矽晶圓是半導體產業中的主要材料，技術發展成熟，發展空間幾乎挖掘殆盡。碳化矽具備全面優於矽的光電特性，是高功率電子元件未來的發展關鍵，但是由於碳化矽的高脆性及高硬度，使其在半導體製程中的背面磨削加工困難、刀具損耗量大，生產成本高居不下。本文目標是透過高速磨削及利用尺寸效應的概念追求碳化矽的延性磨削，好處包括磨削抵抗下降、表面粗糙度下降、砂輪壽命延長及加工損傷層減少，如此可減少背面磨削刀具消耗量和去損傷的拋光時間，降低生產成本。觀測磨削力、表面粗糙度和砂輪壽命以檢視參數改變帶來的功效，透過比磨削能探討材料移除模式的轉變，並且以切屑分析的方式來驗證。結果顯示粒度120的鑽石樹脂砂輪有3.15的臨界切深，粒度400的則是3.4(以無因次磨粒切深表示)，小於臨界切深的參數代表延性磨削存在。

Silicon wafers are the main materials in the semiconductor industry. The technology is mature and the development space is almost exhausted. Silicon carbide has photoelectric properties superior to that of silicon, and is the key to the future development of high-power electronic components. However, due to the high brittleness and high hardness, it’s difficult to conduct backside grinding and the tool loss is large. The goal of this paper is to pursue ductile grinding of silicon carbide through high-speed-grinding and the concept of size effect. Benefits include reduced grinding resistance, reduced surface roughness, extended wheel life and reduced damage layer, which reduces tool consumption and time of polishing so as to cut down the productive cost. Observe the grinding force, surface roughness and wheel life to check the effect of parameter changes. Material removal mode will be explored by specific grinding energy and verified by chip analysis. The results show that the diamond resin grinding wheel with grain size of 120 has a critical depth of cut of 3.15, and size of 400 is 3.4 (indicated by the dimensionless depth of cut), and the parameter less than the critical depth of cut represents the existence of ductile-mode-grinding.

第1章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 1
第2章 簡介 2
2.1 碳化矽 2
2.2 磨削加工 3
2.3 高速磨削 6
2.4 背面磨削 7
第3章 磨削理論 8
3.1 材料移除率(volume material removal rate) 8
3.2 磨削幾何 8
3.2.1 幾何接觸弧長 8
3.2.2 動態接觸弧長 9
3.2.3 最大未變形切屑厚度 9
3.2.4 等效切屑厚度 10
3.2.5 無因次磨粒切深 10
3.3 磨削力 10
3.4 磨削力比Fn/Ft 11
3.5 磨削功率 11
3.6 比磨削能 12
3.7 尺寸效應 12
第4章 文獻回顧 13
4.1 碳化矽磨削 13
4.2 切屑構型分析 14
4.3 高溫結構陶瓷切削模式 15
第5章 延性磨削探討 17
5.1 固定材料移除率，提升轉速 17
5.2 提升材料移除率，提升轉速 17
5.3 固定轉速，提升切深 18
第6章 實驗規劃與設備 19
6.1 實驗規劃 19
6.2 實驗設備 19
6.2.1 建德KGS-250WM1型平面磨床. 19
6.2.2 KISTLER Type 9257B 動力計 20
6.2.3 Mitutoyo SJ-301 表面粗度計 21
6.2.4 Precisa XS1220M 電子天平 22
6.2.5 OLYMPUS BH2-UMA 光學顯微鏡 22
6.2.6 實驗砂輪與試片 23
6.3 實驗架設 24
6.4 實驗項目 24
6.4.1 砂輪修整實驗 24
6.4.2 固定材料移除率，提升轉速實驗 26
6.4.3 提升材料移除率，提升轉速實驗 26
6.4.4 切深加深實驗 27
第7章 實驗結果分析與討論 29
7.1 砂輪修整實驗 29
7.2 固定材料移除率，提升轉速實驗 29
7.2.1 磨削力 29
7.2.2 表面粗糙度 31
7.2.3 砂輪損耗 32
7.2.4 材料移除量測量值 34
7.2.5 比磨削能與磨削型態推測 35
7.2.6 切屑分析與磨削型態驗證 37
7.2.7 砂輪比較 40
7.3 提升材料移除率，提升轉速實驗 43
7.3.1 磨削力 43
7.3.2 表面粗糙度 45
7.3.3 砂輪損耗 45
7.3.4 材料移除量測量值 46
7.3.5 比磨削能 47
7.4 切深加深實驗 48
7.4.1 磨削力 48
7.4.2 比磨削能與磨削型態推測 49
7.4.3 砂輪比較 53
第8章 結論與未來展望 57
8.1 結論 57
8.1.1 砂輪修整 57
8.1.2 固定材料移除率，提升轉速 57
8.1.3 提升材料移除率，提升轉速 58
8.1.4 切深加深 58
8.1.5 碳化矽延性磨削參數調整方向 58
8.2 未來展望 59
第9章 參考文獻 60

[1] 安永暢男著，唐文聰譯，精密機械加工原理，全華科技圖書，2004
[2] 碳化矽SiC材料簡介，凱樂士股份有限公司，2016
[3] Morgan Advanced Materials, Silicon Carbide for Seals and Bearings, 2019
[4] 任敬心、康仁科、史興寬，難加工材料的磨削，國防工業出版社，1999
[5] SiC功率元件，何謂SiC（碳化矽），電源設計技術資訊網站，2017
[6] 籃貫銘，碳化矽元件的市場發展關鍵：晶圓製造，2018
[7] 林澧亦，高速磨削應用於碳化矽之研究，國立清華大學動力工程系研究所碩士論文，2016
[8] J.F.G. Oliveira, Industrial challenges in grinding, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2009
[9] Ioan D. Marinescu, Tribology of Abrasive Machining Process 2nd edition, William Andrew, 2013
[10] 鄭煥文，磨削原理，中國大百科智慧藏，2006
[11] Stephen Malkin 著，蔡光起 譯，磨削技術理論與應用，東北大學出版社，2002
[12] 朱從容，超高速磨削及其關鍵技術，磨床與磨削，2000
[13] 盛曉敏，超高速磨削技術，機械工業出版社，2010
[14] Lijuan，大尺寸矽片背面磨削技術的應用與發展，2008
[15] 葛鐘，300 mm矽片表面延性磨削機理研究，2009
[16] 許明哲，晶圓背面研磨與濕式刻蝕應力消除工藝，2018
[17] Kazuya Hirata, WAFER THINNING METHOD, 2019
[18] 王德泉、陳艷，砂輪特性與磨削加工，中國標準出版社，2001
[19] Rowe, W.B., Chen, X., Characterization of the size effect in grinding and the sliced bread analogy. Int. J. Prod. Res. 35, 1997
[20] Morgan Advanced Materials, Application Guide for Ceramic Components Used in Domestic & Industrial Pumps, 2016
[21] Zhaowei Zhong, Surface finish of precision machined advanced materials, Journal of Materials Processing Technology 122, 2002
[22] CANHUA LI, Electro-Chemical Mechanical Polishing of Silicon Carbide, Journal of ELECTRONIC MATERIALS, 2004
[23] Beizhi Li, Study on high-speed grinding mechanisms for quality
and process efficiency, Int J Adv Manuf Technol, 2014
[24] Chongjun Wu, Experimental investigations of machining characteristics of SiC in high speed plunge grinding, Journal of Ceramic Processing Research. Vol. 17, 2016
[25] 盧志勇，Inconel 718的切屑型態與磨削特性之研究，國立清華大學動力工程系研究所碩士論文，1993
[26] W. Brain Rowe, Principles of Modern Grinding Technology, William Andrew, 2009
[27] T. W. Hwang, High Speed Grinding of Silicon Nitride with Electroplated Diamond Wheels, Part 1: Wear and Wheel Life, 2000
[28] Sanjay Agarwal, Experimental investigation of surface/subsurface damage formation and material removal mechanisms in SiC grinding, 2007
[29] 砂輪產品型錄，中國砂輪股份有限公司，2019
[30] Thomas G. Bifano, Specific grinding energy as an in-process control variable for ductile-regime grinding, 1991