Caracterização e análise cinemática da usinagem de silício e carbeto de silício

Abstract

A busca por fontes de energia limpa, como a solar, enfrenta o desafio econômico do alto custo de fabricação de células fotovoltaicas. Nesse contexto, o corte de materiais semicondutores, como o silício (Si) e o carbeto de silício (SiC), é uma etapa crítica, já que processos ineficazes podem introduzir danos como microtrincas e alta rugosidade, comprometendo a integridade dos wafers. Para otimizar o processo de usinagem com fio diamantado, que tem se destacado na indústria, é essencial aprofundar a compreensão dos mecanismos de corte e sua influência na qualidade da superfície. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma abordagem abrangente para avaliar o comportamento mecânico do silício e do carbeto de silício em condições de usinagem típicas, a fim de otimizar o processo. Para alcançar esse objetivo, foi investigada a influência da velocidade de avanço na integridade da superfície do carbeto de silício usinado. A análise da morfologia da superfície por meio de imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) revelou que, na menor taxa de avanço (0,5 mm/min), o material é removido predominantemente por um regime dúctil, com poucos danos. Ao aumentar a velocidade para 1,5 mm/min, houve uma clara mudança para o regime de remoção frágil, caracterizado por uma densidade significativa de microtrincas e crateras. As medições de rugosidade confirmaram essa tendência, mostrando um aumento progressivo dos parâmetros Ra e Rq à medida que a velocidade de avanço aumentava. Os ensaios de nanoriscamento e nanoindentação em carbeto de silício também complementaram os achados, demonstrando que a profundidade residual do risco e o volume de material removido aumentam com a carga normal aplicada, indicando uma maior participação de mecanismos de fratura. Por fim, este estudo confirmou que a usinagem em um regime predominantemente dúctil pode ser alcançada e é benéfica para a qualidade superficial de materiais duros e frágeis. Os dados e modelos gerados servem como uma base sólida para otimizar processos de usinagem de ultraprecisão, contribuindo para a redução de custos e para o aprimoramento do desempenho de dispositivos semicondutores.