CN117020180A - 可浇注生产的中空硅芯及其浇注工艺和模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可浇注生产的中空硅芯及其浇注工艺和模具，它主要包括左模具、右模具、内模芯和模芯底座，所述内模芯位于模芯底座顶面的中部，所述左模具和右模具左右平行放置，内模芯位于二者之间的中部，且留有空间，形成模腔，其上方开口，四个部件组成一个完整的模具，所述模具外部的上下方分别安装有上紧固件和下紧固件。本发明的优点在于：通过使用铸件模具，直接往模具中注入硅溶液，经过配套的工艺处理后，可铸造出带锥的硅芯，且可直接搭载横梁，减少了拉晶过程，减少了粘棒工序、脱胶清洗工序、上下棒工序、磨锥工序等众多工序，同时也避免了金刚线、罗拉、铝轮、支架等辅材的干扰，整体上省时省力，节约成本，提高了效益。

Description

可浇注生产的中空硅芯及其浇注工艺和模具

技术领域

本发明涉及硅芯技术领域，具体为可浇注生产的中空硅芯及其浇注工艺和模具。

背景技术

硅材料是一种半导体材料，具有良好的导电性和绝缘性能，可以制成各种电子元器件，包括晶体管、集成电路等，是目前常用的电子元器件，其分为方硅芯和圆硅芯，不同形状的硅芯用于不同的电子设备上。

硅芯多是采用切割加工，可使用切割机加工出不同的尺寸，再对其进行其他机加工，但是，切割加工的方式，在生产过程中，不同硅芯尺寸通常需要改动相关辅材配件，例如，对应的切割支架需要对应的尺寸，支架上的胶圈和铝轮需要对应的尺寸，导轮的槽需要对应的尺寸。辅材的变动影响生产的连续性，而且备货也需要周期，在一定程度上限制了生产效率。

切割硅芯的前提是需要有晶棒，而晶棒需要拉晶制备，拉晶车间投资比例较大，整体工艺包括：装料、抽真空、检漏、加热熔料、引晶、放肩、转肩、等径生长、停炉、拆炉、清炉、取硅芯圆棒，还包括相关辅材和气体，整体投资比例份额较大，且晶棒的出芯率也较低，其中，在后续的机加工过程中，会有切割损耗、磨锥损耗及钻孔损耗等，使得硅芯生产的投入较大，效益降低。

基于以上原因，本申请提出了可浇注生产的中空硅芯、生产模具及其浇注工艺，生产效率高、加工损耗低且方便使用，解决了上述提出的问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了可浇注生产的中空硅芯及其浇注工艺和模具，以解决背景技术中所提到的问题，克服现有技术中存在的不足。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：可浇注生产中空硅芯的模具，包括左模具、右模具、内模芯和模芯底座，所述内模芯位于模芯底座顶面的中部，所述左模具和右模具左右平行放置，内模芯位于二者之间的中部，且留有空间，形成模腔，其上方开口，四个部件组成一个完整的模具，所述模具外部的上下方分别安装有上紧固件和下紧固件，所述模具的外部设置有可上下往复运动的加热系统，所述加热系统用于加热和保温。

优选的，所述模腔整体为圆柱形结构，且一端向内收缩成锥面，形成锥端，其朝上并开口，所述模腔锥端的角度为17.4°、锥端长度为41毫米，所述模腔内径为18毫米、总长度为3200毫米。

优选的，所述内模芯的总长度为3150毫米、直径为10毫米，其外部的一端为半球面，其靠近锥端，半球面最高点与锥端大口之间的距离为9毫米，半球面的直径为10毫米。

优选的，所述上紧固件的顶面开设有排气孔。

依据模具用于生产中空硅芯的浇注工艺，包括有以下步骤：

S1、将左模具、右模具、内模芯以及模芯底座装配在一起，并将下紧固件安装在下方，组成一个模具；

S2、在真空状态下向模具内通入惰性气体；

S3、将模具进行高温加热；

S4、从模腔的开口处向其内注入硅溶液，再使用上紧固件封闭模具的上方；

S5、启动加热系统对模具的下方进行稳定加热，调整加热系统的保温方式对模具进行降温，之后，向上移动加热系统，再进行加热和降温，使硅溶液由下往上进行定向降温凝固定型；

S6、加热系统停止移动、加热和保温层变动；

S7、拆解模具，取出已定型的硅芯，并将其置于专用冷却车内冷却至室温；

S8、对冷却完成的硅芯进行表面抛光和顶部开槽。

优选的，所述步骤S3中的模具需要加热至1416±4°。

优选的，所述步骤S3中硅溶液的体积为模腔容积的93％-95％。

由模具及浇注工艺成型的具体中空硅芯，包括两个硅芯本体和一个横梁，两个所述硅芯本体外部的一端向内收缩形成锥端，两个所述硅芯本体的内部中空，形成空腔，且远离锥端外部的一端开口，两个所述硅芯本体远离锥端外部的一端均开设有两个组装槽，所述横梁外部的两端分别与两个组装槽卡接，三者组成一套硅芯，且整体成U形。

优选的，两个所述硅芯本体总长度均为3200毫米、外径均为18毫米、壁厚均为4毫米，两个所述硅芯本体锥端的角度均为17.4°、锥端长度均为41毫米，两个所述空腔的总长度均为3150毫米。

优选的，两个所述组装槽的长度、宽度和深度均分别为18毫米、10毫米和4毫米，所述横梁的长度和宽度分别为260毫米和10毫米。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了可浇注生产的中空硅芯及其浇注工艺和模具，具备以下有益效果：

1、本申请所提出的中空硅芯，通过使用铸件模具，直接往模具中注入硅溶液，经过配套的工艺处理后，可铸造出带锥的硅芯，且可直接搭载横梁，减少了拉晶过程，减少了粘棒工序、脱胶清洗工序、上下棒工序、磨锥工序等众多工序，同时也避免了金刚线、罗拉、铝轮、支架等辅材的干扰，整体上省时省力，节约成本，提高了效益。

2、本申请所提出的模具，整体由左模具、右模具、内模芯和模芯底座四个部件，左右模具和内模芯组合在一起，模芯底座对其下方进行封闭，并由上下紧固件在上下方进行固位，组成完整的模具，在其内形成带锥端且内部中空的圆柱形模腔，方便对该模具进行组合和拆解。

3、本申请的浇注工艺过程如下：首先对中空模具3进行高温加热至1416±4°，从顶端注入一定量的硅溶液，当硅溶液达到模具容积93％-95％时可停止注入硅溶液，再使用模具外部的加热系统，采取前期加热功率保持稳定，改变内部保温的方式进行降温，上移加热系统，加速底部降温，让模具底部的硅溶液先凝固，依此方式使硅溶液由下往上依次冷却凝固，一段时间后，硅芯完成定向凝固成型，设备停止加热及保温层变动，之后拆除模具，取出硅芯并将其置于专用冷却车上继续冷却至常温，最后，对硅芯的表面进行抛光、顶部开槽等加工工序，该工艺能够实现快速浇注，使硅芯由下往上进行定向凝固成型，且脱模简单、方便、易操作。

附图说明

图1为本发明中模具整体结构的剖视示意图；

图2为本发明中其中一种尺寸的模具整体结构的剖视示意图；

图3为本发明中硅芯本体的剖视结构示意图；

图4为本发明中一套硅芯的整体结构示意图；

图5为本发明中硅芯本体顶部开槽的整体结构示意图；

图6为本发明中图4的剖视结构示意图；

图7为本发明中横梁的剖视结构示意图。

图中：1a-左模具、1b-右模具、1c-内模芯、1d-模芯底座、2-硅芯本体、3-上紧固件、4-下紧固件、5-加热系统、6-排气孔、7-横梁、8-组装槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，可浇注生产中空硅芯的模具，包括左模具1a、右模具1b、内模芯1c以及模芯底座1d，模芯底座1d位于内模芯1c顶面的中部，内模芯1c位于左模具1a和右模具1b之间，四个部件组成一个完整的模具，左模具1a、右模具1b和内模芯1c之间形成有带锥端的圆柱形模腔，模腔锥端朝上，且开口，方便从此开口处其内浇注硅溶液，模腔的下方被模芯底座1d封闭，模具的上方和下方分别安装有上紧固件3和下紧固件4，由其将四个部件组装成一个整体，使模具的整体结构牢固且稳定，且便于组装和拆解，模具的外部安装有可上下往复运动的加热系统5，其可对模具进行加热和保温，使模腔内的硅溶液由下往上逐步降温凝固。

其中，图1和图2的虚线为加热系统5的升降轨道，用于加热系统5的上下运动。

本申请实施例中：

参照图1和2，模腔锥端的角度为17.4°、长度为41毫米，模腔内径为18毫米、总长度为3200毫米，模腔内各位置的尺寸存在一定的公差范围，以保证浇注成型的硅芯尺寸满足要求，且模腔的内壁涂覆有碳化硅，有利于后期硅芯脱模，避免粘附。

本申请实施例中：

参照图1、2和3，内模芯1c的总长度为3150毫米、直径为10毫米，且外部的一端为半球面，其靠近锥端，球面最高点与锥端大口之间的距离为9毫米，由此种形状和尺寸的内模芯1c，可使浇注成型的硅芯内部中空，内端为球面。

本申请实施例中：

参照图1，上紧固件3的顶面开设有排气孔6，可通过其排出模腔内排出的气体，避免模腔内外气压不平衡，符合模具生产的要求。

本申请实施例中：

参照图1，加热系统5内安装有加热丝，且其外部包覆有多层保温层，由加热丝对模具进行加热，保温层阻挡热量散失，使模腔内的硅溶液的温度能够平稳下降。

依据上述模具用于生产中空硅芯的浇注工艺，其包括有以下步骤：

S1、将左模具1a、右模具1b、内模芯1c以及模芯底座1d四个部件组成完整的模具，并在其下方安装下紧固件4，将其组成一个整体；

S2、在真空状态下向模具的模腔内通入惰性气体，通过惰性气体在设备内的流动来带走设备运行过程中产生的其他挥发物或气体，且惰性气体化学性能比较稳定，不会对硅芯的成型造成影响；

S3、将模具进行高温加热，之后从模具上方的开口处向模腔内注入硅溶液，再将上紧固件3安装在模具的上方，模腔内的气体从排气孔6处排出，硅溶液在由液态变为固态的过程中体积会相应增加，因此不能灌满模腔；

S4、使用加热系统5对模具进行稳定加热，之后再通过改变保温方式进行降温，向上移动加热系统5，使硅溶液由下往上完成定向降温凝固成型，加热系统5停止加热和保温层变动；

S5、拆解模具，取出降温成型的硅芯，并将其置于专用冷却车上冷却至室温；

S6、对冷却至室温的硅芯进行其他机械加工。

本工艺过程中：

步骤S3中的模具需要加热至1416°左右，温度上下浮动范围在4°，避免温度过低的模具会影响硅溶液的注入，如果温度过低，硅溶液在接触模具后，会降温冷却，使硅溶液不会充满模腔。

本工艺过程中：

步骤S3中硅溶液的体积为模腔容积的93％-95％，避免硅溶液在降温成型过程中会溢出，影响成型硅芯的整体形状，后期需要进行二次机加工。

本申请实施例中：

步骤S6中的机械加工包括表面抛光和顶部开槽等，也可进行其他类型的机加工，以便于后期对加工成型的硅芯进行组装使用。

请参阅图3-7，由上述的模具及浇注工艺成型的具体中空硅芯，包括硅芯本体2和横梁7，硅芯本体2整体为圆柱形，且外部的一端为向内收缩的锥端，硅芯本体2的内部中空，形成空腔，空腔的内端面为球面，硅芯本体2远离锥端外部的一端开设有组装槽8，横梁7外部的两端分别与两个硅芯本体2上的组装槽8卡接，三者组成一套硅芯，其整体成U形。

本申请实施例中：

参照图3，硅芯本体2总长度为3200毫米、外径为18毫米、壁厚为4毫米，硅芯本体2锥端的角度为17.4°、长度为41毫米，空腔的长度为3150毫米，其尺寸与模腔的尺寸相同，在实际加工过程中，通过调整模腔的尺寸，可对硅芯本体2的尺寸进行调整。

本申请实施例中：

参照图5、6和7，组装槽8的长度为18毫米、宽度为10毫米、深度为4毫米，横梁7的长度为260毫米、宽度为10毫米、高度为4毫米，使横梁7能够与组装槽8紧凑配合，避免部件出现装配干涉，由此组成一个完整的硅芯。

可浇注生产的中空硅芯及其浇注工艺和模具，模具和浇注工艺能够高效生产出所需要的中空硅芯本体，其成型和脱模过程简单易操作，硅芯成型较好，在经过后期机加工后，便于组装成一套硅芯。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.可浇注生产中空硅芯的模具，其特征在于：包括左模具(1a)、右模具(1b)、内模芯(1c)和模芯底座(1d)，所述内模芯(1c)位于模芯底座(1d)顶面的中部，所述左模具(1a)和右模具(1b)左右平行放置，内模芯(1c)位于二者之间的中部，且留有空间，形成模腔，其上方开口，四个部件组成一个完整的模具，所述模具外部的上下方分别安装有上紧固件(3)和下紧固件(4)，所述模具的外部设置有可上下往复运动的加热系统(5)，所述加热系统(5)用于加热和保温。

2.根据权利要求1所述的可浇注生产中空硅芯的模具，其特征在于：所述模腔整体为圆柱形结构，且一端向内收缩成锥面，形成锥端，其朝上并开口，所述模腔锥端的角度为17.4°、锥端长度为41毫米，所述模腔内径为18毫米、总长度为3200毫米。

3.根据权利要求1所述的可浇注生产中空硅芯的模具，其特征在于：所述内模芯(1c)的总长度为3150毫米、直径为10毫米，其外部的一端为半球面，其靠近锥端，半球面最高点与锥端大口之间的距离为9毫米，半球面的直径为10毫米。

4.根据权利要求1所述的可浇注生产中空硅芯的模具，其特征在于：所述上紧固件(3)的顶面开设有排气孔(6)。

5.依据权利要求1所述的模具用于生产中空硅芯的浇注工艺，其特征在于，包括有以下步骤：

S1、将左模具(1a)、右模具(1b)、内模芯(1c)以及模芯底座(1d)装配在一起，并将下紧固件(4)安装在下方，组成一个模具；

S2、在真空状态下向模具内通入惰性气体；

S3、将模具进行高温加热；

S4、从模腔的开口处向其内注入硅溶液，再使用上紧固件(3)封闭模具的上方；

S5、启动加热系统(5)对模具的下方进行稳定加热，调整加热系统(5)的保温方式对模具进行降温，之后，向上移动加热系统，加速下部降温，使硅溶液由下往上进行定向降温凝固定型；

S6、硅溶液凝固成型之后，加热系统(5)停在模具的最上方，且停止加热和保温层变动；

S7、拆解模具，取出已定型的硅芯，并将其置于专用冷却车内冷却至室温；

S8、对冷却完成的硅芯进行表面抛光和顶部开槽。

6.根据权利要求5所述的用于生产中空硅芯的浇注工艺，其特征在于：所述步骤S3中的模具需要加热至1416±4°。

7.根据权利要求5所述的用于生产中空硅芯的浇注工艺，其特征在于：所述步骤S3中硅溶液的体积为模腔容积的93％-95％。

8.由权利要求1和权利要求5所述的模具及浇注工艺成型的具体中空硅芯，其特征在于：包括两个硅芯本体(2)和一个横梁(7)，两个所述硅芯本体(2)外部的一端向内收缩形成锥端，两个所述硅芯本体(2)的内部中空，形成空腔，且远离锥端外部的一端开口，两个所述硅芯本体(2)远离锥端外部的一端均开设有两个组装槽(8)，所述横梁(7)外部的两端分别与两个组装槽(8)卡接，三者组成一套硅芯，且整体成U形。

9.根据权利要求8所述的由模具及浇注工艺成型的具体中空硅芯，其特征在于：两个所述硅芯本体(2)总长度均为3200毫米、外径均为18毫米、壁厚均为4毫米，两个所述硅芯本体(2)锥端的角度均为17.4°、锥端长度均为41毫米，两个所述空腔的总长度均为3150毫米。

10.根据权利要求8所述的由模具及浇注工艺成型的具体中空硅芯，其特征在于：两个所述组装槽(8)的长度、宽度和深度均分别为18毫米、10毫米和4毫米，所述横梁(7)的长度和宽度分别为260毫米和10毫米。