丙三醇水溶液电火花加工硅晶体特性研究

段亚俊，邱明波，陈浩然，刘志东，赵剑峰，沈理达

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016）

丙三醇水溶液电火花加工硅晶体特性研究

段亚俊，邱明波，陈浩然，刘志东，赵剑峰，沈理达

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016）

为了提高硅晶体电火花成形加工效率、降低电极损耗，采用丙三醇水溶液作为工作介质。分析了介质中的碳、氢、氧元素对加工效果的影响，以及电导率、粘度、介质成分对加工特性的影响，研究表明：击穿放电间隙受电导率与粘度的影响，丙三醇水溶液可提高放电间隙，增强加工稳定性；丙三醇分子会在放电高温下分解出碳分子，其自身的微观爆炸力可促使碳分子和极间蚀除产物向两极移动，增强了电极的涂覆效应，降低了电极损耗。工艺实验结果表明：丙三醇水溶液的加工特性优于去离子水，采用质量分数为30%的丙三醇溶液加工时的最佳占空比为1∶7，加工效率为11.88 mm3/min，电极损耗比为3.7%。

电火花加工；硅晶体；丙三醇水溶液；加工效率；电极损耗

硅晶体为硬脆性半导体材料，采用传统机械加工方式无法实现其异形加工[1]。电火花加工无宏观切削力，用热能蚀除材料，故许多学者研究了半导体的电火花加工特性[2]。潘慧君研究了半导体加工时的小压降及电流爬坡式上升现象[3]。邱明波研究了半导体硅材料的单脉冲蚀除形式[4]。刘志东研究了基于脉冲概率检测的线切割控制系统[5]。黄赛娟针对硅成形加工，研究了铜电极在去离子水介质中无法加工的原因，指出在含氧工作介质内，放电过程中蚀除产物堆积可能形成不导电氧化铜层，使加工无法继续[6]。

电火花成形加工中的工作介质主要起到介电、极间冷却、消电离、排屑等作用。常用的工作介质有高分子碳氢化合物（如火花油），也有去离子水、蒸馏水、乙醇水溶液、乳化液等。为了实现硅晶体的成形加工，本文建立了基于脉冲概率控制的硅晶体加工系统，提出采用丙三醇溶液作为工作介质，研究介质中的碳、氢、氧元素对加工特性的影响及电导率、粘度、介质成分对加工特性的影响，通过实验验证了适宜的丙三醇浓度，并与去离子水中的加工效果进行了对比。

1 实验系统

1.1 实验平台

采用自主搭建的实验平台，其原理见图1，实物见图2。ARM单片机控制器（微处理器）控制斩波器输出脉冲电压，同时控制步进电机的运动。通过检测电路将主回路的电压信号处理成ARM单片机可接收的数字脉冲，用霍尔电流传感器检测电流信号并处理为数字脉冲。控制器对检测到的电流电压脉冲个数进行计算，推测极间状态，再实时调整电极的前进和后退，从而实现稳定加工。在图1中，与硅晶体接触的铜片能改善硅晶体的进电，使其与硅晶体之间形成良好的欧姆接触[7]。

图1 实验系统原理图

图2 实验平台实物图

1.2 伺服控制系统

半导体的电阻率介于金属和绝缘体之间，且电阻率易受温度影响。在半导体放电加工时，放电产生的瞬时高温及体电阻在电流通过时产生的欧姆热，导致加工过程中的电阻率很不稳定，故金属加工常用的间隙电压、间隙电流控制法已无法实现对硅晶体的稳定加工。

基于脉冲概率检测的伺服控制系统原理见图3。通过对一定周期内电压脉冲个数n和电流脉冲m计数，计算其放电概率Rate。若放电概率值等于100%，则进行抬刀操作，以排出极间蚀除产物并增大极间间隙；若放电概率值小于设定目标放电概率p与允许波动范围s的差值，则电极前进一步。同时，对放电概率进行采样，计算其平均值是否达到目标放电概率p，若未达到，则减小波动范围s来提高跟踪速度；反之，则增大波动范围s来降低跟踪速度，从而实现稳定的半导体电火花加工。

图3 伺服控制系统原理图

1.3 实验材料与条件

实验中，采用电阻率为6 Ω·m的硅晶体作为工件，电极为直径为5 mm的圆形石墨棒，均采用浸液式加工并辅以侧冲液。

2 丙三醇水溶液的加工特性

为结合去离子水加工效率高、火花油电解损耗小的优点，水、油混合工作介质得到一定的探索[8]，但水、油无法相容且乳化困难，适宜的混合比例难以确定。考虑到火花油的主要成分是碳原子数为C11-C17的高沸点烃类化合物，其与水混合的主要成分为碳、氢、氧，故以包含这三类元素的丙三醇水溶液作为加工介质，研究不同浓度的丙三醇水溶液的加工效果差异。表1是25℃时不同工作介质的参数对比。

表1 不同工作介质的技术参数

2.1 对击穿放电间隙的影响

采用单脉冲实验观察丙三醇溶液浓度对击穿放电间隙及峰值电流的影响，从而确定电导率及粘度对击穿放电间隙和峰值电流的影响。依旧使用上述实验平台，实验过程如下：对刀，记录Z轴坐标；将电极抬升到一定高度后，向下进给，且每进给一步给一个电压脉冲；电流传感器检测到放电后，停止进给，用当前坐标减去对刀记录的坐标即为击穿放电间隙。

用单脉冲实验测得开路电压为180 V，同等条件下火花油的击穿间隙达200 μm，不同浓度的丙三醇溶液的击穿放电间隙变化曲线见图4。可见，随着丙三醇溶液质量分数的增加，击穿放电间隙先增大后减小。分析原因：溶液浓度增加使粘度增大、电导率减小，而电导率越小，则绝缘强度越高，对放电间隙的增大有促进作用。当溶液浓度进一步增加，溶液粘度的增大会对放电通道产生压缩作用，并限制放电间隙进一步增大。

图4 丙三醇溶液浓度对击穿放电间隙的影响

当放电间隙为20 μm时，各工作介质中的放电波形见图5。通道1为50 V/div，通道2为1 V/div，时间轴为20 μs/div；通道1为极间电压波形，通道2为霍尔电流传感器（档位为100 mV/A）测得的电流波形。由图5可见，在去离子水中，峰值电流约为13 A；在丙三醇溶液中，峰值电流先随着溶液浓度的增加而逐渐增大，并在质量分数为30%的丙三醇溶液中达到15 A，而后又下降，在质量分数为50%的丙三醇溶液中约为12 A；而在火花油中，电流波形接近短路。此外，放电电流也随着丙三醇溶液浓度的增加先增大再减小，与击穿放电间隙的变化吻合。虽然火花油的绝缘强度高，但它在放电过程中热分解形成的碳会造成极间状态恶化，降低绝缘强度，故小间隙放电时接近短路。

在相同条件下，放电间隙越小，峰值电流越大。采用某一峰值电流值进行加工时，适宜浓度的丙三醇溶液比去离子水所达到的目标电流的放电间隙更大。放电间隙越大，工作介质越易进入极间，排屑、冷却、消电离等作用均会有所改善，从而提高加工效率，降低电极损耗。虽然火花油的击穿放电间隙达到了200 μm，但其热分解形成的碳造成极间状态恶化，从而导致拉弧，影响了加工稳定性。

图5 不同工作介质对峰值电流的影响

2.2 对电极涂覆效应与消除积碳的影响

图6是丙三醇溶液的极间状态示意图。位于放电通道两端的电极放电蚀除坑温度极高，其周围的丙三醇分子受热分解出碳分子，而碳分子在丙三醇分子的微观爆炸力作用下会增强对电极的涂覆作用，从而减小电极损耗。

图6 丙三醇溶液的极间状态示意图

当采用石墨电极时，水电解生成的氧气与电极蚀除产物中的碳、丙三醇分子分解的碳结合生成气体逸出，可有效减弱极间分解的碳分子在工件表面的积聚，避免产生积碳，提高了加工效率。

3 实验结果与讨论

采用精度为0.1 mg的电子秤测量加工前后电极的质量差，并除以密度可得到电极损耗体积，再除以材料蚀除体积可得到电极损耗比。

3.1 丙三醇适宜浓度分析

采用石墨电极时，丙三醇溶液浓度对加工效率、电极损耗的影响曲线见图7。选用的电参数如下：极间电压 180 V、脉冲宽度 40 μs、占空比 1∶21。丙三醇溶液浓度为0时，即为去离子水。

图7 丙三醇溶液浓度对加工效果的影响

粘度影响着介质流动性，对极间冷却、消电离、排屑也有重要影响[9]。分析可知，与质量分数为30%的丙三醇溶液相比，虽然质量分数为20%的丙三醇溶液的击穿放电间隙较小，微观爆炸力小，但其粘度适宜，利于排屑，故加工效率更高。若溶液浓度进一步增加，会使粘度过大，导致加工效率降低。因此，质量分数为20%的丙三醇溶液加工效率最高。

由图4可发现，质量分数为50%的丙三醇溶液与去离子水的放电间隙都为20 μm，故加工效率近似；但两者的电极损耗比相差较大，分别为3.6%、7.2%（图7）。分析原因：丙三醇溶液能分解出碳分子，其微观爆炸力有利于增强电极涂覆效应，使电极损耗比降低；放电间隙增大有利于改善极间状态，故随着溶液浓度不断增加，其电极损耗先减小、后增大，即质量分数为30%的丙三醇溶液的电极损耗比最小。

3.2 丙三醇溶液与去离子水的加工效率对比

质量分数为30%的丙三醇溶液与去离子水的加工效率对比见图8。可见，采用相同的脉冲能量，取极间电压为180 V、脉冲宽度为40 μs时，丙三醇溶液加工时的占空比可大幅减小。占空比影响着极间冷却、消电离、排屑等过程，占空比越大，极间状态越好。但当极间状态已足够好时，继续增大占空比会减少有效放电时间、降低加工效率。

图8 占空比对加工效率的影响

由图8还可看出，用丙三醇溶液加工的占空比为 1∶7时，加工效率最高，为 11.88 mm3/min；用去离子水加工的占空比为1∶21时，加工效率最高，为3.96 mm3/min。分析原因：在丙三醇溶液中加工的极间状态比在去离子水中更稳定，且放电间隙增大可优化极间状态、改善排屑情况，粘度增大也会改善排屑情况，故可采用更小的占空比。

3.3 丙三醇溶液与去离子水的电极损耗对比

质量分数为30%的丙三醇溶液与去离子水的电极损耗对比见图9。可见，在稳定加工的情况下，占空比对电极损耗的影响较小。用丙三醇溶液加工的占空比为1∶7时，加工效率最高，此时的电极损耗比为3.7%；用去离子水加工的占空比为1∶21时，加工效率最高，此时的电极损耗比为7.2%。分析原因：丙三醇溶液中放电间隙的增大可改善极间状态、减小电极损耗比，丙三醇分子的分解可增强电极涂覆效应，也会减小电极损耗比。

图9 占空比对电极损耗的影响

4 结论

（1）电导率和粘度均会对击穿放电间隙大小产生影响。电导率越小，绝缘强度越高，放电间隙越大；粘度越大，对放电通道压缩会导致放电间隙减小。放电间隙随着丙三醇溶液浓度的增加先增大、后减小。当极间电压为180 V时，质量分数为30%的丙三醇溶液的放电间隙最大，为111 μm，而去离子水的放电间隙仅为20 μm。

（2）工作介质中分解出的碳会增强电极涂覆效应，减小电极损耗。放电产生的瞬时高温使含碳的丙三醇分子分解出碳，且丙三醇自身的微观爆炸力会促使极间蚀除产物向两极移动，从而增强对电极的涂覆效应，减小电极损耗。

（3）丙三醇溶液加工的极间状态比去离子水更稳定，故可采用更小的占空比。采用相同的脉冲能量，取极间电压为180 V、脉冲宽度为40 μs时，用质量分数为30%的丙三醇溶液加工的占空比可大幅减小，且当占空比为1∶7时加工效率最高，达到11.88 mm3/min，电极损耗比为3.7%；去离子水在占空比为1∶21时加工效率最高，为3.96 mm3/min，电极损耗比为7.2%。

[1]马春.世界半导体硅材料发展现状 [J].上海有色金属，2005，26（3）：145-148.

[2]ABBAS N M，SOLOMON D G，FUAD BAHARI M.A review on current research trends in electrical discharge machining (EDM)[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47：1214-1228.

[3]潘慧君，刘志东，邱明波，等.半导体电火花加工爬坡式电流现象研究[J].中国机械工程，2014，25（13）：1773-1778.

[4]QIU Mingbo，TIAN Zongjun，TIAN Ye，et al.The effect of pulse energy on the removal form of silicon crystal in electrical discharge machining[J].Materials Research Express，2016，3（9）.

[5]LIU Zhidong，CHEN Haoran，PAN Huijun，et al.Automatic control of WEDM servo for silicon processing using currentpulse probability detection [J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015，76（1）：367-374.

[6]黄赛娟，刘志东，邱明波，等.半导体硅电火花成形持续加工条件研究[J].电加工与模具，2014（2）：5-9.

[7]SONG Jiajie，QIU Mingbo，LIU Zhidong,et al.Research on influence of electric-feeder-termination-discharge on contact resistance in EDM of silicon[J].China Mechanical Engineering，2013，24（13）：1796-1799.

[8]ZHANG Yanzhen，LIU Yonghong，SHEN Yang，etal.Investigation on the influence of the dielectrics on the material removal characteristics of EDM [J].Journal of Materials Processing Technology，2014，214 （5）：1052-1061.

[9]XUE Rongyuan，LIU Zhidong，WANG Xiangzhi，etal.Influence ofthe dielectric characteristics on EDM performance of titanium alloy[J].Electromachining and Mould，2013（6）：15-19.

Study on Processing Characteristics of Silicon EDM Using Glycerol Solution

DUAN Yajun，QIU Mingbo，CHEN Haoran，LLU Zhidong，ZHAO Jianfeng，SHEN Lida
（ College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China ）

To improve the machining efficiency and decrease the electrode wear of silicon EDM，the glycerol solution was proposed as working solution.The impact of carbon，hydrogen and oxygen in working solution，and the influence to processing characteristicsofconductivity，viscosity and components were analyzed.The study shows that the breakdown distance is influenced by conductivity and viscosity，glycerol solution can improve discharge distance which may improve the state of discharge gap and the processing stability.Glycerol molecules can partly decompose into graphite under the high temperature of discharge channel，meanwhile，its explosive power may push graphite and erosion materials towards electrode，enhance the coating effect to electrode，and reduce the electrode wear.Processing experiment results show that the processing performance of glycerol solution is better than that of deionized water.When the concentration of glycerol solution is 30%，the best duty ratio of pulse power is 1∶7，the machining efficiency is 11.88 mm3/min，and the electrode wear is 3.7%.

EDM；silicon；glycerol solution；machining efficiency；electrode wear

TG661

A

1009－279X（2017）05－0006-04

2017-05-31

国家自然科学基金资助项目（U1532106，51675272，51575271）

段亚俊，男，1992年生，硕士研究生。