一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开的电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统，包括电火花线切割机床和脉冲电源，电火花线切割机床的单晶硅工件和切割线分别连接于脉冲电源的正极和负极上，电火花线切割机床的单晶硅工件进给方向依次设置有步进电机和电机驱动器，电机驱动器通过AD转换器依次连接有数据采集器和计算机，电火花线切割机床的放电回路分别串联有采样电阻，且采样电阻与AD转换器连接，使加工过程中电火花放电间隙保持在合理的范围内，避免开路或者短路的产生，提高了单晶硅工件的表面质量，本发明专利技术的放电间隙控制方法，对于实现单晶硅半导体的电火花线切割加工，获得良好的晶片加工表面质量和加工效率具有重要的意义。

Discharge gap control system and control method of single crystal silicon for WEDM

The invention discloses a discharge gap control system for single crystal silicon by WEDM, which comprises a WEDM machine tool and a pulse power supply, a single crystal silicon workpiece and a cutting line of the WEDM machine tool are connected to the positive and negative poles of the pulse power source respectively, and the feed direction of the single crystal silicon workpiece of the WEDM machine tool is arranged in turn. The stepper motor and the motor driver are connected by the AD converter in turn with the data collector and the computer. The discharge circuit of the WEDM machine tool is connected in series with the sampling resistance respectively, and the sampling resistance is connected with the AD converter, so that the discharge gap of the EDM in the machining process is kept within a reasonable range and the open circuit is avoided. The discharge gap control method of the invention is of great significance for realizing WEDM of single crystal silicon semiconductor and obtaining good surface quality and processing efficiency of wafer processing.

【技术实现步骤摘要】
一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统及控制方法
本专利技术属于高精密特种加工制造
，涉及一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统，本专利技术还涉及采用该放电间隙控制系统进行电火花线切割单晶硅的放电间隙控制方法。
技术介绍
单晶硅作为一种重要的半导体材料，由于其较好的耐高温抗辐射等特性广泛应用于大规模集成电路制造、微电子元器件等领域，因而被认为是现代信息社会的基石。虽然硅材料只是第一代半导体材料，但由于含硅元素的矿产资源在地球上的储量十分丰富，且单晶硅是目前所能生产的单晶直径最大、生产工艺最完善、生产规模最大的半导体材料，因而硅器件仍然是当前应用最为广泛的半导体器件，约89％以上的大规模及超大规模集成电路都是在单晶硅片上集成制造的。另外，单晶硅在太阳能电池领域也有着广泛的应用，随着清洁能源理念的不断深入，太阳能电池的发展也必将带动单晶硅产业的极大发展。目前，单晶硅主要切割算法有：内圆切割、外圆切割、砂线切割等，由于以上算法均为为接触式机械加工，因而在切割较薄的材料时，内、外圆刀片容易产生变形和侧向振动，从而导致硅片的切缝较大(1mm左右)，因此使得硅片切割时切缝较大，而且切片表面会出现翘曲与裂缝等现象，因此外圆切割在切割半导体薄片时对厚度有很大限制；砂线切割过程中由于磨削力的作用使得工件表面容易出现裂纹，加工过程中丝线更换频繁，磨粒浪费严重，这些都容易造成加工过程中切片质量降低与加工成本过高。复杂精密是多线切割设备典型的特点，因此多线切割控制系统设计也是非常复杂的。目前，发达国际仍然是多线切割核心技术主要掌控者，发展中国家只能向发达国家购买成品多线切割装置。基于接触式加工存在的诸多问题，有学者尝试采用电火花放电加工算法加工对单晶硅进行尝试。电火花加工是利用钼丝与工件之间脉冲放电产生的高温来蚀除工件材料的一种特种加工技术，电火花加工无宏观加工应力，而且能量密度高、加工不受材料脆硬程度的限制，与上述机械接触式加工算法相比，具有更好的优势。目前，对单晶硅材料的电火花加工的研究集中在放电过程工艺参数的对工艺目标的影响过程，对控制加工过程的电参数如电压和电流等，使其处于火花放电的正常状态控制阶段，对实时在线进行工艺参数控制而实现放电间隙的实时调整的策略和算法研究相对较少，作者认为，实际的单晶硅的电火花放电切割过程一定是机械和电参数同时作用的结果。因此，本专利技术以单晶硅的电火花放电切割为背景，提出一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统及控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统，使加工过程中电火花放电间隙保持在合理的范围内，避免开路或者短路的产生，提高了单晶硅工件的表面质量。本专利技术的另一个目的是提供一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制方法。本专利技术所采用的技术方案是，一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统，包括电火花线切割机床和脉冲电源，电火花线切割机床的单晶硅工件和切割线分别连接于脉冲电源的正极和负极上，电火花线切割机床的单晶硅工件进给方向依次设置有步进电机和电机驱动器，电机驱动器通过AD转换器依次连接有数据采集器和计算机，电火花线切割机床的放电回路分别串联有采样电阻，且采样电阻与AD转换器连接。本专利技术的所采用的另一技术方案是，一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制方法，该方法采用上述电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统，具体按照如下步骤实施：步骤1、打开脉冲电源和计算机，电火花线切割机床的放电电流依次通过采样电阻、AD转换器及数据采集器进入计算机内，计算机7通过程序内的控制算法输出切割速度；步骤2、步骤1输出的切割速度经数据采集器及AD转换器进入电机驱动器，电机驱动器通过步进电机驱动电火花线切割机床以该切割速度进给，产生二次放电电流，该放电电流继续通过所述采样电阻、AD转换器及数据采集器进入计算机内的控制算法，计算机再通过程序内的控制算法输出切割速度；步骤3、重复步骤2～3，完成电火花线切割单晶硅的放电间隙的控制。本专利技术的特点还在于，计算机内的控制算法具体如下：步骤a、确定切割过程的模型阶次；步骤b、经步骤1后，对模型参数进行辨识，得出模型中遗忘因子递推最小二乘的参数；步骤c、设计最小方差自校正控制模型。步骤a中，切割过程的模型阶次采用残差方差的F检验法来确定。步骤a具体按照如下步骤实施：步骤1.1、构建切割的单输入输出过程模型：A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k)+ξ(k)(1)，式(1)～(3)中，k为时间，A(z-1)和B(z-1)为延迟算子，u(k)是切割过程的输入变量即切割速度，y(k)是切割过程的输出变量即放电电流，ξ(k)是均值，取零，θn为参数；步骤1.2、根据最小二乘法，计算得出参数θn的估计值为式(4)中，表示模型的阶次估计值，n0为过程的真实阶次，为数据矩阵，为数据向量；因此，模型的输出残差为：输出残差的方差为：式(6)中，为残差；步骤1.3、采用统计假设检验的算法对进行显著性检验，具体的检验公式为：式(7)中，t为统计量，是对应的残差方差，L为数据长度；由式(7)得出t值后，根据式(8)查分布表，检查t值是否小于tα即可找到模型的阶次，tα为阈值。步骤b中，模型中遗忘因子递推最小二乘的参数的计算步骤具体如下：步骤2.1、将式(1)转换为最小二乘格式：式(9)和(10)中，h(k)为可观测的数据向量，θ为待辨识系统参数；步骤2.2、利用数据序列{y(k)}和{h(k)}，以及遗忘因子递推最小二乘法性能指标极小化指标：得出，遗忘因子递推最小二乘的参数估计公式为：式(11)和式(12)中，λ为遗忘因子(0＜λ≤1)。步骤c中，最小方差自校正控制模型的设计具体按照如下步骤实施：步骤3.1、构建控制模型：A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)(13)，式(13)中，u(k)是系统的输入变量即切割速度，y(k)是系统的输出变量即放电电流；ξ(k)为方差为σ2的白噪声；式(13)中，在k时刻及之前的输入输出数据记作{Yk,Uk}＝{y(k),y(k-1),L,u(k),u(k-1),L}(15)；式(15)中，L为数据长度；步骤3.2、采用步骤3.1中的式(15)计算出k+d时刻输出量的预测误差：式(16)中，d为纯延迟，且d≥1，是基于{Yk,Uk}对k+d时刻输出量的预测值；步骤3.3、计算式(16)最小的d步最优预测输出y*(k+d|k)，且y*(k+d|k)满足下式；C(z-1)y*(k+d|k)＝G(z-1)y(k)+F(z-1)u(k)(17)，步骤3.4、经步骤3.3后，计算实际输出y(k+d)跟踪期望输出yr(k+d)的性能指标：J2＝E{[y(k+d)-yr(k+d)]2}(20)，并通过控制理论对式(20)的性能指标进行极小化得：y*(k+d|k)＝yr(k+d)(21)，将式(21)代入最优输出预测方程中得：C(z-1)yr(k+d)＝G(z-1)y(k)+F(z-1)u(k)(22)，式(22)变形即得最小方差电流控制模型：步骤3.5、将输出变量及放电电流y(k)与放电间隙x(k)的关系式y(k)＝α*x(k)-β导入式(23)中，得出最小方差自校正控制模型：式(24)中，α和β为常数。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统，其特征在于，包括电火花线切割机床(1)和脉冲电源(2)，所述电火花线切割机床(1)的单晶硅工件和切割线分别连接于脉冲电源(2)的正极和负极上，所述电火花线切割机床(1)的单晶硅工件进给方向依次设置有步进电机(3)和电机驱动器(4)，所述电机驱动器(4)通过AD转换器(5)依次连接有数据采集器(6)和计算机(7)，所述电火花线切割机床(1)的放电回路分别串联有采样电阻(8)，且所述采样电阻(8)与AD转换器(5)连接。

【技术特征摘要】
1.一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统，其特征在于，包括电火花线切割机床(1)和脉冲电源(2)，所述电火花线切割机床(1)的单晶硅工件和切割线分别连接于脉冲电源(2)的正极和负极上，所述电火花线切割机床(1)的单晶硅工件进给方向依次设置有步进电机(3)和电机驱动器(4)，所述电机驱动器(4)通过AD转换器(5)依次连接有数据采集器(6)和计算机(7)，所述电火花线切割机床(1)的放电回路分别串联有采样电阻(8)，且所述采样电阻(8)与AD转换器(5)连接。2.一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1所述的电火花线切割单晶硅的放电间隙控制系统，具体按照如下步骤实施：步骤1、打开脉冲电源(2)和计算机(7)，所述电火花线切割机床(1)的放电电流依次通过采样电阻(8)、AD转换器(5)及数据采集器(6)进入计算机(7)内，计算机(7)通过程序内的控制算法输出切割速度；步骤2、步骤1输出的切割速度经数据采集器(6)及AD转换器(5)进入电机驱动器(4)，所述电机驱动器(4)通过步进电机(3)驱动电火花线切割机床(1)以该切割速度进给，产生二次放电电流，该放电电流继续通过所述采样电阻(8)、AD转换器(5)及数据采集器(6)进入计算机(7)内的控制算法，计算机(7)再根据通过程序内的控制算法输出切割速度；步骤3、重复步骤2～3，完成电火花线切割单晶硅的放电间隙的控制。3.如权利要求2所述的一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制方法，其特征在于，所述计算机(7)内的控制算法具体如下：步骤a、确定切割过程的模型阶次；步骤b、经步骤1后，对模型参数进行辨识，得出模型中遗忘因子递推最小二乘的参数；步骤c、设计最小方差自校正控制模型。4.如权利要求3所述的一种电火花线切割单晶硅的放电间隙的控制方法，其特征在于，所述步骤a中，切割过程的模型阶次采用残差方差的F检验法来确定。5.如权利要求3所述的一种电火花线切割单晶硅的放电间隙控制方法，其特征在于，所述步骤a具体按照如下步骤实施：步骤1.1、构建切割的单输入输出过程模型：A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k)+ξ(k)(1)，式(1)～(3)中，k为时间，A(z-1)和B(z-1)为延迟算子，u(k)是切割过程的输入变量即切割速度，y(k)是切割过程的输出变量即放电电流，ξ(k)是均值，取零，θn为参数；步骤1.2、根据最小二乘法，计算得出参数θn的估计值为式(4)中，表示模型的阶次估计值，n0为过程的真实阶次，为数据矩阵，为数据向量；因此，模...

【专利技术属性】
技术研发人员：李淑娟，路雄，辛彬，李斯文，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61