現(xiàn)代加工技術-09電子束、離子束加工

現(xiàn)代加工技術-09電子束、離子束加工第一頁，共61頁。課程內(nèi)容大綱?1緒論?2電火花加工?3電火花線切割加工?4電化學加工?5超聲波加工?6磨料與水噴射加工?7激光加工?8快速原型制造?9電子束、離子束加工?10化學加工、等離子體、磁性磨料加工、擠壓珩磨2第二頁，共61頁。7.1電子束加工一、電子束加工的原理和特點二、電子束的加工裝置三、電子束加工應用3第三頁，共61頁。概述利用高能量密度的電子束對材料進行工藝處理的一切方法統(tǒng)稱為電子束加工。電子束加工（ElectronBeamMachining簡稱EBM）起源于德國。1948年德國科學家斯特格瓦發(fā)明了第一臺電子束加工設備。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前電子束加工技術已在核工業(yè)、航空宇航、精密制造等工業(yè)部門廣泛應用。電子束加工應用于：電子束焊接、打孔、表面處理、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積、雕刻、銑切、切割以及電子束曝光等。目前，世界上電子束加工技術較先進的國家：德國、日本、美國、俄羅斯以及法國等。?電子束加工3分45.mp44第四頁，共61頁。EB-Generator

vonpro-beam陰極支撐陰極控制柵極陽極圍繞線圈Stigmatoren光闌電磁透鏡聚焦線圈偏轉線圈第五頁，共61頁。6第六頁，共61頁。電子束加工原理圖控制柵極加速陽極電子束斑點旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺7第七頁，共61頁。一、電子束加工的原理和特點1.加工原理在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密度為106～109w/cm2的極細束流，高速沖擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時間內(nèi)，其能量大部分轉換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來去除材料?？刂齐娮邮芰棵芏鹊拇笮『湍芰孔⑷霑r間，就可以達到不同的加工目的。8第八頁，共61頁。2.電子束加工特點1.電子束能夠極其微細地聚焦(可達l～0.1μm)，故可進行微細加工。2.加工材料的范圍廣。能加工各種力學性能的導體、半導體和非導體材料。非接觸加工，工件不產(chǎn)生宏觀應力和變形。3.電子束的能量密度高，加工效率很高。4.加工過程便于自動化?？梢酝ㄟ^磁場或電場對電子束的強度、位置、聚焦等進行直接控制。5.加工在真空中進行，污染少，加工表面不易被氧化。6.設備投資高。電子束加工需要整套的專用設備和真空系統(tǒng)，價格較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。9第九頁，共61頁。二、電子束的加工裝置

電子束加工裝置主要由以下幾部分組成。（1）電子槍。獲得電子束的裝置。它包括：電子發(fā)射陰極—用鎢或鉭制成，在加熱狀態(tài)下發(fā)射電子?？刂茤艠O—既控制電子束的強弱，又有初步的聚焦作用。加速陽極—通常接地，由于陰極為很高的負壓，所以能驅(qū)使電子加速。圖6-2電子束加工裝置示意圖1-工作臺系統(tǒng)；2-偏轉線圈；3-電磁透鏡；4-光闌；5-加速陽極；6-發(fā)射電子的陰極；7-控制柵極；8-光學觀察系統(tǒng)；9-帶窗真空室門；10-工件10第十頁，共61頁。二、電子束的加工裝置圖6-2電子束加工裝置示意圖1-工作臺系統(tǒng)；2-偏轉線圈；3-電磁透鏡；4-光闌；5-加速陽極；6-發(fā)射電子的陰極；7-控制柵極；8-光學觀察系統(tǒng)；9-帶窗真空室門；10-工件（2）真空系統(tǒng)

保證電子加工時所需要的真空度。一般電子束加工的的真空度維持在1.33×10-2~1.33×10-4Pa。（3）控制系統(tǒng)和電源。控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強度控制以及工作臺位移控制。11第十一頁，共61頁?？刂葡到y(tǒng)和電源束流聚焦控制：提高電子束的能量密度，它決定加工點的孔徑或縫寬。聚焦方法：一是利用高壓靜電場是電子流聚焦成細束；另一種方法是利用“電磁透鏡”靠磁場聚焦。束流位置控制：改變電子的方向。工作臺位移控制：加工時控制工作臺的位置。電源：對電壓的穩(wěn)定性要求較高，常用穩(wěn)壓電源。12第十二頁，共61頁。三、電子束加工應用1-淬火硬化；2-熔煉；3-焊接；4-打孔；5-鉆、切削；6-刻蝕；7-升華；8-塑料聚合；9-電子抗蝕劑；10-塑料打孔13第十三頁，共61頁。1.電子束打孔電子束打到材料表面電子束貫穿材料電子束打到輔助材料產(chǎn)生噴射電子束打到材料內(nèi)部材料表面受到電子束沖擊開始熔化，氣化材料氣化形成氣泡，破裂后隨著蒸汽溢出，形成空穴電子束沖擊到工件下面的輔助材料，產(chǎn)生噴射，將空穴周圍熔化材料吹出，完成打孔過程

繼續(xù)受到電子束作用14第十四頁，共61頁。1.電子束打孔高速打孔高速打孔在生產(chǎn)中實際應用最多，目前最小直徑可達Φ3μm左右，最大深徑比可達10，其深度亦可達10cm以上。1.生產(chǎn)效率高。機翼吸附屏的孔、噴氣發(fā)動機套上的冷卻孔，此類孔數(shù)量巨大（高達數(shù)百萬），且孔徑微小，密度連續(xù)分布而孔徑也有變化，非常適合電子束打孔。15第十五頁，共61頁。1.電子束打孔2.加工材料范圍廣。可加工不銹鋼、耐熱鋼、寶石、陶瓷、玻璃、塑料和人造革等各種材料上的小孔、深孔。能加工各種孔，包括異形孔、斜孔、錐孔和彎孔。孔的密度可連續(xù)變化，其孔徑大小可隨時調(diào)整。加工質(zhì)量好，無毛刺和再鑄層等缺陷。精度：孔徑誤差在±5％以內(nèi)。16第十六頁，共61頁。絕緣行業(yè)：玻璃棉擋油環(huán)造紙和紙漿行業(yè)：過濾器發(fā)動機:散熱孔電子束打孔第十七頁，共61頁。2．加工型孔及特殊表面電子束加工的噴絲頭異形孔18第十八頁，共61頁。電子束加工彎曲的孔加工彎孔：利用電子束在磁場中偏轉的原理，使電子束在工件內(nèi)偏轉方向?？刂齐娮铀俣群痛艌鰪姸龋涂煽刂魄拾霃?，加工出彎曲的孔。19第十九頁，共61頁。3.電子束切割可對各種材料進行切割，切口寬度僅有3～6μm。利用電子束再配合工件的相對運動，可加工所需要的曲面。電子束加工曲面20第二十頁，共61頁。電子束加工樣品第二十一頁，共61頁。4.電子束刻蝕利用電子束的熱加工原理，對工件進行類似銑削的加工。在微電子器件生產(chǎn)中，為了制造多層固體組件，可利用電子束對陶瓷或半導體材料刻出許多微細溝槽和孔來，如在硅片上刻出寬2.5μm，深0.25μm的細槽。電子束刻蝕還可用于制版，在銅制印刷筒上按色調(diào)深淺刻出大小、深淺不一的溝槽或凹坑，大坑代表深色，小坑代表淺色。22第二十二頁，共61頁。5.電子束焊接利用電子束作為熱源的焊接工藝。特點：電子束焊接具有焊縫深寬比大；焊接速度快，焊縫深而窄，焊件變形小；不用焊條，接頭機械性能好；可進行異種金屬焊接；可在精加工后焊接等等。應用：應用范圍極為廣泛，尤其在焊接大型鋁合金零件中，具有極大的優(yōu)勢，并且可用于不同金屬之間的連接。如美國和日本采用電子束焊接工藝加工發(fā)電廠汽輪機的定子部件；美國還將電子束焊接工藝廣泛應用于飛機制造中。23第二十三頁，共61頁。電子束焊接的實例圖片第二十四頁，共61頁。6.電子束表面處理電子束將工件表面加熱到相變溫度以上，再快速冷卻，從而達到表面熱處理的目的。特點：

A）快速加熱淬火，可得到超微細組織，提高材料的強韌性；

B）處理過程在真空中進行，減少了氧化等影響，可以獲得純凈的表面強化層；

C）電子束功率參數(shù)可控，可以控制材料表面改性的位置、深度和性能指標。25第二十五頁，共61頁。6.電子束表面處理應用：表面淬火、表面熔凝、表面合金化、表面熔覆和制造表面非晶態(tài)層。經(jīng)表面改性的表層一般具有較高的硬度、強度以及優(yōu)良的耐腐蝕和耐磨性能。26第二十六頁，共61頁。7.電子束光刻先利用低功率密度的電子束照射電致抗蝕劑的高分子材料，由于入射電子與高分子相碰撞，使高分子的鏈被切斷或重新聚合而引起分子量的變化，稱為電子束曝光。如果按規(guī)定圖形進行電子束曝光，會在電致抗蝕劑中留下潛像；然后將曝光后的潛像浸入適當?shù)娜軇┲校瑒t由于分子量不同而溶解度不一樣，就會使?jié)撓耧@影出來——顯影；將光刻與離子束刻蝕或蒸鍍工藝結合就能在金屬掩?；虿牧媳砻嫔现瞥鰣D形來。電子束曝光可以獲得比可見光曝光更高分辨率的圖像。電子束可達到最佳0.25μm的線條寬度>可見光波長27第二十七頁，共61頁。電子束曝光加工過程圖6-7電子束曝光加工過程A-電子束曝光；B-顯影；C-蒸鍍；D—離子刻蝕；E、F-去掉抗蝕劑，留下圖形1-電子束；2-電致抗蝕劑；3-基板；4-金屬蒸汽；5-離子束；6-金屬28第二十八頁，共61頁。離子束4.刻蝕（形成溝槽）5.沉積（形成電路）6.剝膜（去除光致抗蝕劑）3.顯影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或掃描）掩膜電子束圖24

電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程1.涂膠（光致抗蝕劑）氧化膜光致抗蝕劑基片電子束光刻大規(guī)模集成電路第二十九頁，共61頁。電子束刻蝕圖案30第三十頁，共61頁。電子束加工END電子束加工END31第三十一頁，共61頁。AutomatischeStrahlpositionierung.Elektronenstrahl-Prozesskontrolle

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AbtastenderNahtundPositions-korrektur第三十二頁，共61頁。EB-DeflectionTechnicsElektronenstrahl-Technologien

OneBathTechnics

MultiPoolTechnicsDynamicMultiPoolTechnicsNonFocusFlashTechnicsFieldTechnicsLineScanMultiBathTechnics

第三十三頁，共61頁。EB-DeflectionTechnics:MultiProcessTechnicsElektronenstrahl-TechnologienEB-Hardening/EB-AnneallingEB-Pre-heating/EB-RemeltingEB-Pre-heating/EB-Welding/EB-GladdingEB-Positioning/EB-Welding/EB-After-heating第三十四頁，共61頁。2-KammerschleusenanlagezumEB-Schwei?envonRaumfahrtkomponenten.Elektronenstrahl-Anlagentechnik第三十五頁，共61頁。EB-Umschmelzen(EBU)vonNockenwellen.Elektronenstrahl-Umschmelzen(EBU)EB-UmgeschmolzeneNockenwellenEB-UmgeschmolzeneNockenmitMehrbahntechnik

第三十六頁，共61頁。EB-H?rtenvonNockenwellen.Elektronenstrahl-H?rtenNockenGGG60,Schliffbild

Material: GGG60mod./cf53Ziel: H?rtenderLauffl?chenRht: 0,5mmH?rtewert: 50HRCTaktzeit: 35sbis45sEB-Anlage: 10kW/60kV第三十七頁，共61頁。7.2離子束加工一、離子束加工原理、分類和特點二、離子束加工裝置三、離子束加工的應用?離子束加工8分02.mp438第三十八頁，共61頁。在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面。由于離子帶正電荷，其質(zhì)量數(shù)比電子大數(shù)千倍甚至上萬倍，它撞擊工件時具有很大撞擊動能，通過微觀的機械撞擊作用從而實現(xiàn)對工件的加工。離子束加工的物理基礎是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應、濺射效應和注入效應。1.離子束加工的原理和物理基礎39第三十九頁，共61頁。相同點：加工原理基本相同。不同點：離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍，故在電場中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能。

電子束加工是靠電能轉化為熱能進行加工的。

離子束加工是靠電能轉化為動能進行加工的。

離子束加工與電子束加工的比較40第四十頁，共61頁。2.離子束加工分類按所利用的物理效應和達到目的的不同，可以分為四類，即利用離子撞擊和濺射效應的離子刻蝕、離子濺射沉積和離子鍍，以及利用注入效應的離子注入.41第四十一頁，共61頁。采用能量為0.1～5keV、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時，此高能離子所傳遞的能量超過工件表面原子（或分子）間鍵合力時，材料表面的原子（或分子）被逐個濺射出來，以達到加工目的。這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削。（1）離子刻蝕42第四十二頁，共61頁。樣品可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡，還可用于刻蝕集成電路等的高精度圖形。第四十三頁，共61頁。

采用能量為0.1～5keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜。實際上此法為一種鍍膜工藝。（2）離子濺射沉積第四十四頁，共61頁。離子鍍也稱離子濺射輔助沉積。在鍍膜時，用0.5—5kev的氬離子，同時轟擊靶材和工件表面，以增強膜材與工件基材之間的結合力（可達10～20MPa）。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時進行離子鍍。

該方法適應性強、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快，目前已獲得廣泛應用。（3）離子鍍膜第四十五頁，共61頁。樣品第四十六頁，共61頁。用5～500keV能量的離子束，直接轟擊工件表面，由于離子能量相當大，可使離子鉆入被加工工件材料表面層，改變其表面層的化學成分，從而改變工件表面層的機械物理性能。該方法不受溫度及注入何種元素及粒量限制，可根據(jù)不同需求注入不同離子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均勻性好，純度高，其注入的粒量及深度可控制，但設備費用大、成本高、生產(chǎn)率較低。（4）離子注入第四十七頁，共61頁。加工精度高。離子束加工是目前最精密、最微細的加工工藝，是當代毫微米級加工技術的基礎。離子束轟擊工件的材料時，其束流密度和能量可以精確控制。離子刻蝕可達納米級精度，離子鍍膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。環(huán)境污染少。離子束加工在真空中進行，特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導體材料進行加工。加工質(zhì)量高。離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的，加工應力和變形極小，適宜于對各種材料和低剛件零件進行加工。離子束加工設備費用貴、成本高，加工效率低，因此應用范圍受到一定限制。3.特點第四十八頁，共61頁。二、離子束加工裝置離子束加工裝置與電子束加工裝置類似，包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。主要的不同部分是離子源系統(tǒng)。離子源(又稱離子槍)，作用是產(chǎn)生離子束流?；竟ぷ髟硎菍鈶B(tài)原子注入離子室，然后使氣體原子經(jīng)受高頻放電、電弧放電、等離子體放電或電子轟擊被電離成等離子體，并在電場作用下將正離子從離子源出口引出而成為離子束。根據(jù)離子產(chǎn)生的方式和用途離子源有多種型式。常用的有考夫曼型離子源、雙等離子體離子源。?離子束加工8分02.mp449第四十九頁，共61頁。1.考夫曼型離子源其結構原理如圖所示，由熱陰極燈絲發(fā)射電子，在陽極的吸引力下向下方的陰極移動，同時受線圈磁場的偏轉作用，作螺旋運動前進。惰性氣體由注入口進入電離室，并在高速電子的撞擊下被電離成為離子。陰、陽極上各有幾百個直徑為0.3mm的小孔，上下位置嚴格對齊。在引出電極的作用下，將離子吸出，形成幾百條離子束，均勻分布在直徑為50～300mm的面積上。考夫曼型離子源50第五十頁，共61頁。2.雙等離子體型離子源雙等離子體型離子源，是利用陰極和陽極之間低氣壓直流電弧放電，將惰性氣體在陽極小孔上方的低真空中等離子體化。中間電極的電位一般比陽極的低，它和陽極都用軟鐵制成，因此在這兩個電極之間形成很強的軸向磁場，使電弧放電局限在其中間，在陽極小孔附近產(chǎn)生強聚焦高密度的等離子體。引出電極將正離子導向陽極小孔以下的高真空區(qū)，再通過靜電透鏡形成密度很高的離子束去轟擊工件表面。惰性氣體入口陰極中間電極電磁線圈陽極控制電極絕緣子引出電極離子束靜電透鏡擺動裝置工件三坐標工作臺雙等離子體型離子源51第五十一頁，共61頁。三、離子束加工的應用1.刻蝕加工2.鍍膜加工3.離子注入加工4.離子束曝光52第五十二頁，共61頁。

將被加速的離子聚焦成細束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實現(xiàn)分子級去除加工。惰性氣體入口陰極中間電極電磁線圈陽極控制電極絕緣子引出電極離子束靜電透鏡擺動裝置工件三坐標工作臺離子束去除加工裝置

加工裝置如圖示。三坐標工作臺可實現(xiàn)三坐標直線運動，擺動裝置可實現(xiàn)繞水平軸擺動和繞垂直軸轉動。

離子束刻蝕加工可用于非球面透鏡成形，金剛石刀具和沖頭的刃磨，大規(guī)模集成電路芯片刻蝕等。1.刻蝕加工53第五十三頁，共61頁?？涛g加工非球面透鏡離子束加工非球面透鏡原理

1、6—回轉軸2、4—離子束

3—工件5—擺動軸加工原理如圖所示。透鏡加工時，不僅繞自身軸線1、6回轉，而且還要擺動一個角度θ，并用光學干涉儀對加工表面形狀進行檢測，用電子計算機控制整個加工過程，現(xiàn)已加工出直徑為61cm的拋物鏡面，其精度是其他加工方法無法達到的。54第五十四頁，共61頁?？涛g加工金剛石離子束加工金剛石壓頭和刀具離子束離子束r=0.01μm預加工終加工a)壓頭r=0.01μm離子束離子束預加工終加工b)刀具55第五十五頁，共61頁。蝕刻微細槽線離子束精密蝕刻微細槽線實例a)動壓馬達止推板上