特種加工技術(shù)

1、 電子束加工是以高能電子束流作為熱源，對(duì)工件或材料實(shí)施特殊的加工，是一種完全不同于傳統(tǒng)機(jī)械加工的新工藝。按照電子束加工所產(chǎn)生的效應(yīng)，可以將其分為兩大類：電子束熱效應(yīng)和電子束化學(xué)效應(yīng) 電子束熱效應(yīng)是將電子束的動(dòng)能在材料表面轉(zhuǎn)化成熱能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加工。電子由電子槍的陰極發(fā)出，通過聚束極匯聚成電子束，在電子槍的加速電場(chǎng)作用下，電子的速度被提高到接近或達(dá)到光速的一半，具有很高的動(dòng)能。電子束再經(jīng)過聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈的作用，匯聚成更細(xì)的束流。當(dāng)電子束轟擊材料時(shí)，電子與金屬碰撞失去動(dòng)能，大部分能量轉(zhuǎn)化成熱能，使材料局部區(qū)域溫度急劇上升并且熔化，甚至氣化而被去除，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加工。 電子束化學(xué)效應(yīng)是利

2、用電子束代替常規(guī)的紫外線照射抗蝕劑以實(shí)現(xiàn)曝光。電子束曝光原理是先在待加工材料表面，涂上具有高分辨率和高靈敏度的化學(xué)抗腐蝕涂層，然后通過計(jì)算機(jī)控制電子束成像電鏡及偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，聚焦形成高能電子束流，轟擊涂有化學(xué)抗腐蝕涂層的材料表面，形成抗腐蝕劑圖形，最后通過離子注入、金屬沉淀等后續(xù)工藝將圖形轉(zhuǎn)移到材料表面。 1) 電子束精微加工?？赏瓿纱蚩住⑶锌p和刻槽等工藝, 這種設(shè)備一般都采用微機(jī)控制,并且常為一機(jī)多用； 2) 電子束焊接。與其他電子束加工設(shè)備不同之處在于,除高真空電子束焊機(jī)之外,還有低真空、非真空和局部真空等類型； 3) 電子束鍍膜?？烧翦兘饘倌ず徒橘|(zhì)膜； 4) 電子束熔煉。包括難熔金屬的精煉,

3、合金材料的制造以及超純單晶體的拉制等； 5) 電子束熱處理。包括金屬材料的局部熱處理以及對(duì)離子注入后半導(dǎo)體材料的退火等。電子束鍍膜電子束鍍膜 電子束焊接電子束焊接電子束熔煉電子束熔煉 電子束熱處理電子束熱處理 1）掃描電子束曝光，用電子束按所需的圖形，以微機(jī)控制進(jìn)行掃描曝光，其特點(diǎn)是圖形變換的靈活性好，分辨率高； 2）投影電子束曝光，這是一種大面積曝光法，由光電陰極產(chǎn)生大面積平行束進(jìn)行曝光，其特點(diǎn)是效率高，但分辨率較差； 3）軟X射線曝光，軟X射線由電子束產(chǎn)生，是一種間接利用電子束的投影曝光法。電子束化學(xué)加工方法是先在待加工材料表面涂上具有高分辨率和高靈敏度的化學(xué)抗腐蝕涂層,然后通過計(jì)算機(jī)控制

4、電子束成像電鏡及偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),聚焦形成高能電子束流,轟擊涂有化學(xué)抗腐蝕涂層的材料表面,形成抗腐蝕劑圖形,最后通過離子注入、金屬沉淀等后續(xù)工藝將圖形轉(zhuǎn)移到材料表面。 1）高功率密度 屬非接觸式加工，工件不受機(jī)械力作用，很少產(chǎn)生宏觀應(yīng)力變形，同時(shí)也不存在工具損耗問題。 2）電子束強(qiáng)度、位置、聚焦可精確控制，電子束通過磁場(chǎng)和電場(chǎng)可在工件上以任何速度行進(jìn)，便于自動(dòng)化控制。 3）環(huán)境污染少 適合加工純度要求很高的半導(dǎo)體材料及易氧化的金屬材料。 4) 加工速度快，如在0.1毫米厚的不銹鋼板上穿微小孔每秒可達(dá)3000個(gè)，切割1毫米厚的鋼板速度可達(dá)240毫米分。 5) 設(shè)備的使用具有高度靈活性 ,并可使用同一臺(tái)設(shè)

5、備進(jìn)行電子束焊接、 表面改善處理和其他電子束加工; 6) 電子束加工是在真空狀態(tài)下進(jìn)行 ,對(duì)環(huán)境幾乎沒有污染; 7) 對(duì)于各種不同的被處理材料 ,其效率可高達(dá) 75%98% ,而所需的功率則較低; 8. 能量的發(fā)生和供應(yīng)源可精確地靈活移動(dòng) ,并具有高的加工生產(chǎn)率; 9) 可方便地控制能量束 ,實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化; 1） 由于使用高電壓，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng) X射線，必須采取相應(yīng)的安全措施； 2） 需要在真空裝置中進(jìn)行加工； 3） 設(shè)備造價(jià)高等。電子束加工對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的真空度要求較高 ,使得電子束加工 價(jià)格昂貴 ,一定程度上限制了其在生產(chǎn)中的應(yīng)用.。 由于電子束流具有以上特點(diǎn) ,目前已被廣泛地應(yīng)用于高硬度、易

6、氧化或韌性材料的微細(xì)小孔的打孔,復(fù)雜形狀的銑切,金屬材料的焊接、熔化和分割,表面淬硬、光刻和拋光 ,以及電子行業(yè)中的微型集成電路和超大規(guī)模集成電路等的精密微細(xì)加工中。 電子束加工廣泛用于焊接（見電子束焊），其次是薄材料的穿孔和切割。穿孔直徑一般為0.031.0毫米，最小孔徑可達(dá)0.002毫米。切割0.2毫米厚的硅片，切縫僅為0.04毫米，因而可節(jié)省材料。 最重要的是，這些特性具有高的分解力和長(zhǎng)的電場(chǎng)深度,電場(chǎng)是由于高能電子的短波產(chǎn)生的。電子束加工按其功率密度和能量注入時(shí)間的不同，可用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和光刻加工等。 1)電子束表面改性技術(shù) 利用電子束的加熱和熔化技術(shù)還可以對(duì)材料進(jìn)

7、行表面改性。例如電子束表面淬火，電子束表面熔凝，電子束表面合金化，電子束表面熔覆和制造表面非晶態(tài)層。過改性后的材料表面組織結(jié)構(gòu)得到改善，強(qiáng)度和硬度得到大幅提高，耐腐蝕性和防水性也相應(yīng)地得到增強(qiáng) 2)電子束物理氣相沉積(EBPVD)是電子束技術(shù)與物理氣相沉積技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是利用高能電子轟擊沉積材料，使其迅速升溫氣化而凝聚在基體材料表面的一種表面加工工藝。根據(jù)沉積材料的性質(zhì)，可以使涂層具有優(yōu)良的隔熱、耐磨、耐腐蝕和耐沖刷性能，對(duì)基體材料產(chǎn)生一定的保護(hù)作用 3)電子束焊接 電子束焊接具有焊縫深寬比大，焊接速度快，工件熱變形小，焊縫物理性能好，工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且能改善接頭機(jī)械性能，減少缺陷，保

8、證焊接穩(wěn)定性和重復(fù)性。因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景 4)電子束打孔 用電子束對(duì)材料進(jìn)行打孔加工時(shí)，要求電子束的能量密度需大于108Wcm2，每個(gè)電子束脈沖打一個(gè)孔，脈沖寬度一般只有幾毫秒，脈沖的速率快，打孔的速度可以達(dá)到每秒幾個(gè)到3000個(gè)孔。電子束脈沖的能量高，不受材料硬度的限制，沒有磨損，可以對(duì)難熔、高強(qiáng)度和非導(dǎo)電材料進(jìn)行打孔加工。并且電子束的束斑形狀可控，能加工各種孔，加工效率高，加工材料的適應(yīng) 范圍廣，加工精度高、質(zhì)量好，無缺陷，一般不需要二次加工。 電子束加工裝置：主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分組成控制系統(tǒng)：是由束流聚焦控制、束流位置控制、束流強(qiáng)度控制以及工作臺(tái)位移的控制

9、等組成。束流聚焦控制是為了提高電子束的的能量密度，使電子束聚焦成很小的束流，它基本上決定著加工點(diǎn)的孔徑或縫寬。聚焦一種是利用高壓靜電場(chǎng)使電子流聚焦成細(xì)束；另一種比較可靠是利用“電磁透鏡”靠磁場(chǎng)聚焦。 真空系統(tǒng)：是為了保證在電子束加工時(shí)達(dá)到1.33x10-21.33x10-4Pa的真空度。因?yàn)橹挥性诟哒婵諘r(shí)，電子才能高速運(yùn)動(dòng)。為了消除加工時(shí)的金屬蒸氣影響電子發(fā)射，使其不穩(wěn)定現(xiàn)象，需要不斷地把加工中產(chǎn)生的金屬蒸氣抽去。它一般由機(jī)械旋轉(zhuǎn)泵和油擴(kuò)散泵或渦輪分子泵兩部分組成，先用機(jī)械旋轉(zhuǎn)泵把真空室抽至1.40.14Pa的初步真空度，然后由油擴(kuò)散泵或渦輪分子泵抽至0.0140.00014的高真空度。 束流

10、強(qiáng)度控制：是為了使電流得到更大的運(yùn)動(dòng)速度，常在陰極上加上50150KV以上的負(fù)高壓。加工時(shí)，為了避免熱量擴(kuò)散到不用加工的部位，常使用電子束間歇脈沖性地運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)的移控制是為了在加式過程中控制工作臺(tái)的位置。如果在大面積加工時(shí)有伺服電機(jī)控制工作臺(tái)移動(dòng)并與電子束的偏轉(zhuǎn)相配合將減少像差和影響線性。 電子槍：是獲得電子束的裝置，它包括電子發(fā)射陰極、控制柵極和加速陽極等。其中陰極經(jīng)電流加熱發(fā)射電子，帶負(fù)電荷的電子高速飛向帶高電位的正極，在飛向正極的過程中，經(jīng)過加速，又通過電磁鏡把電子束聚焦成很小的束流。加速陽極通常接地，而在陰極加以很高的負(fù)電壓以驅(qū)使電子加速。電子束加工的工件電子束加工的工件 5.1我國電子束加工現(xiàn)狀 60年代初，我國開始跟蹤世界電子束加工技術(shù)的發(fā)展，并開始設(shè)備及工藝的研究工作。航空工業(yè)總公司北京航空工藝研究所是最早開展此項(xiàng)工作的單位之一。經(jīng)過30多年的努力，我國的電子束加工技術(shù)取得了可喜的成果。5.2 我國電子束加工技術(shù)的發(fā)展縱觀電子束加工技術(shù)現(xiàn)狀及新的發(fā)展趨勢(shì)，可以看出，我國雖經(jīng)30多年的實(shí)踐取得了一定成果，但差距很大，今后的任務(wù)還很艱巨，既要跟蹤世界先進(jìn)水平，又要趕超過去拉下的距離。今后的工作應(yīng)從以下幾方面展開： 1 電子束能量密度分布測(cè)試技術(shù)及束流品質(zhì)自適應(yīng)控制技術(shù)研究 2 高壓電場(chǎng)分布及高壓穩(wěn)定技術(shù)研究； 3 電