відрізного кола є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У Східноукраїнському національному університеті, починаючи з 1980 р., ведуться дослідження, присвячені вивченню і створенню високоефективних технологічних процесів різання злитків монокристалів напівпровідників на пластини. У поданій дисертації використані наукові та експериментальні результати, що отримані автором як співвиконавцем договірних науково-дослідних робіт "Исследование и разработка методов управления процессом разрезки слитков кремния" - Н-55-84, "Разработка математической модели и алгоритма управления процессом разрезки слитков кремния" - Н-002-86, "Исследование температурных и силовых факторов процесса разрезки хрупких материалов" - Н-018-87, "Повышение эффективности производства подложек" - Н-023-88 і "Разработка систем управления процессом разрезки" - Н-008-86.

Мета роботи і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення точності різання злитків напівпровідникових монокристалів алмазними відрізними кругами із внутрішньою ріжучою крайкою за рахунок зменшення нерівномірності натягу інструмента.

Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

дослідити залежність характеристик точності відрізуваних пластин від ступеня нерівномірності і величини натягу відрізного круга;

розробити математичну модель і методи розрахунку параметрів напружено-деформованого стану відрізного круга з урахуванням умов його закріплення і натягу;

розробити методику визначення вісної жорсткості відрізного круга при його рівномірному і нерівномірному натягу;

розробити рекомендації для вибору величини натягу відрізного круга;

дослідити згинальні коливання нерівномірно натягнутих відрізних кругів і розробити методику виміру величини нерівномірності натягу відрізного круга;

розробити технічні пристрої і методи вимірювання нерівномірності натягу відрізного круга, а також розробити технічні рекомендації для зменшення нерівномірності натягу відрізного круга;

експериментально перевірити підвищення точності різання напівпровідникових злитків як результат зменшення нерівномірності натягу.

Об'єкт досліджень - точність різання монокристалів алмазним відрізним кругом із внутрішньою ріжучою крайкою, який закріплено і розтягнуто у пристрою натягу.

Предмет досліджень - напружено-деформований стан відрізного круга, що виникає як результат його установлення і натягу в пристрою механічного натягу.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети і рішення сформульованих задач при дослідженні моделей напружено-деформованого стану корпусу відрізного круга використовувалися математичний апарат теорії пружності, методи теорії коливань і міцності елементів і вузлів конструкцій.

Експериментальні дослідження виконані в умовах діючого підприємства. При обробці експериментальних даних використані методи математичної статистики. Необхідні обчислення проведені за допомогою пакетів прикладних програм "Maple 9" і "Statistica 6"

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Точність відрізуваних пластин, ширина пропила, і стійкість відрізного круга визначаються величинами натягу і ступенем його нерівномірності, які забезпечують необхідну осьову жорсткість інструмента;

2. При нерівномірному натягу частота власних коливань відрізного кола з одним вузловим діаметром залежить від орієнтації вузлового діаметра щодо нерухомого круга.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Установлена теоретично та експериментально підтверджена залежність характеристик точності пластин від величини і ступеня нерівномірності натягу відрізного кола;

2. Розроблено та експериментально підтверджена математична модель нерівномірно натягнутого відрізного круга, у рамках якої введена кількісна характеристика ступеня нерівномірності натягу і вирішена задача плоского напружено-деформованого стану для кільцевої пластини при її нерівномірному натягу;

3. Уперше отримані точні рішення задачі про прогин рівномірно натягнутого відрізного круга під впливом осьового навантаження різного виду, що дозволили одержати вираз прогину відрізаних пластин як функції від жорсткості відрізного круга;

4. Запропоновано наближене рішення задачі про жорсткість відрізного круга при нерівномірному натягу і дана оцінка точності цього рішення;

5. Розроблено математичну модель врахування сил різання, на підставі якої запропонована методика вибору гранично припустимої величини натягу;

6. Уперше отримано співвідношення, що зв'язує частоти власних коливань нерівномірно натягнутого круга з відповідними частотами коливань рівномірно натягнутого круга, на підставі якого розроблені методики виміру нерівномірності натягу та її усування.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Обґрунтованість і вірогідність наукових положень і висновків забезпечується коректним використанням фундаментальних наукових тез, адекватністю розроблених математичних моделей, обґрунтованістю прийнятих допущень і погодженістю теоретичних висновків з результатами експериментальних досліджень. Вірогідність отриманих експериментальних даних забезпечується застосуванням атестованих вимірювальних засобів та апробованих методик виміру та обробки даних, відтворюваністю результатів.

Наукове значення роботи полягає у теоретичному обґрунтуванні можливості і принципів виміру нерівномірності натягу відрізного круга, у розробці моделей впливу величини натягу та його нерівномірності на основні параметри точності відрізаємих пластин. На підставі цих моделей створені методики вибору гранично припустимої величини натягу відрізного круга і виміру нерівномірності його натягу.

Практичне значення отриманих результатів:

1. На підставі розроблених математичних моделей запропонований і реалізований метод виміру нерівномірності натягу відрізного круга за допомогою приладу, що вимірює частоту коливань відрізного круга, установлюваного на верстаті і що дозволяє здійснювати моніторинг зазначеного параметра.

2. Запропоновано методику зменшення нерівномірності натягу відрізного круга, що дозволяє збільшити точність відрізаних пластин, зменшити величину розкиду їх геометричних параметрів, збільшити стійкість відрізного круга, запобігти його передчасний вихід з ладу, а також зменшити об'єм матеріалу, що йде у відходи і збільшити відсоток виходу пластин, придатних до використання.

3. Розроблено методику вибору найбільшої припустимої величини натягу, перевищення якої може привести до передчасного виходу кругів з ладу.

4. Розроблені методики зменшення нерівномірності натягу і вибору найбільшої припустимої величини натягу відрізного круга впроваджені на підприємствах ТОВ "Елма" м. Зеленоград (Росія) і ДВП ВАТ "Квазар" м. Київ, що підтверджено актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно, а саме:

1. Розроблено математичні моделі нерівномірно натягнутого відрізного круга;

2. Досліджено вплив величини натягу і величини нерівномірності натягу на параметри точності відрізуваних пластин, величину пропилу і стійкість інструмента;

3. Розроблено методику виміру нерівномірності натягу відрізного круга;

4. Розроблено рекомендації для вибору найбільшої припустимої величини натягу відрізного круга.

Апробація. Робота обговорювалася на семінарах кафедр "Опір матеріалів" і "Устаткування електронної промисловості" Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, на семінарі кафедри вищої математики Національного аерокосмічного університету "ХАІ", Харків 2004р. Результати роботи доповідалися на 6-ій і 12-ій Міжнародних науково-технічних конференціях "Фізичні й комп'ютерні технології в народному господарстві", Харків, 2002р. і 2006р., VIII Міжнародної науково-практичної конференції "Університет і регіон", Луганськ, 2002р. і 2-ой Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційна техніка й електромеханіка", Луганськ, 2003г, на семінарах ІНМ НАН України, Київ, 2003р.

Публікації по роботі. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані у 8 наукових статтях, 4 тезах доповідей на конференціях і захищені 3 авторськими свідоцтвами.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів і висновку. Робота викладена на 202 сторінках основного тексту і містить 13 сторінок списку літератури, із 129 найменувань, 50 рисунків, із них 1 на окремій сторінці, 16 таблиць і додаток, який містить акти впровадження.

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті ім. Володимира Даля.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Вступ містить загальну характеристику роботи. Обґрунтовано актуальність теми, формулюються мета, задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Відображені основні наукові положення і результати досліджень, які виносяться на захист. Наведено інформацію про структуру дисертації, публікаціях та апробації роботи.

Перший розділ "Аналіз визначальних факторів процесу алмазного різання напівпровідникових монокристалів" присвячений аналізу сучасного стану проблеми різання напівпровідникових монокристалів на пластини. Розглянуто застосовувані засоби різкі, які виникають у зв'язку із цим питанням, а також причини, що впливають на якість відрізуваних пластин.

Підготовка напівпровідникових підкладок є однією з основних операцій, яка визначає якість та ефективність усього технологічного процесу виробництва напівпровідникових виробів.

Накопичений досвід використання відрізних кругів дає підставу припускати, що основною причиною, яка приводить до істотних дефектів геометрії відрізуваних пластин і недостатньої стійкості відрізних кругів, є неправильний вибір величини натягу відрізного круга і нерівномірність його натягу. різання напівпровідниковий алмазний круг

Одним з найпоширеніших способів натягу є механічний натяг за допомогою натяжного кільця. Натяг здійснюється послідовним закручуванням натяжних гвинтів, що приводить до нерівномірності натягу відрізного круга. Таким чином, конструкція пристрою натягу є джерелом дефектів форми відрізуваних пластин, хоча саме можливістю регулювати величину натягу по різних напрямках і пояснюється широке застосування цього пристрою натягу.

Аналіз результатів досліджень напружено-деформованого стану алмазних відрізних кругів показав, що підходи, які застосовувалися дотепер, до рішення задач, обумовлених практикою застосування цих кругів, були спрямовані на використання обчислювальних засобів. Останнє суттєво звужує область застосування отриманих результатів. Крім того, практично незачепленою залишилася важлива сфера досліджень, спрямованих на визначення параметрів напружено-деформованого стану нерівномірно натягнутих кругів.

У зв'язку з необхідністю одержання загальних результатів поставлені мета і задача досліджень, викладені в загальній характеристиці роботи.

У другому розділі "Методологія роботи і методи досліджень" описана методологія роботи і методики теоретичних та експериментальних досліджень. Побудовано модель утворення погрішностей форми відрізуваних пластин для застосовуваної схеми різання (рис. 1). Ця модель заснована на понятті відхилення від

Рис. 1. Схема різання: 1 - відрізний круг; 2 - пристрій натягу; 3 - злиток прямолінійності різа (рис. 2), обумовленим кутом б на глибині врізання s.

Це дозволило вперше одержати аналітичну залежність, яка зв'язує осьову складову сили різання, твердість відрізного круга та його геометричні параметри з параметрами точності відрізуваних пластин.

Для величини прогину пластини g указана залежність має вигляд

де - радіус ріжучої крайки круга; _ радіус розрізуваного злитка; _ виліт круга, тобто різниця між внутрішнім радіусом затискного кільця і внутрішнім радіусом відрізного круга ; - середнє значення осьової складової сили різання і - прогин круга під дією одиничного навантаження.

Побудовано якісну модель впливу нерівномірності натягу відрізного круга на основні показники процесу різання напівпровідникових злитків на пластини.

Рис. 2. Відхилення від прямолінійності різа на глибині врізання .

Розроблено принципи виміру нерівномірності натягу відрізного кола. Сформульовано основні напрямки і методики теоретичних та експериментальних досліджень. Описано методики вимірів, що забезпечують репрезентативність експерименту і вірогідність його результатів. Наведений опис обладнання, інструментів і матеріалів, використовуваних для проведення необхідних експериментів.

У третьому розділі "Плоский напружено-деформований стан відрізних кругів при нерівномірному натягу" розглядається задача кількісної оцінки нерівномірності натягу відрізних кругів. Важливість цієї задачі обумовлена тим, що нерівномірності натягу проявляються у спотворенні круглої форми ріжучої крайки і нерівномірності її вісної твердості. З метою аналізу впливу нерівномірності натягу на параметри пружно-напруженого стану відрізного круга будується та експериментально підтверджується формальна модель нерівномірності натягу у відповідності з якою:

де - постійна складова, а - амплітуда змінної складової розтяжних зусиль і при цьому . Вводиться кількісна характеристика нерівномірності як , яка представляє собою відносну нерівномірність натягу.

Показано, що при відносній зміні натягу на кожній діаметрально розташованій парі натяжних гвинтів, що дорівнює , величина нерівномірності натягу залежно від числа таких пар може досягати величини:

Аналіз цього співвідношення показує, що величина найбільшої відносної нерівномірності повільно падає зі збільшенням числа і може досягати істотних значень, і тому необхідно мати врахування цієї величини при аналізі напружено-деформованого стану відрізного круга.

Відрізний круг являє собою гнучку кільцеву пластинку із зовнішнім радіусом а і внутрішнім b, навантажену по зовнішньому контуру розтяжними зусиллями .

При рівномірному натягу можна застосувати відоме рішення Ламе для товстостінних труб, за допомогою якого визначаються напруги, викликані силами натягу

.

Для випадку нерівномірного натягу виду були отримані співвідношення, що зв'язують нерівномірність натягу і нерівномірність напруг у наступному вигляді:

Для ортотропного матеріалу корпусу відрізного круга в припущенні слабкої анізотропії механічних властивостей при рівномірному натягу були отримані наступні вираження для напруг:

і другий доданок у кожному з виражень є внеском, який обумовлено анізотропією.

Таким чином, анізотропія матеріалу корпуса відрізного круга також приводить до нерівномірності розподілу напруг.

Крім того, отримані співвідношення, що дозволяють оцінити величину некруглості ріжучої крайки при нерівномірному натягу, що є одним з істотних параметрів процесу різання.

де - амплітуда радіальних переміщень ріжучої крайки при нерівномірному натягу, заданому законом , а - переміщення ріжучої крайки при рівномірному натягу q.

Звідси, виводяться наступні двосторонні оцінки, що дає можливість одержати практично важливу оцінку величини некруглості. Для холоднокатаного листа, з якого виготовляють відрізні круги, E?2•10⁵МПа, а q?10³МПа,

У четвертому розділі "Аналіз вісьової жорсткості відрізних кругів" проводиться дослідження осьової жорсткості відрізних кругів, що є основним показником працездатності інструмента. Рішення важливої для практики задачі визначення осьової жорсткості здійснюється на основі аналізу напруженодеформованого стану відрізного круга при різних видах осьового навантаження для випадків рівномірного і нерівномірного натягів.

У випадку гнучких пластин великого прогину маючих малу твердість на згин, можна знехтувати членами, пропорційними циліндричної жорсткості і тоді диференціальне рівняння прогину для рівномірно натягнутого відрізного круга буде мати вигляд:

де w(r,и) - величина прогину відрізного круга в точці, з координатами (r,и), b?r?a, 0?и?2р, h - товщина відрізного круга, а p=p(r,и) - величина навантаження, що діє перпендикулярно площині круга (рис. 3).

Рішення цього рівняння розглядується при крайових умовах і .

Рис. 3. Розрахункова схема прогину відрізного круга.

Для навантаження, що має вид , отримано загальне рішення цього рівняння у вигляді , де

,

а A і B - константи інтегрування. Розглянуто окремий випадок , для якого вираз для прогину має вигляд:

і .

Для нерівномірного натягу рівняння прогину має вигляд:

Наближене рішення цього рівняння отримано у вигляді:

де в області б?с?б+Д може бути записане як:

У цьому ж розділі розроблена математична модель, що дозволяє сформулювати умови вибору максимально припустимої величини натягу q з урахуванням напруг на ріжучій крайці, викликаних силами різання.

З огляду на те, що в процесі різання монокристалів, на ріжучій крайці крім напруг, викликаних натягом q, виникають ще напруги , обумовлені силами різання P, відповідно до умови Мизеса можна одержати співвідношення:

яке визначає максимально припустиму величину натягу q.

У цьому виразі невизначеною є величина , що залежить від режимів різання й кінематичної схеми різання. З метою збільшення осьової твердості відрізного круга натяг q необхідно вибирати максимально можливим.

Тому без урахування величини натяг q може бути обраним невиправдано високим, що може привести до пластичних деформацій ріжучої крайки і, як наслідок, до руйнування відрізного круга.

Модулюючи відрізний круг замкнутим круговим брусом малої кривизни, будемо розглядати хвилю, що поширюється уздовж деякого діаметру, за яким спрямована вісь X. При цьому рівняння руху для таких хвиль можуть бути записані у вигляді:

.

Тут E - модуль пружності, м-коефіцієнт Пуассона і с - щільність матеріалу відрізного круга. Вирішення цього рівняння приводить до наступного виразу:

,

де - нормальна складова сили різання, а.

Отримано також співвідношення, що зв'язує частоту власних коливань нерівномірно натягнутого круга із власними числами рівняння коливань для рівномірно натягнутого круга

На підставі цього виразу отримано співвідношення для визначення нерівномірності натягу відрізного круга по вимірах частот н₁, н₀ і н₂ власних коливань у трьох напрямках, обумовлених кутами, ,

н=2рf, ,

у деякій обраній системі координат. Це співвідношення має вигляд:

причому точність виміру відносної нерівномірності не гірше за точність виміру частоти.

У п'ятому розділі "Експериментальні дослідження впливу нерівномірності натягу відрізного круга на точність відрізаємих пластин" доводиться можливість побудови приладу для виміру частоти власних коливань відрізного круга з одним вузловим радіусом і одним вузловим діаметром.

Прилад реалізований як автоколивальна система, що збуджується на частоті, яка відповідає моді з одним вузловим діаметром. Блок схема приладу приведена на рис. 4.

Рис. 4. Блок схема приладу.

У цьому ж розділі приведено методики статистичної обробки експериментальних даних і визначення необхідного обсягу вимірів, яким забезпечується відтворюваність результатів вимірів.

Далі приведені результати експериментальних досліджень впливу нерівномірності натягу на основні показники: товщину відрізуваних пластин, ширину пропила, величину прогину пластин, повну зміну товщини, локальну неплощинність і стійкість відрізного круга.

Порівняльному статистичному аналізу підлягали протоколи вимірів для пластин, відрізаних кругами, натягнутими з використанням штатних методик і кругами, які були натягнуті із застосуванням запропонованих методик. Експериментальні дослідження проводилися на відрізних верстатах "Алмаз-6М" та "Алмаз-12М", призначених для автоматизованого розрізування заготівок алмазними кругами із внутрішньою ріжучою крайкою.

Розрізали заготівки кремнію електронного типу марки КЕФ-20 Ш100 мм і Ш150 мм на пластини орієнтації (111) товщиною 450 мкм для злитків Ш100 мм і 520 мкм для злитків Ш150 мм за допомогою відрізних кругів виробництва ВАТ "Контур" (м. Чебоксари), виконані згідно ТУ 11-90 МЯКЛ.284172.002ТУ, типорозмірів 422Ч136Ч0,36 мм і 690Ч235Ч0,35 мм характеристики АС 6 50/40, відрізних кругів фірми "Winter" S35D (D46) типорозмірів 422Ч153Ч0,26 мм і 690Ч203Ч0,35 мм, а також відрізних кругів фірми SMI (Semiconductor Materials, Inc.) SMI MARK III 2/1 (А 60) типорозмірів 422Ч153Ч0,29 мм і 690Ч240Ч0,33 мм.

Режими різання:

для кругів, призначених для різання злитків кремнію Ш100 мм щ_кр=2000-2100об/хв і радіальній подачі S=40-60мм/хв;

для кругів, призначених для різання злитків кремнію Ш150 мм щ_кр=1700-1800об/хв і радіальній подачі S=15-25мм/хв.

Для виміру геометричних параметрів відрізаних пластин - товщини, неплощинності і (TTV) використовувався безконтактний ємнісний прилад "FRT MicroProf^? TTV". Для запису профілю поверхні і виміру локальних характеристик використовувався прилад "Ultra Gage 9500" (ADE).

Важливим результатом проведеного експерименту є підтвердження отриманої аналітичної залежності прогину пластини від величини натягу відрізного круга.

Результати експериментів дозволяють із великою надійністю (p?0,95) стверджувати, що запропоновані методи вибору припустимої величини натягу і спосіб зменшення нерівномірності натягу приводять до:

1. Зменшення розкиду геометричних параметрів відрізуваних пластин і збільшенню числа пластин із заданими геометричними параметрами (типова картина представлена на гістограмі розподілу ширини пропилу (рис. 5));

2. Збільшення терміну служби відрізних кругів;

3. Зменшення числа кругів, що вийшли з ладу при натягу або підтягуванні;

4. Зменшенню ширини пропила, і, отже, зменшенню відходів дорогих матеріалів;

5. Збільшенню частки відрізаних пластин з високими характеристиками площинності.

Рис. 5. Гістограма розподілу ширини пропилу.

У шостому розділі "Впровадження результатів досліджень" запропонована методика виміру ступеню нерівномірності натягу відрізного круга і зменшення нерівномірності натягу до величини, що не перевищує 5 %, заснована на використанні приладу, описаного в попередньому розділі. Запропонована методика дає можливість одночасно натягувати круг до необхідної величини і зменшувати нерівномірність натягу до необхідних меж. На розроблену методику подана заявка на винахід (U2007.01.097).

Результати досліджень впроваджені на підприємстві ТОВ "ЕЛМА" м. Зеленоград і на підприємстві "Квазар" м. Київ. Очікуваний економічний ефект для ділянки різання, що складає 10 верстатів Алмаз 12М, становить $98 800 у рік. Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі при викладанні курсів "Основи проектування СТО" і "Розрахунок і конструювання", по кафедрі "Обладнання електронної промисловості" Східноукраїнського Національного університету ім. Володимира Даля.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення точності різання злитків монокристалів на пластини за рахунок зменшення нерівномірності натягу корпусу відрізного круга і розробки методів вибору величини натягу. У результаті проведених досліджень можна зробити наступні висновки:

Обґрунтовано та експериментально підтверджено факт впливу величини натягу і ступеню нерівномірності натягу не тільки на стійкість відрізних кругів, характеристики точності відрізуваних пластин, але також і на ширину пропила, і в остаточному підсумку на економічні показники процесу різання напівпровідникових монокристалів алмазними відрізними кругами із внутрішньою ріжучою крайкою;

Розроблено математичну модель врахування сил різання, яка дозволила оцінити величину напруги на ріжучій крайці як функцію сили різання, і розробити методику, впроваджену у виробництво, вибору гранично припустимої величини натягу відрізного круга в традиційній схемі різання, що допускає поширення і на інші схеми різання;

На підставі дослідження плоского напружено-деформованого стану відрізного круга, його осьової твердості і згинальних коливань при нерівномірному натягу вперше розроблена і впроваджена у виробництво методика визначення нерівномірності натягу, яка заснована на вимірі частот власних коливань відрізного круга;

Експериментальними дослідженнями підтверджена адекватність модельних уявлень; встановлено, що запропоновані методика вибору припустимої величини натягу і спосіб усунення нерівномірності натягу приводять до:

· збільшення терміну служби відрізних кругів на 13...16 %; важливо підкреслити, що ця величина лежить за межами статистичної похибки;

· зменшення числа кругів, що вийшли з ладу при натягу або підтягуванні на 12...20 %;

· зменшення розкиду геометричних параметрів відрізуваних пластин на 20...40 %;

· зменшення ширини пропила на 7...9 % і, отже, зменшення відходів дорогих матеріалів;

· збільшення частини відрізаних пластин з високими характеристиками площинності. Зокрема, для локальної неплощинності (STIR) це збільшення становить 6...7 %, що на стадії різання є досить вагомим результатом.

Впровадження методик виміру величини натягу, ступеню його нерівномірності і вибору величини гранично припустимого натягу дає очікуваний економічний ефект $98 800 для ділянки різання, що складає 10 верстатів АЛМАЗ-12М.

Таким чином, теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що усунення нерівномірності натягу відрізного круга приводить до підвищення точності різання злитків монокристалів на пластини, збільшення стійкості відрізного круга, зменшення ширини пропила та, як слідство, до збільшення ефективності процесу різання.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ерошин С.С., Таращанский М.Т. Жесткость отрезных кругов // Збірник наукових праць Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (матеріали VIII Міжнародної науково-практичної конференції "Університет і регіон" 25-26 грудня 2002 року). - Луганськ: вид-во Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля, 2002 р. - Частина друга. - С. 20.

2. Ерошин С.С., Таращанский М.Т. Напряженное состояние кругов АКВР под действием сил резания // Вісник Східноукраїнського національного університету. - 2003. - вип. 4(62). - С. 177-183.

3. Таращанский М.Т. Определение степени неравномерности натяжения кругов АКВР // Вісник Східноукраїнського національного університету. - 2003. - вип. 6(64). - С. 25-33.

4. Таращанский М.Т. Неравномерность натяжения отрезного круга // Вісник Східноукраїнського національного університету. - 2003. - вип. 7(65). - С. 53-58.

5. Ерошин С.С., Таращанский М.Т. Определение степени неравномерности натяжения отрезного круга по частоте собственных колебаний // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробка тиском матеріалів в машинобудуванні: сб. наук. пр. - Ч.1. - Луганськ: вид-во Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля, 2003 р. - С. 121-126.

6. Таращанский М.Т. Определение величины искажения режущей кромки анизотропного отрезного круга // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА. - 2003. - вип. № 14. - С. 58-61.

7. Таращанский М.Т., Воротнев Л.В. Определение величины прогиба алмазного отрезного круга под действием аксиальной составляющей силы резания // Вісник Східноукраїнського національного університету. - 2004. - вип. 4(74). - С. 33-37.

8. Большаков Н.А., Хохлов А.Н., Ерошин С.С., Таращанский М.Т. Повышение эффективности резки слитков монокристаллов на пластины // Электронная промышленность. - 2003. - вып. 3. - с. 139-146.

9. Ерошин С.С., Таращанский М.Т. Расчет натяжения кругов АКВР // Электронная техника. - 1988. - сер. 7. - вып. 2(147). - С. 58-60.

10. Ерошин С.С., Таращанский М.Т. Напряженное состояние кругов АКВР при неравномерном натяжении // Труды 6-й Междунар. конф. "Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве". - Харьков. - 2002. - С. 105-107.

11. Ерошин С.С., Таращанский М.Т. Причины износа кругов АКВР // Труды 6-й Междунар. конф. "Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве". - Харьков. - 2002. - С. 107-109.

12. Ерошин С.С., Таращанский М.Т. Влияние осевой жесткости АКВР на неплоскостность отрезаемых пластин // Труды 12-й Междунар. конф. "Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве". - Харьков. - 2006. - С. 268-270.

13. А.с. 1685719 СССР, МКИ В 28 D 7/04. Способ резки монокристаллов / С.С. Ерошин, М.Т. Таращанский, Д.Н. Гулидов и др. (СССР). - № 4371589/33; Заявлено 01.02.88; Опубл.23.10.91, Бюл. № 39. - 4 с.

14. А.с. 1795825 СССР, МКИ H 01 L 21/304. Способ резки монокристаллов на пластины / С.С. Ерошин, В.П. Запорожский, В.В. Гаврилюк, М.Т. Таращанский (СССР). - № 4812876/25; Заявлено 30.03.90; Зарег.08.10.92. - 3 с.

15. А.с. 1761521 СССР, МКИ В 28 D 5/00. Способ резки монокристаллов / Ю.М. Андеев, С.С. Ерошин, М.Т. Таращанский, и др. (СССР). - № 4371589/33; Заявлено 11.04.88; Опубл.15.09.92, Бюл. № 34. - 2 с.

16. У роботах, опублікованих у співавторстві, дисертантові належать: у роботах [1, 2, 5, 7, 8, 9, 12]побудова математичних моделей і отримання основних співвідношень; у роботах [9,10]отримання основних співвідношень для напруг; у роботі [11]аналіз зносостійкості відрізних кругів; у роботах [13, 14, 15] отримання і аналіз кінематичних співвідношень.

АНОТАЦІЯ

Таращанський М.Т. Підвищення точності різання напівпровідникових монокристалів за рахунок зменшення нерівномірності натягу корпусу відрізного круга. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Державний вищий навчальний заклад "Донецький національний технічний університет", Донецьк, 2007.

При різанні монокристалів напівпровідникових матеріалів на пластини алмазними відрізними кругами з внутрішньою ріжучою крайкою, виникає задача виявлення основних факторів, що впливають на якість відрізуваних пластин, стійкість інструменту і витрати дорогої сировини. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень у дисертаційній роботі виявлено і досліджено нерівномірність натягу відрізного круга, яка виникає через конструктивні особливості пристрою натягу і анізотропії матеріалу корпусу відрізного круга. Нерівномірність натягу істотно впливає на всі показники якості і тому проблема визначення її величини, а потім і усунення нерівномірності натягу являє собою актуальну задачу.

У роботі розроблені методи визначення нерівномірності натягу відрізного круга, показана можливість застосування оригінального приладу визначення частоті власних коливань для реалізації методу виміру нерівномірності натягу відрізного круга.

Розроблено формальну модель урахування сил різання, яка дозволила оцінити величину напруги на ріжучій крайці, як функцію сили різання, і розробити методику вибору гранично припустимої величини натягу відрізного круга.

Ключові слова: пристрій натягу, відрізний круг, нерівномірність натягу, частота власних коливань, напружено-деформований стан, рівняння коливань, вимір натягу.

АННОТАЦИЯ

Таращанский М.Т. Повышение точности разрезки полупроводниковых монокристаллов за счет уменьшения неравномерности натяжения корпуса отрезного круга. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - Процессы механической обработки, станки и инструменты. - Государственное высшее учебное заведение "Донецкий национальный технический университет", Донецк, 2007.

При резке слитков монокристаллов полупроводниковых материалов на пластины алмазными отрезными кругами с внутренней режущей кромкой (АКВР), возникает задача выявления и управления основными факторами, влияющими на точность отрезаемых пластин, стойкость инструмента и расход дорогостоящего сырья. Возникающая из-за конструктивных особенностей устройства натяжения корпуса отрезного круга, неравномерность его натяжения существенным образом влияет на все показатели качества процесса резки. Поэтому увеличение точности отрезаемых пластин за счет уменьшения неравномерности натяжения, представляет собой актуальную научно-практическую задачу.

Решение поставленной задачи достигается построением комплекса связанных единой идеей теоретически обоснованных моделей, позволяющих определить влияние величины и степени неравномерности натяжения корпуса отрезного круга на параметры точности отрезаемых пластин. Для этого в рамках построенных моделей решены задачи определения: величины прогиба отрезного круга под действием усилий, направленных перпендикулярно плоскости круга; частот собственных колебаний неравномерно натянутого отрезного круга по частотам его собственных колебаний при равномерном натяжении и величины напряжений на режущей кромке отрезного круга как функции сил резания.

Это дает возможность разработать методы определения неравномерности натяжения отрезного круга, а также разработать методику выбора предельно допустимой величины натяжения отрезного круга с учетом влияния сил резания.

С целью технической реализации метода измерения неравномерности натяжения отрезного круга разработан прибор для измерения частоты собственных колебаний отрезного круга с одним узловым диаметром. Метод измерения неравномерности натяжения с помощью этого прибора основан на доказанной зависимости частоты собственных колебаний указанной моды при неравномерном натяжении отрезного круга от направления узлового диаметра относительно неподвижного круга.

Для экспериментальной проверки теоретических предпосылок и оценки степени влияния величины натяжения и степени его неравномерности на параметры точности отрезаемых пластин использовался, диктуемый условиями проведения эксперимента в условиях действующего производства, пассивный статистический эксперимент, валидность выводов которого обеспечивается разработанной методикой определения геометрических параметров отрезаемых пластин, используемыми статистическими процедурами обработки результатов эксперимента и применением статистических критериев значимости.

Результаты проведенного эксперимента дают основания сделать вывод о том, что предлагаемые методики уменьшения степени неравномерности натяжения отрезного круга и выбора допустимой величины натяжения приводят к: уменьшению разброса геометрических параметров отрезаемых пластин на 20…40 %; уменьшению ширины пропила на 7…9 %; увеличению доли отрезанных пластин с высокими характеристиками плоскостности; увеличению срока службы отрезных кругов на 13…16 % и уменьшению числа кругов, вышедших из строя при натяжении или подтягивании на 12…20 %.

Таким образом, теоретически обосновано и экспериментально показано, что устранение неравномерности натяжения отрезного круга приводит к повышению точности разрезки слитков монокристаллов на пластины, увеличению стойкости отрезного круга, уменьшению ширины пропила и, значит, к увеличению эффективности процесса резки.

Ключевые слова: устройство натяжения, отрезной круг, неравномерность натяжения, частота собственных колебаний, напряженно-деформированное состояние, уравнение колебаний, измерение натяжения.

ANNOTATION

Tarashchanskii M.T. Heightening of accuracy ID saw cutting semiconductor monocrystals due to reduction of non-uniformity of a tension of the case of a detachable circle. - Manuscript.

The thesis to obtain science degree of the Candidate of Science on the specialty 05. 03. 01 - Processes of machining, machines and tools. - The State Higher Educational Institution "Donetsk National Technical University", Donetsk 2007.

While cutting nanocrystals of semicondactive materials into the plates with a help of Diamond ID Saw Blade, arises a task of reveal and control by the main factors, which influence on the quality of plates cutter, resistance of instruments and consumption of expensive raw materials.

On the grounds of theoretical studies and experimental research it has been revealed and investigated properly the factor of irregularity tension for circle cutter.

Irregularity, which arises because of tension device and its constructive peculiarities and of materials anisotropy of cutter circle corpus, essentially influences on all quality indexes and thus the problem of irregularity tension, its quantity determination and then its defect elimination reveals in itself an actual task nowadays. In dissertation it has been worked out the methods of irregularity degree determination of tension for circle cutter, it has been pointed out the way of practical usage for tension measuring instrument in the regime of its vibration frequency with the aim of realization of method of irregularity tension measuring for circle cutter.

It's been worked out the formal model of cutting forces account, which gave a chance to consider the tension quantity on Diamond ID Saw Blade as a force cutting function and to create the random - methodic of extremely allowed quantity tension for circle cutter with account of cutting forces influence.

The keywords: tension irregularity, tension measuring, tension device, cutter circle, oscillation frequency, equation of oscillation.

Размещено на Allbest.ru