Ny og verificeret computermodel forbedrer bearbejdning af nanoskala halvlederdele til elektronikindustrien

Skøre materialer som silicium og keramik bruges i vid udstrækning i halvlederindustrien til fremstilling af komponenter. Materialer skåret for at have en spejllignende overflade giver den bedste ydeevne, men den nødvendige præcision er svær at opnå i så lille en skala.

Xinquan Zhang ved A*STAR's Singapore Institute of Manufacturing Technology, sammen med kolleger ved det samme institut og National University of Singapore, har udviklet en computermodel, der giver ingeniører mulighed for at forudsige den bedste måde at skære forskellige materialer på ved hjælp af vibrationsassisteret bearbejdning (VAM). Denne teknik afbryder periodisk skæreprocessen via påføring af lille amplitude og højfrekvent forskydning til skæreværktøjet.

"Mange forskere har observeret, at brugen af ​​VAM i stedet for konventionelle skæreteknikker giver dem mulighed for at gøre renere, brudfrie snit til de fleste sprøde materialer, " forklarer Zhang. "Fordi der ikke eksisterer nogen teori eller model til at forklare eller forudsige dette fænomen, vi besluttede at undersøge."

På nanoskala, skøre materialer udviser en vis grad af plasticitet. Hvert materiale har en særlig skæredybde, der gør det muligt at foretage en ren klipning uden afslag eller brud på, eller nedenunder, dens overflade. dette punkt, kendt som den kritiske udeformerede spåntykkelse, er direkte korreleret med materialeegenskaber og bearbejdningsforhold.

Zhang og hans team studerede adfærden af ​​forskellige skøre materialer skåret med VAM, hvor der forekommer to skæremåder. I den duktile tilstand, plastisk deformation forårsaget af skæring efterfølges af elastisk tilbageslag og genopretning af materialestrukturen mellem vibrationer. Den skøre tilstand, på den anden side, fjerner materiale ved ukontrolleret revneudbredelse. Det er derfor ønskeligt at lave et rent snit under duktil tilstand - før den skøre tilstand dominerer.

Forskerne modellerede energiforbruget for hver tilstand med hensyn til materialefjernelse, når det vibrerende værktøj bevægede sig, under hensyntagen til værktøjsgeometri, materialeegenskaber og skærehastigheden.

"Ved at undersøge energiforbrug og materialedeformation var vi i stand til at beskrive mekanikken, da VAM flyttede fra den duktile til den skøre tilstand, " forklarer Zhang. "Vi etablerede derefter en model til at forudsige [de] kritiske udeformerede spåntykkelser ved at finde overgangspunktet mellem de to tilstande."

Gennem en række eksperimenter, holdet bekræftede, at modellen nøjagtigt forudsiger de kritiske udeformerede chiptykkelser af enkeltkrystal silicium, når den skæres ved forskellige VAM-hastigheder.

"Vores model vil hjælpe ingeniører med at vælge optimerede bearbejdningsparametre afhængigt af deres ønskede materiale, " siger Zhang. "Fordelene kan omfatte højere produktivitet, lavere omkostninger, og forbedret produktkvalitet for halvlederdele og andre nanoskalateknologier."