高精度鎢器件的應(yīng)用及加工_圖文

1、文章編號(hào) :1009-0622(200801-0038-04高精度鎢器件的應(yīng)用及加工鄧自南 , 趙 娟(西部金屬材料股份有限公司, 陜西 寶雞 721014摘 要 :介紹了高精度鎢器件在醫(yī)用 CT 準(zhǔn)直器、 探測(cè)器及半導(dǎo)體離子注入設(shè)備中的應(yīng)用, 并對(duì)高精度鎢器件的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝及加工技術(shù)進(jìn)行了分析, 提出了鎢加工材的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì), 即向著高技術(shù)、 高附加值產(chǎn)品及鎢的應(yīng)用產(chǎn) 品方向發(fā)展。關(guān)鍵詞 :高精度鎢器件; 應(yīng)用; 生產(chǎn)工藝; 加工技術(shù); 發(fā)展趨勢(shì) 中圖分類(lèi)號(hào) :TG146.4+11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A收稿日期 :2007-11-19 :, 第 23卷第 1期 2008年 2月Vol.23,No.

2、1Feb.2008China Tungsten Industry 0引 言鎢熔點(diǎn)高, 密度大, 具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、 高溫 性能和射線吸收能力, 被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、 電光源、電子、 電力、 冶金等行業(yè)中?？梢哉f(shuō)鎢材料的生產(chǎn)、 儲(chǔ)備和應(yīng)用已成為一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志 之一。我國(guó)鎢儲(chǔ)量世界第一, 也是鎢產(chǎn)品出口大國(guó), 但鎢的加工制成品仍以初級(jí)產(chǎn)品出口為主, 出口附 加值低, 鎢的高技術(shù)、 高附加值應(yīng)用產(chǎn)品所占比重 甚小,這說(shuō)明我國(guó)鎢的深度加工環(huán)節(jié)還很薄弱, 還 有很大發(fā)展余地。因此, 發(fā)展鎢材的精深加工制品 及其技術(shù)具有重大的意義。1高精度鎢器件的應(yīng)用鎢粉經(jīng)過(guò)壓制、 燒結(jié)、 軋制得到鎢板(片

3、, 鎢板 (片 再通過(guò)精密加工得到高精度鎢器件 (如圖 1、 圖2所示 ,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、 半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域。這 些產(chǎn)品在純度、 密實(shí)度、 微觀組織、 表面質(zhì)量以及尺 寸精度等方面通常都有很高的技術(shù)要求。圖 1醫(yī)用 CT 準(zhǔn)直器用鎢器件圖 2離子注入機(jī)離子源用鎢器件1.1CT 準(zhǔn)直器和探測(cè)器用高精度鎢器件CT (Computed tomography ,即 X 射線計(jì)算機(jī)斷 層成像, 是 20世紀(jì) 70年代初發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的 X 線診斷方法,它把 X 線與電子計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái), 并將其影像數(shù)字化, 徹底改變了傳統(tǒng)的直觀的影像 方法和貯存方法。準(zhǔn)直器 (Collimator 和探測(cè)器 (Det

4、ctor 是醫(yī)用 CT 機(jī)的關(guān)鍵組成部分。 因?yàn)殒u具有 優(yōu)良的抗射線穿透能力, 厚度較薄(例如 0.2mm 的 高精度鎢片經(jīng)過(guò)慢走絲線切割成為直接裝機(jī)的器 件大量使用在醫(yī)用 CT 機(jī)準(zhǔn)直器和探測(cè)器上。準(zhǔn)直 器在醫(yī)用 CT 中有兩種: X 線管側(cè)準(zhǔn)直器,又叫前準(zhǔn)直器,安裝在 CT 球管前方 , 是 X 射線經(jīng)過(guò)的第一個(gè)部件 , 從球管 中射出來(lái)的 X 射線是錐形的 , 通過(guò)帶有狹縫的鎢器 件后可得到薄片形光束 1, 它的主要功能是對(duì) X 射 線進(jìn)行層厚選擇, 通過(guò)控制 X 線束在人體長(zhǎng)軸平行 方向上的寬度從而控制掃描層厚度; 探測(cè)器側(cè)準(zhǔn)直器, 又叫后準(zhǔn)直器, 它的狹 縫分別對(duì)準(zhǔn)每一個(gè)探測(cè)器, 使

5、探測(cè)器只接收垂直入第 1期射探測(cè)器的射線,盡量減少來(lái)自其他方向的散射線 的干擾。探測(cè)器是將經(jīng)過(guò)人體組織吸收衰減后的 X 線 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件,有固定探測(cè)器和氣體探 測(cè)器兩種類(lèi)型。兩類(lèi)探測(cè)器在現(xiàn)代化的 CT 裝置中 都有選用,選用哪種測(cè)量系統(tǒng)要看偏重于哪方面的 特性。氣體探測(cè)器是利用惰性氣體氙(Xe 氣電離的 原理, 入射的 X 線使氣體產(chǎn)生電離, 通過(guò)測(cè)量電流 的大小來(lái)測(cè)得入射 X 線的強(qiáng)度。 氣體探測(cè)器的隔板 和收集電極均使用鎢器件。 隔板與 X 線入射方向一 致, 起到后準(zhǔn)直器的作用, 它可防止由被測(cè)人體產(chǎn)生 的散射線進(jìn)入電離室。 當(dāng)一束 X 線束進(jìn)入高壓氙氣 腔后, 氙氣發(fā)生電離,

6、 正離子移向負(fù)極, 而負(fù)離子由 收集電極(鎢器件 收集, 產(chǎn)生信號(hào)電流, 這信號(hào)直接 反映出檢測(cè)器對(duì) X 線的吸收量。醫(yī)用 CT 技術(shù)發(fā)展 迅速, 現(xiàn)已發(fā)展到第六代。 由于探測(cè)器的數(shù)量進(jìn)一步 增加, 高精度鎢器件使用量明顯加大, 而且需要定期 更換。 據(jù)分析, 醫(yī)用 CT 機(jī)用高精度鎢器件年使用量 超過(guò)了 1億片 , 且附加值較高。1.2半導(dǎo)體離子注入用高精度鎢器件離子注入是現(xiàn)代集成電路制造中的一種非常重 要的技術(shù), 其利用離子注入機(jī)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的摻雜, 即 使用鎢釷絲作為陰極發(fā)射電子轟擊含有特定的雜質(zhì) 元素的氣體分子,產(chǎn)生電離的特定雜質(zhì)原子經(jīng)靜電 場(chǎng)加速后打到硅單晶圓片表面, 并打入半導(dǎo)體內(nèi)部

7、, 改變導(dǎo)電特性并最終形成晶體管結(jié)構(gòu)。離子注入機(jī) 包括氣體系統(tǒng)、 真空系統(tǒng)、 電機(jī)系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)和射 束線系統(tǒng)。射束線系統(tǒng)包括離子源、 萃取電極、 質(zhì)譜 儀、 后段加速裝置、 電荷中性化系統(tǒng)、 晶圓處理機(jī)以 及射束阻擋器。用厚度較厚(245mm 的鎢板經(jīng)過(guò) 精密加工制得的鎢器件主要用于半導(dǎo)體離子注入機(jī) 的離子源系統(tǒng) , 起到約束、 屏蔽電離射線的作用, 是 制作離子源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。 據(jù)分析, 半導(dǎo)體離子注 入用鎢板全球年用量超過(guò)了 200t 。中國(guó)半導(dǎo)體材料 市場(chǎng)近年來(lái)呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)趨勢(shì), 預(yù)計(jì) 2003年至 2008年 的 年 復(fù) 合 增 長(zhǎng) 率 將 達(dá) 51%, Applied Mate

8、rials 、 Varian 、 Nission 和 Eaton 等國(guó)際知名公司也加大在中 國(guó)的采購(gòu)計(jì)劃。半導(dǎo)體設(shè)備用鎢器件的發(fā)展空間是 十分廣闊的。2高精度鎢器件的加工2.1高精度鎢器件加工的工藝流程準(zhǔn)直器和探測(cè)器用高精度鎢器件的加工流程為 理 慢走絲線切割;半導(dǎo)體離子注入用高精度鎢器 件加工流程為鎢粉 壓制 燒結(jié) 軋制 成品熱處 理 線切割 機(jī)加。2.2優(yōu)質(zhì)鎢錠坯的制備鎢錠坯的純度對(duì)板材的加工性能及使用性能有 著極其重要的影響, 如 C 、 O 等雜質(zhì)元素的進(jìn)入可以 提高鎢的塑脆轉(zhuǎn)變溫度,降低鎢的抗沖擊負(fù)荷的能 力 , 其含量超過(guò) 80×10-6100×10-6時(shí), 就

9、以化合物的 形式沿晶界分布,易發(fā)生晶間斷裂; S 和 Ni 易形成 易熔的 Ni3S 2, 沿晶界分布, 表現(xiàn)出熱脆性; Fe 、 Mg 和 Ca 易沿晶界析出,降低鎢的晶界強(qiáng)度; Ni 易在高溫 下?lián)]發(fā), 留下麻點(diǎn), 影響鎢性能的均一性 2; 有害元 素在晶界偏析時(shí), 鎢晶界的界面強(qiáng)度明顯降低, 易產(chǎn) 生晶間脆性裂紋 3; K 、 Na 等元素影響鎢的抗輻射性 能, 增加 X 光的衍射。鎢錠坯在制備時(shí)可通過(guò)控制 原始粉末純度、改善后續(xù)生產(chǎn)環(huán)境等措施減少雜質(zhì) 元素的進(jìn)入; 提高氫氣純度、 優(yōu)化燒結(jié)工藝有利于燒 結(jié)過(guò)程中間隙元素及低熔點(diǎn)雜質(zhì)的充分去除。高均 質(zhì)組織鎢錠坯對(duì)后續(xù)加工中鎢片材的加工性

10、能及尺 寸精度有至關(guān)重要的影響,如組織不均勻在加工中 容易出現(xiàn)開(kāi)裂,或者造成板材硬度的不均勻最終導(dǎo) 致加工材厚度不均勻?？赏ㄟ^(guò)提高燒結(jié)爐加熱均勻 性, 采用合理的粉末粒度配比、 優(yōu)化的燒結(jié)制度來(lái)獲 得高均質(zhì)組織的燒結(jié)鎢錠坯。目前高精度鎢器件用 優(yōu)質(zhì)鎢錠坯的最佳的燒結(jié)設(shè)備為鎢絲網(wǎng)做發(fā)熱體的 高溫氫氣燒結(jié)爐, 燒結(jié)溫度可達(dá) 2600 4, 但成本較 高。 近一段時(shí)間由于設(shè)備和燒結(jié)工藝的改進(jìn), 中頻感 應(yīng)燒結(jié)爐已能生產(chǎn)符合要求的鎢錠坯,生產(chǎn)成本大 為降低。2.3高精度鎢器件用鎢板材的制備高精度鎢器件用鎢板材的制備包括軋制、表面 處理、 成品熱處理等工序。 目前高精度鎢器件用鎢板 材的軋制均采用具有較

11、大軋制扭矩的兩輥可逆式軋 機(jī)進(jìn)行低溫開(kāi)坯。半導(dǎo)體離子注入用高精度鎢器件 用鎢板的成品軋制也在兩輥可逆式軋機(jī)上進(jìn)行; 而 準(zhǔn)直器和探測(cè)器用高精度鎢器件用鎢片的后續(xù)和成 品軋制則需要在實(shí)際軋制力較大的四輥軋機(jī)上進(jìn) 行。為了提高鎢板的后續(xù)可加工性和器件的使用性 能,離子注入用高精度鎢器件用鎢板密度不小于 19.15g/cm 3, 微觀組織不能粗大, 必須細(xì)化均勻, 消 除應(yīng)力退火充分。因而保證總加工率不低于 60%, 并選擇最佳軋制、 退火工藝對(duì)細(xì)化板材晶粒、 提高性 能顯得尤為重要(見(jiàn)圖 3、 圖 4 。圖 3為采用兩種不 7(a鄧自南 , 等 :高精度鎢器件的應(yīng)用及加工 39 第 23 卷 (a

12、 (b圖 3不同制備工藝 7mm 鎢板金相圖 4組織粗大的鎢板機(jī)加情況顯示鎢板組織均勻細(xì)化; 圖 3(b 顯示由于軋制和熱處理工藝的問(wèn)題導(dǎo)致鎢板組織粗大。圖 4顯示組織異常粗大的鎢板機(jī)加過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重的掉渣現(xiàn)象,加工后鎢板表面非常粗糙。準(zhǔn)直器和探測(cè)器鎢器件用鎢片要求表面粗糙度較小(有些規(guī)格要求表面粗糙度 Ra 在 0.2mm 以?xún)?nèi) 。為保證醫(yī)用 CT 機(jī)得到高分辨率的圖像, 對(duì)所使用準(zhǔn)直器和探測(cè)器鎢器件的平面度也有極高的要求(有些規(guī)格要求 0.01mm 以?xún)?nèi) 。針對(duì)這種要求目前采用改善軋制涂層潤(rùn)滑條件、 提高軋輥表面精度以及拋光等方法, 用以降低鎢片表面粗糙度。在采用合理的輥型和軋制方式控制鎢

13、片板形的前提下, 進(jìn)行成品熱處理, 大幅度提高鎢片平面度。在準(zhǔn)直器和探測(cè)器鎢器件用鎢片軋制過(guò)程中采用交叉軋制, 并注意控制軋制和退火溫度, 鎢片塑性顯著提高, 各向異性減弱, 成品熱處理后組織細(xì)化, 脆性降低, 有利于后續(xù)加工和使用。2.4準(zhǔn)直器和探測(cè)器鎢器件的慢走絲線切割CT 機(jī)準(zhǔn)直器和探測(cè)器鎢器件尺寸精度要求極高(有些規(guī)格要求尺寸偏差不足 ±0.01mm , 而且形狀復(fù)雜, 由于鎢片硬度和脆性較大, 傳統(tǒng)的加工方法難以加工成型, 尺寸精度得不到保證。慢走絲線切割作為一種新興的高精度加工方式, 以其獨(dú)特的加工精度和順利成型。 切割時(shí)應(yīng)正確選擇切割參數(shù), 對(duì)于不同的粗、 精加工, 絲

14、速、 絲的張力和噴流壓力 應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整。慢走絲線切割時(shí)應(yīng)避免因裝卡和清 洗不當(dāng)造成器件平面度降低,以及由于工作液性質(zhì) 的改變和其他原因?qū)е缕骷砻娓g。2.5半導(dǎo)體離子注入用高精度鎢器件的機(jī)械加工 半導(dǎo)體離子注入用高精度鎢器件的機(jī)械加工包 括平面磨制、 車(chē)、 銑、 鉆孔、 拋光、 研磨等。 由于對(duì)表面 粗糙度、 平面度、 垂直度和尺寸精度要求極高, 其大 部分機(jī)械加工依靠加工中心進(jìn)行。 鎢板屬于高強(qiáng)度、 高硬度材料, 可加工性差, 因此選擇合適的刀具和加 工工藝顯得尤為重要。鎢板機(jī)械加工時(shí),任何不連續(xù)的切削,例如銑 削, 破裂的可能性較大; 鉆孔和攻螺紋由于產(chǎn)生較大 的軸向力和徑向力, 鎢板容

15、易產(chǎn)生剝落和徑向破裂; 車(chē)削時(shí), 由于形成車(chē)削產(chǎn)生熱量, 緊靠在刀具前沿的 金屬達(dá)到半塑性狀態(tài), 鎢板不易破裂, 因此車(chē)削工藝 是一種比其他機(jī)械加工方法更為有效的方法 5; 對(duì) 平面磨制而言, 由于鎢板磨性差、 導(dǎo)熱系數(shù)小, 因而 磨削效率低, 且不易保證質(zhì)量。磨削會(huì)產(chǎn)生磨削熱, 磨削熱是一個(gè)瞬時(shí)的熱量,在鎢板內(nèi)引起的磨削溫 度也是瞬時(shí)的, 加熱時(shí)間僅在微秒的數(shù)量級(jí)內(nèi)。 在這 樣短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫來(lái)不及向鎢板內(nèi)部傳 40第 1期并與鎢板內(nèi)部形成很大的溫度梯度,形成很大的熱 應(yīng)力。 如果熱應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度, 就會(huì)產(chǎn)生磨削裂 紋(圖 5 , 裂紋通常在進(jìn)一步磨削過(guò)程中擴(kuò)展。 特別 是在鎢板冷

16、卻過(guò)程中,如果表面層與母體金屬有較 大的溫差, 那么表面層就會(huì)形成很大的拉應(yīng)力, 并保 持拉伸殘余應(yīng)力, 甚至產(chǎn)生表面裂紋。裂紋的存在, 哪怕是十分細(xì)小的微裂紋,也會(huì)極大地降低器件的 疲勞強(qiáng)度, 大大縮短器件的使用壽命。 所以必須根據(jù) 鎢板的特性合理選擇磨具,制定磨制工藝,進(jìn)行加 工, 盡可能避免裂紋的產(chǎn)生。 試驗(yàn)證明宜選用磨屑不 易堵塞、 利于排熱的砂輪 6和超高硬度砂輪 7, 采用 較低的砂輪速度和較小的徑向進(jìn)給量進(jìn)行磨制。圖 5鎢板磨削工藝不合適產(chǎn)生的裂紋 3結(jié) 語(yǔ)高精度鎢器件的加工屬于鎢板材加工的高端領(lǐng) 域, 在我國(guó)起步較晚, 但發(fā)展迅速。隨著國(guó)家鎢材出 口政策的調(diào)整,國(guó)家鼓勵(lì)具有高附

17、加值的高精度鎢 器件的出口。它可以加速中國(guó)鎢行業(yè)從提供初級(jí)產(chǎn) 品向提供深加工產(chǎn)品高端市場(chǎng)過(guò)渡,有利于提升中 國(guó)鎢行業(yè)的技術(shù)水平, 縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距, 增強(qiáng)中國(guó)鎢行業(yè)高端產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。參考文獻(xiàn) :1楊舒波 .CT 機(jī) Collimator 詳析 J. 醫(yī)療裝備, 2005, (6 :53.2郝用興, 賈耿偉 . 純鎢靶在電子轟擊下的失效分析 J. 中國(guó)鎢業(yè), 2006, 21(2 :31.3徐志昌, 張 萍 . 金屬鎢坯改性元素的偏析 J. 材料工程, 1994, (8/9 :50-51.4楊宇鋒 . 鎢材加工技術(shù)與發(fā)展 J. 中國(guó)鎢業(yè), 2004, 19(5 :57. 5葉帷洪,

18、王崇敬 . 鎢 M. 北京:冶金工業(yè)出版社, 1983.6劉蒲生 . 磨具選擇與使用 M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1985. 7薛源順, 宋秋云 . 磨工工藝學(xué) M. 北京:科學(xué)普及出版社, 1982. On the Application and Processing Technology High-precision Tungsten DevicesDENG Zi-nan, ZHAO Juan(Western Metal Material Co., Ltd, Baoji 721014, Shaanxi, ChinaAbstract:This paper introduces the applications of high-precision tungsten devices in medical collimator, detector and semiconductor ion implantation apparatus. And the key production and process technology of high-precision tungsten devices is analyzed in detail. The development tre