一种基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法及装置

本发明涉及特种加工技术中复合加工领域，尤其涉及到的一种基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法及装置。

背景技术：

1、以先进集成电路、微机电系统(mems)为代表的高端产业已成为我国科技攻关的主战场。硅材在集成电路和微机电系统领域依旧占据主导地位，以通孔、通槽为代表的硅材贯通类微结构也有着广泛应用。例如，利用硅通孔技术可以实现芯片的三维堆叠，通过层间互联在减小金属线长，提高晶体管体密度，从而可以降低芯片功耗、缩短信号延迟、提高芯片性能。

2、硅等半导体拥有良好的结构与功能属性，但受制于材料高脆性与低断裂韧度，材料可加工性较差，微加工难度很高，传统的机械切削加工方法难以完成微细结构的加工。

3、激光加工可以灵活地实现半导体材料贯通结构的加工，但是由于入射能量的损失，所得的微结构常用明显的锥度，且内壁常伴有明显的热损伤。电解加工的效率较差，容易产生杂散腐蚀，且硅材电解加工常生成致密的钝化层，需借氢氟酸去除。将两种方式复合，可以提高加工精度和加工效率。磨粒的冲蚀作用可以对半导体材料表面和内壁进行研磨和抛光，进一步提高加工精度和表面质量。

4、公开号为cn114346339a的中国专利公布了一种超声辅助激光与电化学复合多能场协同加工方法，激光束经工具电极全反射后形成多个激光束同时作用于工件表面；同时，电解液经工具电极流出后作用于工件加工区域并发生电化学反应，可实现大深度低损伤深小孔的加工。但是该方法中电解射流加工系统搭建较为困难，对射流的速度与稳定性要求较高，且未涉及阵列孔方面的内容。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法及装置，利用超声振动带动磨粒去除钝化层，利用激光辐照实现高效高质量地定域电解，可以加工出高质量的孔结构。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法，在导电冰盘内嵌入光路元件，将非聚焦激光束分光、反射并通过导电冰盘下端阵列导电冰柱辐照到待加工工件上从而定域增强待加工工件导电性能；导电冰柱作为阴极，待加工工件作为阳极，在外部电源作用下，导电冰柱对应待加工工件位置处实现光控定域电解。

4、上述方案中，在导电冰工具向下进给的同时，超声振动仪带动导电冰工具振动，电解液中包含微磨粒，导电冰柱端面带动周围的磨粒冲击待加工工件从而去除钝化层，使得电解反应得以持续进行，实现对待加工工件的超声振动和光控电解的复合协同加工后得到盲孔/通孔。

5、上述方案中，所述导电冰柱内含有透明微磨粒，可对形成的盲孔/通孔侧壁持续进行抛光；所述导电冰盘和导电冰柱内含有碳纳米管。

6、上述方案中，待加工工件材料为半导体或者金属。

7、上述方案中，所述半导体为单晶硅、单晶锗或者碳化硅。

8、上述方案中，导电冰柱形状为圆柱或者异形柱；所述导电冰盘和导电冰柱分别通过光滑平坦底面模具和导电冰柱阵列模具制备，其中，光滑平坦底面模具和导电冰柱阵列模具的表面为超疏水面。

9、上述方案中，激光波长532nm，脉冲激光，脉冲宽度范围为10ps～50ns，频率范围0.1～2mhz。

10、上述方案中，所述光路元件包括激光衍射分束器。

11、上述方案中，外部电源为直流脉冲电源，输出电压为0～50v，频率为0～2mhz，占空比为0～80％；电解液为硝酸钠水溶液，质量分数为10％～30％，不含氢氟酸。

12、一种基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工装置，包括激光辐照系统、电解加工系统和超声振动系统；其中，激光辐照系统用来提供待加工工件的激光热能场，电解加工系统提供电解能量场，用来实现对待加工工件的电解加工，超声振动系统用来提供超声能场，用来产生超声波，带动周围磨粒冲击待加工工件，去除钝化层；所述激光辐照系统包括激光器、扩束镜、反光镜和振镜；所述激光器发出的激光束经过扩束镜后经反光镜反射后经过振镜发出高功率密度的激光，通过计算机可控制所述激光器发出的激光束的参数，在导电冰盘内嵌入光路元件，将非聚焦激光束分光、反射并通过导电冰柱辐照到待加工工件指定位置上；所述电解加工系统包括电解液槽、电解液、示波器、电流探头、直流脉冲电源；将待加工工件放置在电解液槽内，电解液槽内装有电解液，直流脉冲电源的正极与待加工工件相连通，直流脉冲电源的负极与导电冰工具相连通；所述电流探头用来检测电流信号，示波器用来观察电流情况；所述超声振动系统包括超声振动仪，所述超声振动仪带动导电冰工具快速振动；复合加工过程中，待加工工件和导电冰柱之间相对竖直运动，导电冰盘下端设置的导电冰柱带动周围的磨粒冲击待加工工件，去除钝化层。

13、有益效果：

14、1.本发明使用超声振动仪带动导电冰工具快速振动，阵列的导电冰柱端面带动周围的磨粒冲击加工工件，去除钝化层，避免了氢氟酸等腐蚀性成分的使用，不会对环境造成污染。

15、2.本发明将非聚焦激光束分光、反射，并通过微冰柱阵列辐照到待加工工件指定位置，从而定域增强工件的导电性，在导电冰柱阵列对应位置实现光控定域电解，提高了精密电解加工的定域性，同时也解决了阵列通/盲孔加工效率慢的问题。

16、3.本发明中导电冰柱内部含有透明微磨粒，可对形成的盲孔/通孔侧壁持续进行抛光，可进一步提高通孔的内壁质量。

17、4.本发明中可以通过已有的技术制备不同形状导电冰工具模具，模具表面为超疏水表面，通过模具注液、导电冰工具对刀、底部加热、冷却等步骤可实现导电冰工具的光滑平坦底面和冰柱阵列的快速制备，便于导电冰柱的快速修补与复原，大大提高阵列孔加工的效率。

18、5.本发明中如果改变模具设计，也可在导电冰工具下方获得其他形状工具阵列，进而实现其它贯通微结构的加工，如阶梯通孔、异形孔、贯通槽、盲孔、盲槽等。

19、6.本发明中导电冰柱内含有透明微磨粒，可在对形成的盲孔/通孔侧壁持续进行抛光的同时导电冰柱熔化吸热，防止加工区域产生热损伤导电冰柱可熔化吸热，防止加工区域产生热损伤。

20、7.本发明中制作导电冰盘和导电冰柱的溶液中含有碳纳米管，冰冻后碳纳米管可形成导电网络，从而赋予了导电冰盘和导电冰柱导电性，从而实现对待加工工件光控定域电解。

技术特征：

1.一种基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法，其特征在于，在导电冰盘内嵌入光路元件，将非聚焦激光束分光、反射并通过导电冰盘下端阵列导电冰柱辐照到待加工工件上从而定域增强待加工工件导电性能；导电冰柱作为阴极，待加工工件作为阳极，在外部电源作用下，导电冰柱对应待加工工件位置处实现光控定域电解。

2.根据权利要求1所述的基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法，其特征在于，在导电冰工具向下进给的同时，超声振动仪带动导电冰工具振动，电解液中包含微磨粒，导电冰柱端面带动周围的磨粒冲击待加工工件从而去除钝化层，使得电解反应得以持续进行，实现对待加工工件的超声振动和光控电解的复合协同加工后得到盲孔/通孔。

3.根据权利要求1所述的基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法，其特征在于，所述导电冰柱内含有透明微磨粒，可对形成的盲孔/通孔侧壁持续进行抛光；所述导电冰盘和导电冰柱内含有碳纳米管。

4.根据权利要求1所述的基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法，其特征在于，待加工工件材料为半导体或者金属。

5.根据权利要求4所述的基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法，其特征在于，所述半导体为单晶硅、单晶锗或者碳化硅。

6.根据权利要求1所述的基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法，其特征在于，导电冰柱形状为圆柱或者异形柱；所述导电冰盘和导电冰柱分别通过光滑平坦底面模具和导电冰柱阵列模具制备，其中，光滑平坦底面模具和导电冰柱阵列模具的表面为超疏水面。

7.根据权利要求1所述的基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法，其特征在于，激光波长532nm，脉冲激光，脉冲宽度范围为10ps～50ns，频率范围0.1～2mhz。

8.根据权利要求1所述的基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法，其特征在于，所述光路元件包括激光衍射分束器。

9.根据权利要求1所述的基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法，其特征在于，外部电源为直流脉冲电源，输出电压为0～50v，频率为0～2mhz，占空比为0～80％；电解液为硝酸钠水溶液，质量分数为10％～30％，不含氢氟酸。

10.一种基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工装置，其特征在于，包括激光辐照系统、电解加工系统和超声振动系统；其中，激光辐照系统用来提供待加工工件的激光热能场，电解加工系统提供电解能量场，用来实现对待加工工件的电解加工，超声振动系统用来提供超声能场，用来产生超声波，带动周围磨粒冲击待加工工件，去除钝化层；所述激光辐照系统包括激光器、扩束镜、反光镜和振镜；所述激光器发出的激光束经过扩束镜后经反光镜反射后经过振镜发出高功率密度的激光，通过计算机可控制所述激光器发出的激光束的参数，在导电冰盘内嵌入光路元件，将非聚焦激光束分光、反射并通过导电冰柱辐照到待加工工件指定位置上；所述电化学加工系统包括电解液槽、电解液、示波器、电流探头、直流脉冲电源；将待加工工件放置在电解液槽内，电解液槽内装有电解液，直流脉冲电源的正极与待加工工件相连通，直流脉冲电源的负极与导电冰工具相连通；所述电流探头用来检测电流信号，示波器用来观察电流情况；所述超声振动系统包括超声振动仪，所述超声振动仪带动导电冰工具快速振动；复合加工过程中，待加工工件和导电冰柱之间相对竖直运动，导电冰盘下端设置的导电冰柱带动周围的磨粒冲击待加工工件，去除钝化层。

技术总结
本发明公开了一种基于可修复导电冰工具的超声振动与光控电解复合加工方法及装置，属于特种加工领域。该方法利用内部嵌入光路元件的导电冰工具，将非聚焦激光束分光并通过微冰柱阵列辐照到待加工工件指定位置，从而定域增强待加工工件导电性能；导电冰柱做阴极，待加工工件作阳极，导电冰柱对应待加工工件位置处实现光控定域电解；导电冰工具超声振动，微冰柱端部带动周围的磨粒冲击待加工工件，去除钝化层，使得电解反应得以持续进行，实现超声振动和光控电解协同打孔；导电冰柱内部含有微磨粒，可对通孔内壁进行后处理；制备不同的模具，可实现导电冰工具微冰柱阵列的快速修复。本发明可以实现半导体上阵列孔的高效高质量加工。

技术研发人员：朱浩,张文颉,张朝阳,鲁金忠,毛东晨,徐坤,刘洋,赵斗艳,任伟超
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13