超音波振動輔助電化學放電加工石英晶圓陣列微孔之研究

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機械工程學系

論文名稱

超音波振動輔助電化學放電加工石英晶圓陣列微孔之研究
(Ultrasonic Vibration Assisted Electrochemical Discharge Machining of Quartz Wafer Micro-Hole Arrays)

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摘要(中)

目前石英晶圓上之微孔加工主要仍仰賴類似於半導體製程的微影技術，具有設備建置成本高與空間需求大，以及容易造成環境汙染等問題，本研究係採用超音波振動輔助應用於電化學放電加工石英晶圓陣列微孔，本實驗之工具電極採用自行製備之碳化鎢陣列電極，工具電極為2×2之方形陣列電極，每一支極針的尺寸為30×30μm，進行一系列加工參數之實驗，期望得到較佳的入、出口表面形貌及平均通孔孔徑符合目標尺寸精度80±8μm。本研究採用超音波振動輔助電化學放電加工時，藉由調整各項加工參數進行單因子參數實驗，探討各項加工參數如工作電壓、進給速度、脈衝週期、衝擊係數及超音波功率等級對於石英晶圓加工陣列微孔之品質特性影響，品質特性包括平均入、出口孔徑、通孔表面形貌、出口破片情況及平均電極尖端圓角化半徑。
採用超音波振動輔助進行電化學放電加工時，適當的超音波振動輔助能薄化包覆於電極表面之絕緣氣膜，使其變薄且均勻化，隨著氣膜厚度的減小，擊穿絕緣氣膜之臨界電壓隨之降低，使其擴孔量也隨之下降，可達到目標尺寸精度之要求，實驗結果顯示，利用超音波振動輔助電化學放電陣列微孔加工，能有效提升加工能力及改善試片破片之情形，在工作電壓44V、進給速度1μm/6 sec、脈衝週期30μs、衝擊係數30%及超音波段數level 1時，有較佳之入、出口表面形貌且無出口破片的情況，同時平均入、出口孔徑也能達成微孔尺寸精度80±8μm之目標。

摘要(英)

The microhole machining of quartz wafers depends on photolithography techniques akin to those used in semiconductor fabrication. These methods present challenges due to high equipment setup costs, large space requirements, and environmental pollution risk. This research applies ultrasonic vibration assistance in electrochemical discharge machining to create an array of microholes on quartz wafers. In the experiments, a self-prepared tungsten carbide micro electrode array served as the tool electrode. This electrode was a 2 × 2 square array, with needles measuring 30 × 30 μm. A series of experiments was conducted to investigate the effects of various machining parameters including working voltage, feed rate, duration time, duty factor, and ultrasonic power level on the characteristics of the microholes array. The characteristics included average hole diameter, through-hole surface morphology, and average fillet radius of the electrode needles. The experimental objective was to achieve a through-hole diameter of 80 μm with accuracy of ±8 μm.
During the electrochemical discharge machining, suitable ultrasonic vibrations can thin the insulating gas film coating on the electrode surface, resulting in a more uniform gas film. As the insulating gas film’s thickness decreased, so did the critical voltage needed for the electrochemical discharge machining , reducing the hole’s diameter expansion. The ultrasonic vibration assistance can enable the satisfaction of the dimensional accuracy requirement. The experimental results indicate that the ultrasonic vibration assistance can effectively improve the processing capacity and reduce the sample fragmentation. A working voltage of 44 V, feed rate of 1 μm/6 s, duration time 30 μs, duty factor 30%, and ultrasonic power level of 1 resulted in better inlet and outlet surface morphology, without outlet fragmentation. Moreover, the average diameters of the inlet and outlet were roughly 80 μm while meeting the through-hole diameter of 80 μm with accuracy of ±8 μm.

關鍵字(中)

★ 電化學放電加工
★ 超音波振動輔助
★ 石英晶圓
★ 陣列電極

關鍵字(英)

★ Electrochemical discharge machining
★ Ultrasonic vibration assisted
★ Quartz wafer
★ Array electrode

論文目次

摘要 I
ABSTRACT II
致謝 IV
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章緒論 1
1-1研究背景 1
1-2研究動機及目的 3
1-3文獻回顧 5
1-4論文架構 13
第二章實驗基礎理論 14
2-1電化學放電加工的基礎理論[40] 14
2-1-1電化學放電加工之放電火花產生機制[41] 16
2-1-2電化學放電加工之材料移除機制[41、42] 19
2-2放電加工的基礎理論[40] 22
2-2-1放電加工之材料移除機制[43] 24
2-3超音波原理[44] 27
2-3-1泵吸作用(Pumping Effect) 27
2-3-2超音波振動電極之運動分析 28
第三章實驗設備與材料 30
3-1實驗方法 30
3-2 實驗設備 34
3-2-1電化學放電加工設備 34
3-2-2去離子水系統 34
3-2-3超音波清洗機 35
3-2-4電磁加熱攪拌器 36
3-2-5精密電子天平 37
3-2-6直流電源供應器（DC Power Supply） 38
3-2-7直接數位合成函數波訊號產生器(DDS Function Generator) 38
3-2-8金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET) 39
3-2-9 超音波設備 39
3-2-10高精度四軸CNC微放電加工機 40
3-2-11示波器 42
3-2-12電壓探棒(Voltage Probe) 42
3-2-13電流探棒(Current Probe) 43
3-2-14槓桿式量錶 43
3-2-15三用電錶 44
3-2-16實體顯微鏡 44
3-2-17 108自動濺射鍍膜機 45
3-2-18雷射共軛焦暨白光干涉儀(Laser Scanning Confocal Microscopy, LSCM) 45
3-2-19光學顯微影像量測儀 46
3-2-20掃描式電子顯微鏡(canning electron microscope, SEM) 46
3-3 實驗材料 48
3-3-1石英晶圓試片 48
3-3-2陣列工具電極 49
3-3-3輔助電極 50
3-3-4電解液 51
3-3-5鍍鋅銅線 52
3-4 實驗流程與方法 53
3-4-1試片製作 54
3-4-2電解液製備流程 54
3-4-3實驗架設參數設定 55
3-4-4陣列電極及陣列微孔編號 56
3-4-5實驗結果之量測孔徑方式 57
3-4-6平均微孔孔徑(Average Hole Diameter) 59
3-4-7平均電極尖端圓角化半徑量測(Average fillet radius) 59
3-4-8超音波振幅量測 60
第四章結果與討論 62
4-1有、無超音波振動輔助之加工比較 62
4-2不同參數對電化學放電陣列微孔加工之影響 64
4-2-1工作電壓對電化學放電陣列微孔加工之影響 64
4-2-2進給速度對電化學放電陣列微孔加工之影響 77
4-2-3脈衝週期對電化學放電陣列微孔加工影響 89
4-2-4衝擊係數對電化學放電陣列微孔加工影響 101
4-2-5超音波功率等級對電化學放電陣列微孔加工影響[35] 113
第五章結論 125
未來展望 128
參考文獻 129

圖目錄
圖 2-1電化學放電加工的基本配置圖[40] 15
圖 2-2 ECDM之I-V曲線關係圖[41] 18
圖 2-3放電加工機示意圖[42] 23
圖 2-4放電加工材料移除示意圖[2] 26
圖 2-5超音波泵吸作用示意圖(a)工件向下移動(b)工件向上移動 27
圖 2-6電極振動示意圖 28
圖 3-1電化學放電加工設備示意圖………………………………………….30
圖 3-2電化學放電加工設備實際架設圖 30
圖 3-3脈衝複合偏壓示意圖 33
圖 3-4電化學放電加工機 34
圖 3-5去離子水過濾系統 35
圖 3-6去離子水系統 35
圖 3-7超音波洗淨機 36
圖 3-8電磁加熱攪拌器 37
圖 3-9精密電子天平 38
圖 3-10直流電源供應器 38
圖 3-11直接數位合成函數波訊號產生器 39
圖 3-12金屬氧化物半導體場效電晶體 39
圖 3-13超音波產生器 40
圖 3-14超音波刀把 40
圖 3-15高精度四軸CNC微放電加工機 41
圖 3-16示波器 42
圖 3-17電壓探棒 42
圖 3-18電流探棒 43
圖 3-19槓桿式量錶 43
圖 3-20三用電錶 44
圖 3-21實體顯微鏡 44
圖 3-22 108自動濺射鍍膜機 45
圖 3-23雷射共軛焦暨白光干涉儀 45
圖 3-24顯微影像量測儀 46
圖 3-25掃描式電子顯微鏡 47
圖 3-26石英晶圓試片 48
圖 3-27陣列工具電極圖(a)陣列電極示意圖(b)陣列電極A-A剖面左視圖(c)陣列電極實體圖(d)陣列電極前端特寫 49
圖 3-28石墨輔助電極 50
圖 3-29鍍鋅銅線 52
圖 3-30超音波振動輔助電化學放電加工石英晶圓陣列微孔流程圖 53
圖 3-31陣列電極編號示意圖(a)陣列電極立體示意圖(b)陣列電極各極針編號示意圖(c)石英晶圓試片孔洞編號示意圖 57
圖 3-32孔徑量測示意圖 58
圖 3-33孔徑量測位置示意圖 58
圖 3-34電極圓角化尺寸量測示意圖(a)電極使用前(b)電極使用後 59
圖 3-35電極圓角化尺寸量測示意圖(a)量測鏡頭面向切口記號與量測編號(b)切口記號面背向於量測鏡頭與量測編號 60
圖 3-36超音波功率等級與振幅對照圖 61
圖 4-1有、無超音波振動輔助之加工結果圖…………………………….…63
圖 4-2有、無超音波振動輔助之電流波形圖 63
圖 4-3工作電壓與平均入、出口孔徑關係圖 68
圖 4-4不同工作電壓下入口直徑與形貌圖 69
圖 4-5不同工作電壓下出口直徑與形貌圖 70
圖 4-6不同工作電壓下陣列微孔出口之輪廓 72
圖 4-7不同工作電壓下電流波形圖 73
圖 4-8不同工作電壓下加工後電極側視圖 74
圖 4-9不同工作電壓下平均電極尖端圓角化半徑關係圖 75
圖 4-10絕緣氣膜厚薄不均勻示意圖 75
圖 4-11工作電壓最佳及最差參數之入口形貌 76
圖 4-12工作電壓最佳及最差參數之出口形貌 76
圖 4-13進給速度與平均入、出口孔徑關係圖 80
圖 4-14不同進給速度下入口直徑及形貌圖 81
圖 4-15不同進給速度下出口直徑及形貌圖 82
圖 4-16不同進給速度下陣列微孔出口之輪廓 84
圖 4-17不同進給速度下電流波形圖 85
圖 4-18不同進給速度下加工後電極側視圖 86
圖 4-19不同進給速度平均下電極尖端圓角化半徑關係圖 87
圖 4-20進給速度最佳及最差參數之入口形貌 88
圖 4-21進給速度最佳及最差參數之出口形貌 88
圖 4-22脈衝週期與平均入、出口孔徑關係圖 92
圖 4-23不同脈衝週期下入口直徑及形貌圖 93
圖 4-24不同脈衝週期下出口直徑及形貌圖 94
圖 4-25不同脈衝週期下陣列微孔之出口輪廓 96
圖 4-26不同脈衝週期下電解液液面高度相片 96
圖 4-27不同脈衝週期下電流波形圖 97
圖 4-28不同脈衝週期下加工後電極側視圖 98
圖 4-29不同脈衝週期下平均電極尖端圓角化半徑關係圖 99
圖 4-30脈衝週期最佳及最差參數之入口形貌 100
圖 4-31脈衝週期最佳及最差參數之出口形貌 100
圖 4-32衝擊係數與平均入、出口孔徑關係圖 104
圖 4-33不同衝擊係數下入口直徑及形貌圖 105
圖 4-34不同衝擊係數下出口直徑及形貌圖 106
圖 4-35不同衝擊係數下陣列微孔之出口輪廓 108
圖 4-36不同衝擊係數下電流波形圖 109
圖 4-37不同衝擊係數下加工後電極側視圖 110
圖 4-38不同衝擊係數下平均電極尖端圓角化半徑關係圖 111
圖 4-39衝擊係數最佳及最差參數之入口形貌 112
圖 4-40衝擊係數最佳及最差參數之出口形貌 112
圖 4-41超音波功率等級與平均入、出口孔徑關係圖 116
圖 4-42不同超音波功率等級下入口直徑及形貌圖 117
圖 4-43不同超音波功率等級下出口直徑及形貌圖 118
圖 4-44不同超音波功率等級下陣列微孔之出口輪廓 120
圖 4-45不同超音波功率等級下電流波形圖 121
圖 4-46不同超音波功率等級下加工後電極側視圖 122
圖 4-47不同超音波功率等級下平均電極尖端圓角化半徑關係圖 123
圖 4-48超音波功率等級最佳及最差參數之入口形貌 124
圖 4-49超音波功率等級最佳及最差參數之出口形貌 124

表目錄
表 2-1二氧化矽在25℃不同的pH值下的溶解度[41] 21
表 2-2二氧化矽在不同溫度溶液的溶解度[41] 21
表 3-1電磁加熱攪拌器規格表……………………………………………….37
表 3-2高精度四軸CNC微放電加工機規格表 41
表 3-3陣列工具電極各尺寸項目 50
表 3-4石墨的化學及物理性質表 51
表 3-5氫氧化鉀之化學性質 51
表 3-6鍍鋅銅線化學組成表 52
表 3-7單因子實驗參數項目與參數設定值 55
表 3-8固定因子實驗參數項目與參數設定值 56
表 3-9超音波功率等級與振幅對照表 61

參考文獻

參考文獻
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[45] 鄭安傑，放電複合超音波輔助電化學加工製備微圓柱陣列電極之研究，碩士論文，2022。
[46] 郭寬淵，應用微量流動電解液於電化學線放電加工石英玻璃之研究，博士論文，2015。
[47] 許世勳，大面積放電加工技術之研究，碩士論文，2012。

指導教授

崔海平(Hai-Ping Tsui)

審核日期

2023-7-20

推文