CN117681320A - 一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法及多孔碳化硅制品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微孔加工的技术领域，提供了一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法及多孔碳化硅制品。本发明提供了PCD微孔加工法和电火花微孔加工法结合打孔的方法，以及激光打孔工艺和PCD微孔加工法结合打孔的方法，能够减少产品和钻头的损失，且适合大孔径比厚层碳化硅打孔，工艺简单，成本低，提升了打孔产品良率。
Description
技术领域
本发明涉及微孔加工的技术领域，具体涉及一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法及多孔碳化硅制品。
背景技术
碳化硅是典型的超高温硬度材料，其硬度排在金刚石、立方氮化硼(CBN)之后，因此对碳化硅进行机械加工的难度极大，尤其是微孔的加工，且加工过程容易对构件产生边缘性损伤。
现有技术对于碳化硅的打孔多集中于薄层(一般是微米级)，对于厚层碳化硅(毫米级)打孔的研究较少，尤其是关于大孔径比厚层碳化硅打孔的研究更少。而在半导体材料的加工制造领域中，大孔径比厚层碳化硅打孔是必不可少的工序。PCD微孔加工是机械加工的一种类型，利用PCD微孔加工大孔径比厚层碳化硅是行业内比较常见的。但PCD微孔加工大孔径比厚层碳化硅时存在一些问题，例如金刚石钻头容易磨损甚至断裂，合金刀身容易断裂，金刚石钻头卡在厚层碳化硅产品细孔中无法取出，这些均导致了产品和钻头的损失，增加了生产成本和损耗。
因此，研发一种能够减少产品和钻头的损失，且适合大孔径比厚层碳化硅打孔方法显得十分重要。
发明内容
由于碳化硅的硬度较大，所以容易造成金刚石钻头磨损甚至断裂。但对于合金刀身容易断裂，以及金刚石钻头容易卡在厚层碳化硅产品微孔中的原因有很多，磨损可能是其中的原因，打孔过程中产生的碎屑可能是其中的原因，合金刀身或金刚石钻头的质量不佳也可能是其中的原因。在大孔径比厚层碳化硅的打孔的加工工艺中，本发明的发明人经过大量的研究发现，最主要的原因是打孔过程中未及时排出的碎屑极易卡住钻头，这容易导致合金刀身的断裂，钻头卡在产品细孔中无法取出，才导致了产品和钻头的损失。
本发明的目的在于克服上述发明人新发现的技术问题，提供一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：将待加工的厚层碳化硅工件固定于工作平台上，设置打孔参数；
步骤S2：采用PCD微孔加工法，对所述工件进行第一深度打孔，所述第一深度与所述厚层碳化硅工件的厚度之比为1:6～1:15；
步骤S3：采用电火花打孔法，在孔的第一深度基础上进行第二深度打孔，直至贯穿所述厚层碳化硅工件。
PCD微孔加工法属于机械加工的一种类型，其通过高速转头金刚石钻头和合金刀身对工件进行打孔。
电火花加工利用电极与工件之间放电产生高能量的等离子体对工件进行蚀除，主要通过放电热效应使表层区域的材料熔化或热去除实现孔加工。电火花打孔的质量不会随着孔深度的增加而降低，因此电火花法可以实现大孔径比厚层碳化硅的打孔。但是单独使用电火花法打孔的定位精度较差，不太符合加工要求，产品良率不高。
本发明的发明人经过研究发现，提出了PCD微孔加工法和PCD微孔加工法结合打孔的方法，先利用PCD微孔加工法在厚层碳化硅工件表面打出非贯穿的预钻点孔进行定位，控制预钻点孔的第一深度，避免孔深过多出现过多的碎屑卡住金刚石钻头和合金刀身；再采用电火花打孔法在预钻点孔的第一深度基础上进行贯穿打孔，如此贯穿孔可使碎屑顺利排出，既可以减少碎屑卡住金刚石钻头和合金刀身的风险，也能解决电火花法的定位精度较差的问题，进而减少刀具的损伤，提升厚层碳化硅打孔产品的良率。
在一些实施例中，所述步骤S1中，打孔参数可以按照本领域的常规要求进行设置，例如设置打孔的孔径，孔深，孔间距，孔的分布状态等。
在一些实施例中，所述步骤S2中，先采用PCD微孔加工法对厚层碳化硅工件进行第一深度打孔，所述第一深度与所述厚层碳化硅工件的厚度之比为1:6～1:15，即先进行第一次非贯穿定位打孔。
第一深度与厚层碳化硅工件的厚度之比可以为1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:11、1:12、1:13、1:14、1:15。控制第一深度与厚层碳化硅工件的厚度之比，可以使第一深度在合适范围，既可以减少碎屑的产生，降低碎屑无法及时排除对PCD刀具造成损失的风险；又能起到很好地的定位孔的作用，方便后续电火花打孔定位，提高电火花打孔的精度。
在一些实施例中，所述第一深度与所述厚层碳化硅工件的厚度之比为1:8～1:12。
优选第一深度与厚层碳化硅工件的厚度之比，可以进一步降低碎屑无法及时排除对PCD刀具造成损失的风险，以及提高电火花打孔的精度。
对PCD微孔加工法的工艺参数不做具体限定，可以依据打孔参数进行调整。在一些实施例中，所述步骤S2中，PCD微孔加工法的工艺参数包括：钻头旋转线速度为20-35m/min，切削速率为0.01-0.02mm/r。
对电火花打孔法的工艺参数不做具体限定，可以依据打孔参数进行调整。在一些实施例中，所述步骤S3中，采用电火花打孔法在孔的第一深度基础上进行贯穿打孔。电火花打孔法不受碎屑的影响，第二深度明显大于第一深度。
在一些实施例中，所述步骤S3中，电火花打孔法的工艺参数包括：脉冲电流为5-10A，工作液的压力为9-18Mpa。
在一些实施例中，所述厚层碳化硅的电阻率为0.05Ω*cm-3Ω*cm，优选为0.1Ω*cm-1Ω*cm。
由于电火花打孔法需要工件具有良好的导电性来提高打孔效率，控制碳化硅工件的电阻率在上述范围时，能够提高厚层碳化硅工件的导电性，提升电火花打孔效率。
在一些实施例中，所述方法还包括步骤S4：采用PCD微孔加工法对贯穿孔进行细加工。
电火花打孔法打出的孔较为粗糙，再增加步骤S4，使用PCD微孔加工法对孔壁进行打磨，进一步提升碳化硅打孔产品的良率。
在一些实施例中，所述步骤S4中，PCD微孔加工法的工艺参数包括：钻头旋转线速度为35-45m/min，切削速率为0.02-0.04mm/r。
为了实现上述目的，本发明还提供了另一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法，包括以下步骤：
(1)将待加工的厚层碳化硅工件固定于工作平台上，设置打孔参数；
(2)采用激光打孔工艺，对所述工件进行打孔，直至贯穿所述厚层碳化硅工件；
(3)采用PCD微孔加工法，对步骤(2)获得的贯穿孔进行再次加工。
本发明的发明人研究发现，除了上述的采用PCD微孔加工法和电火花打孔法结合打孔之外，还可以采用激光打孔工艺和PCD微孔加工法结合的方法，先使用激光打孔工艺打出贯穿孔使碎屑及时排除，再采用PCD微孔加工法对孔进行细加工，能够减少产品和钻头的损失，且适合大孔径比厚层碳化硅打孔。
在一些实施例中，所述步骤(1)中，打孔参数可以按照本领域的常规要求进行设置，例如设置打孔的孔径，孔深，孔间距，孔的分布状态等。
在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述激光打孔工艺包括水导激光打孔、水基超声辅助激光打孔、电-磁场辅助激光打孔或水辅助激光打孔中的至少一种。具体的激光工艺和参数设置，可以依据打孔需求进行选择和调整。
在一些实施例中，所述步骤(3)中，由于激光打孔工艺中，激光贯穿打出的孔不是直的，有一定的锥度，圆度不佳，远离激光光源的一侧的孔的孔径越来越小，因此需要再对步骤(2)获得的贯穿孔进行再次加工，例如采用PCD微孔加工法对贯穿孔进行再次加工，如此情况下产生的碎屑可以从贯穿孔排除，降低碎屑无法及时排除对PCD刀具造成损失的风险。
所述步骤(3)中，除了采用PCD微孔加工法进行再次加工外，还可以采用金刚石磨棒对贯穿孔进行再次加工(如内壁抛圆)。
在一些实施例中，所述厚层碳化硅工件的厚度为8mm-20mm，例如可以为8mm、9mm、10mm、12mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm。
在一些优选实施例中，所述厚层碳化硅工件的厚度为15mm-20mm。
本发明中，待打孔的碳化硅工件的厚度为毫米级，明显高于现有技术中的一些微米级厚度的碳化硅工件的厚度，厚度较大的碳化硅工件面临的打孔难度更高，碎屑更难排除，单独使用PCD微孔加工时更易造成产品和钻头的损失。而本发明采用上述的两种打孔方法非常适合大孔径比厚层碳化硅，能够在毫米级厚度的碳化硅工件上进行打孔，并能够减少减少产品和钻头的损失。
在一些实施例中，所述第一深度为0.5mm-1.5mm。所述第一深度与碳化硅工件的厚度密切相关，该第一深度设定的参数范围是在厚层碳化硅工件的厚度8mm-20mm的基础上设置的。第一深度可以依据碳化硅工件的厚度进行调整。
在一些实施例中，所述打孔参数包括：孔径为0.3mm-0.8mm，孔最小间距为1mm-10mm。
所述孔的孔径可以解释为，孔为圆形时，孔径为孔的直径。
限定孔径和孔的最小间距在上述范围时，可以有效避免边缘性损伤的问题，提升孔加工的良品率。
打孔参数除了上述的孔径和孔间距之外，还可以有其他参数，例如孔的图案，打孔顺序等。
在一些实施例中，所述孔的孔径比为10:1～40:1，例如可以为10:1、12:1、15:1、18:1、20:1、22:1、25:1、28:1、30:1、32:1、35:1、38:1、40:1。
本发明中，所述孔径比也叫厚径比，指的是碳化硅工件的厚度与孔的孔径的比值。孔径比越大，待加工的工件厚度越高，孔径越小，越难加工。本发明提供的打孔方法非常适合大孔径比厚层碳化硅，克服了现有技术中孔径比大难加工的技术难题。
本发明第二方面提供了一种多孔碳化硅制品，所述制品中的孔采用本发明第一方面所述的两种打孔方法中的任一种加工获得。
本发明采用上述技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明提供的大孔径比厚层碳化硅的打孔方法，能够降低对钻头的磨损，降低钻头和刀身的断裂风险，减少产品和PCD刀具损失。
(2)本发明提供的大孔径比厚层碳化硅的打孔方法，非常适合大孔径比厚层碳化硅，工艺简单，成本低，提升了打孔产品良率。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本文中，在没有特别说明的情况下，数据范围均包括端点。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
除非另有定义，本发明中所使用的所有科学和技术术语具有与本发明涉及技术领域的技术人员通常理解的相同的含义。
下面将结合本发明实施例，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。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下面结合具体实施例详细描述本发明，这些实施例用于理解而不是限制本发明。
A组实施例
一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法，包括以下步骤：
(1)挑选出电阻率为1Ω*cm且导电均匀性较好的碳化硅工件，碳化硅工件的厚度为8mm-20mm，确定需要打孔的种类，每一类开孔的孔径大小和深度，开孔直径范围为0.3-0.8mm，深度为8-20mm；
(2)将碳化硅工件安装在用于开孔的固定支架上，挑选金刚石钻头对碳化硅工件进行第一深度定位孔打孔；钻头旋转线速度为20-35m/min，切削速率为0.01-0.02mm/r，第一深度为0.5mm-1.5mm；
(3)根据孔径大小挑选铜管电极，将电极对准定位孔，定位后利用电火花打孔法对工件在孔的第一深度基础上进行打孔，直至工件被打穿，形成贯穿孔；电极在打孔过程中的脉冲电流为5-10A，工作液的压力为9-18Mpa；
(5)根据孔径大小和深度选择金刚石磨棒或者PCD刀具，在开孔装置上安装磨棒后，将磨棒或者PCD刀具推送至开好的贯穿孔内侧，沿着孔内壁表面滚动，利用磨棒对贯穿孔内壁进行滚圆，使开孔内壁变得光滑。
下述实施例均采用上述打孔方法，区别之处见表1。
表1
对比例A2，参照实施例A3进行，只进行步骤(1)和(2)，步骤(2)中金刚石钻头打孔时直接进行贯穿打孔，即只采用PCD微孔加工。
对比例A3，参照实施例A3进行，只进行步骤(1)和(3)，即只采用电火花打孔法。
A组中的每个实施例和对比例进行100次重复试验测试，记录钻头卡住次数，刀具损坏次数，产品良率，结果记录于表2。
表2
| 组别 | 钻头卡住次数 | 刀具损坏次数 | 产品良率 |
| 实施例A1 | 11 | 15 | 78 |
| 实施例A2 | 9 | 13 | 80 |
| 实施例A3 | 6 | 9 | 85 |
| 实施例A4-1 | 8 | 11 | 81 |
| 实施例A4-2 | 9 | 12 | 82 |
| 对比例A1 | 13 | 17 | 71 |
| 对比例A2 | 16 | 20 | 60 |
| 对比例A3 | 无钻头 | 无刀具 | 65 |
从表1的结果可以看出，与对比例相比，本发明提出的PCD微孔加工法和电火花打孔法，能够减少碳化硅产品和PCD刀具损失。
其中，实施例的结果表明，第一深度与工件的厚度之比在本发明的保护范围内时，能够有助于减少碳化硅产品和PCD刀具损失；但该比例不在本发明的保护范围内，贯穿深度较大造成碎屑残留较多，改善效果不好。
B组实施例
一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法，包括以下步骤：
(1)挑选出的碳化硅工件，碳化硅工件的厚度为8mm-20mm，确定需要打孔的种类，每一类开孔的孔径大小和深度，开孔直径范围为0.3-0.8mm，深度为8-20mm；
(2)将碳化硅工件放在支撑块上，转动双向丝杆夹紧工件，根据孔径大小选择喷嘴，喷嘴与工件的距离为60mm。动激光发生装置和水射流喷嘴，激光功率为40W，波长为500nm，激光重复频率为50kHZ，脉冲宽度为10ns。激光束在满足全反射条件下进入喷嘴形成的水束光纤内进行传导后到达工件表面，进行打孔加工。
(3)根据孔径大小和深度选择PCD刀具，在开孔装置上安装磨棒后，将PCD刀具推送至开好的贯穿孔内侧，沿着孔内壁表面滚动，利用磨棒对贯穿孔内壁进行滚圆，使开孔内壁变得光滑。
下述实施例均采用上述打孔方法，区别之处见表3。
表1
B组中的每个实施例和对比例进行100次重复试验测试，记录钻头卡住次数，刀具损坏次数，产品良率，结果记录于表4。
表4
| 组别 | 钻头卡住次数 | 刀具损坏次数 | 产品良率 |
| 实施例B1 | 0 | 8 | 84 |
| 实施例B2 | 0 | 6 | 87 |
| 实施例B3 | 0 | 5 | 90 |
从表4的结果可以看出，本发明提出的激光打孔法与PCD微孔加工法结合的打孔方法，能够减少碳化硅产品和PCD刀具损失。
需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：将待加工的厚层碳化硅工件固定于工作平台上，设置打孔参数；
步骤S2：采用PCD微孔加工法，对所述工件进行第一深度打孔，所述第一深度与所述厚层碳化硅工件的厚度之比为1:6～1:15；
步骤S3：采用电火花打孔法，在孔的第一深度基础上进行第二深度打孔，直至贯穿所述厚层碳化硅工件；
和/或，所述方法包括以下步骤：
(1)将待加工的厚层碳化硅工件固定于工作平台上，设置打孔参数；
(2)采用激光打孔工艺，对所述工件进行打孔，直至贯穿所述厚层碳化硅工件；
(3)采用PCD微孔加工法，对步骤(2)获得的贯穿孔进行再次加工。
2.根据权利要求1所述的打孔方法，其特征在于，其中，所述第一深度与所述厚层碳化硅工件的厚度之比为1:8～1:12。
3.根据权利要求1所述的打孔方法，其特征在于，所述厚层碳化硅工件的厚度为8mm-20mm，优选为15mm-20mm；
和/或，所述第一深度为0.5mm-1.5mm。
4.根据权利要求1所述的打孔方法，其特征在于，所述打孔参数包括：孔径为0.3mm-0.8mm，孔最小间距为1mm-10mm。
5.根据权利要求1所述的打孔方法，其特征在于，所述孔的孔径比为10:1～40:1。
6.根据权利要求1-5任一项所述的打孔方法，其特征在于，所述厚层碳化硅的电阻率为0.05Ω*cm-3Ω*cm，优选为0.1Ω*cm-1Ω*cm。
7.根据权利要求1-5任一项所述的打孔方法，其特征在于，所述步骤S2中，PCD微孔加工法的工艺参数包括：钻头旋转线速度为20-35m/min，切削速率为0.01-0.02mm/r；
和/或，所述步骤S3中，电火花打孔法的工艺参数包括：脉冲电流为5-10A，工作液的压力为9-18Mpa。
8.根据权利要求1-5任一项所述的打孔方法，其特征在于，所述方法还包括步骤S4：采用PCD微孔加工法对贯穿孔进行细加工；
优选地，所述步骤S4中，PCD微孔加工法的工艺参数包括：钻头旋转线速度为35-45m/min，切削速率为0.02-0.04mm/r。
9.根据权利要求1所述的打孔方法，其特征在于，所述步骤(2)中，激光工艺包括水导激光打孔、水基超声辅助激光打孔、电-磁场辅助激光打孔或水辅助激光打孔中的至少一种。
10.一种多孔碳化硅制品，其特征在于，所述制品中的孔采用权利要求1-9任一项所述的打孔方法获得。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311830666.5A CN117681320A (zh) | 2023-12-27 | 2023-12-27 | 一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法及多孔碳化硅制品 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311830666.5A CN117681320A (zh) | 2023-12-27 | 2023-12-27 | 一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法及多孔碳化硅制品 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117681320A true CN117681320A (zh) | 2024-03-12 |
Family
ID=90138929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311830666.5A Pending CN117681320A (zh) | 2023-12-27 | 2023-12-27 | 一种大孔径比厚层碳化硅的打孔方法及多孔碳化硅制品 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117681320A (zh) |
-
2023
- 2023-12-27 CN CN202311830666.5A patent/CN117681320A/zh active Pending
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