電子束離子束加工講解課件

電子束加工

一、電子束加工原理高能高速電子束沖擊工件局部熔化氣化

控制束流能量密度大小和注入時間,達到不同目的，切割打孔焊接等電子束加工一、電子束加工原理高能高速電1二、電子束加工特點1.進行精密微細加工光斑聚焦到0.1μm，加工微孔、窄縫、集成電路等2.能量密度高，生產(chǎn)率高、熱影響區(qū)小變形小105～107W/mm2,加工微孔窄縫效率比電火花高幾十倍3.加工任何材料，真空無污染，無氧化特別是易氧化材料及純度要求高半導體材料4.可控性好，易實現(xiàn)自動化通過磁場或電場對電子束強度、位置、聚焦等直接控制5.需專用設備和真空系統(tǒng)，價格較貴主要用于精密微細加工，應用有一定局限性二、電子束加工特點1.進行精密微細加工2.能量密度高，2電子槍真空系統(tǒng)控制系統(tǒng)電源等三、電子束加工設備陰極、控制柵極、加速陽極避免電子與氣體分子碰撞減速束流強度、速度、聚焦、位置以及工作臺位移控制等電源電壓穩(wěn)定性要求較高電子槍三、電子束加工設備陰極、控制柵極、加速陽極避免電子與3四、電子束加工應用鉆、切割刻蝕升華電子抗蝕劑塑料聚合塑料打孔控制束流能量密度和注入時間的不同,可用于切割、打孔、刻蝕、焊接、熱處理、曝光等。四、電子束加工應用鉆、切割刻蝕升華電子抗蝕劑塑料聚合塑料打4可用于加工耐熱鋼、不銹鋼、寶石、陶瓷、塑料、人造革等材料1.高速打孔

最小孔徑或縫寬１μm，深孔的深徑比大于15加工速度快，變形小，每秒幾千到幾萬個，

取決于板厚孔徑及復雜程度，EDM的50倍，LBM的5倍

專用塑料皮革打孔機將片狀電子束分割成數(shù)百條細束，速度達每秒５萬孔可用于加工耐熱鋼、不銹鋼、寶石、陶瓷、1.高速打孔最小5２.加工異型孔及特殊表面（切割）切割復雜型面切口寬度可達３～６μm，邊緣表面粗糙度控制在±0.5μm２.加工異型孔及特殊表面（切割）切割復雜型面6２.加工異型孔及特殊表面（切割）也可加工錐孔、彎孔、曲面及螺旋槽等利用電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)原理，將工件置磁場中，控制電子速度和磁場強度，電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)加工彎孔２.加工異型孔及特殊表面（切割）也可加工錐孔、彎孔、曲面及7３.電子束焊接

工藝特點能量密度高，焊速快，焊縫窄深，變形小，質(zhì)量好焊縫化學成分純凈，強度高

除焊碳鋼、合金鋼、不銹鋼外，更適于難熔金屬、活潑金屬焊接，異種材料、半導體材料及陶瓷石英等

主要應用

航空航天工業(yè)：發(fā)動機轉(zhuǎn)子、高壓渦輪機匣、導向葉片、儀表微型電機軸與齒輪、登月倉框架及制動引擎

其它工業(yè)：大型齒輪組件、壓力容器、造船工業(yè)等高性能、高精度、細微零件焊接。３.電子束焊接工藝特點主要應用8４.刻蝕用于集成電路、微電子器件等刻蝕微槽硅片上刻寬2.5μm深0.25μm的細槽集成電路光柵金屬鍍層上刻混合電路電阻，自動測量校準電阻值用于印刷制版在銅制滾筒上按色調(diào)深淺刻出深淺不一的凹坑，直徑70～120μm，深度5～40μm，小坑為淺色，大坑為深色４.刻蝕用于集成電路、微電子器件等刻蝕微槽用于印刷制9５.電子束光刻（曝光）是獲取各種復雜精細圖形的主要方法，通常將曝光處理作為刻蝕的前置工序用光束電子束照射電子抗蝕劑使分子鏈被切斷或重聚引起分子量變化留下潛影，在適當溶劑中顯影固化。一般紫外光曝光分辯率難小于１μm，新型曝光源和抗蝕劑的研制，最小線寬0.1μm以下電子束曝光分為掃描(線)曝光和投影(面)曝光５.電子束光刻（曝光）是獲取各種復雜精細圖形的主要方法，100.5～5mm柔性好速度慢成本高0.5～5mm柔性好11電子束投影(面)曝光接觸式曝光利用掩膜（金屬薄膜圖形樣板）復制投影曝光利用放大的原版縮小投影曝光電子束投影(面)曝光接觸式曝光利用掩膜（金屬薄膜圖形樣12離子束加工

一、離子束加工原理與電子束加工類似，在真空條件下，將離子束經(jīng)加速和聚焦后沖擊到工件表面上實現(xiàn)加工。

不同的是離子質(zhì)量是電子的數(shù)千數(shù)萬倍，在同電場中加速慢，而一旦加到高速，具有更大動能，撞擊材料引起原子分子分離濺射或注入。所利用的是離子束微觀的機械撞擊作用（彈性碰撞、微觀力效應），而不是熱效應。離子束加工一、離子束加工原理與電子束加工類似，在真空條13離子束加工分類離子刻蝕又稱離子銑削用能量為0.5～5keV的氬離子轟擊工件，將工件表面原子逐個剝離。其實質(zhì)是一種原子尺度的切削加工，納米級的加工工藝。濺射沉積（鍍膜工藝）用能量為0.5～5keV的氬離子轟擊靶材，將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，鍍上薄膜。離子束加工分類離子刻蝕又稱離子銑削濺射沉積（鍍膜工藝）14離子束加工分類離子鍍又稱離子濺射輔助沉積用能量為0.5～5keV氬離子同時轟擊靶材和工件，形成鍍膜，增強膜材與工件基材的結(jié)合力。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時進行離子鍍。離子注入用能量5～500keV離子束，直接轟擊工件材料，離子鉆進工件表面，改變其化學成分及性能。根據(jù)不同目的選用不同注入離子如C、N、B、Cr離子束加工分類離子鍍又稱離子濺射輔助沉積離子注入15二、離子束加工的特點1.進行精密微細加工聚焦掃描逐層去除原子，蝕刻精度達納米級，離子鍍達亞微米級，離子注入可極精確地控制2.微觀撞擊原子去除材料，應力變形小，質(zhì)量高適于各種材料和低剛度零件的加工3.真空加工無污染，無氧化特別適于易氧化材料及高純度半導體材料4.設備費用貴，成本高，加工效率低主要用于精密微細加工，應用受一定局限性二、離子束加工的特點1.進行精密微細加工2.微觀撞擊原子16三、離子束加工設備離子源真空系統(tǒng)控制系統(tǒng)電源等氣態(tài)原子電離為等離子體，用引出電極引出離子束流束流密度、聚焦、位置等離子注入深度、濃度等三、離子束加工設備離子源氣態(tài)原子電離為等離子體，束流密度、聚17

利用陰極5和陽極8之間電弧放電，將氬氪等惰性氣體電離為等離子體

引出電極10將正離子導出

靜電透鏡12聚焦形成高密度離子束

三、離子束加工設備利用陰極5和陽極8三、離子束加工設備18四、離子束加工的應用1.精微加工

加工非球面透鏡,金剛石刀具刃磨

精微打孔，玻璃、鎳鉑上打幾微米孔，孔壁光滑

高精度圖形刻蝕，集成電路、微電子元件、硬掩膜等

拋光致薄壓電晶體四、離子束加工的應用1.精微加工19四、離子束加工的應用2.離子鍍膜

鍍超硬膜工具上鍍TiN、TiC等

鍍潤滑膜飛機轉(zhuǎn)動部件鍍鉻銀固體潤滑膜無油潤滑、防腐鍍抗蝕膜鍍鈦、鎳鉻、鋁等鍍耐熱膜鍍鎢、鉬鉭、鈮等，抗高溫氧化鍍裝飾膜TiN、TaN（電離）接負極四、離子束加工的應用2.離子鍍膜（電離）接負極20四、離子束加工的應用3.離子注入表面改性形成確定成分表面合金，與溶解度和擴散性無關，無顯著尺寸變化控制參數(shù)真空度、束流強度、離子種類、注入時間、工件溫度等

半導體方面單晶硅中注入磷、硼雜質(zhì)，制造P-N結(jié)、大規(guī)模集成電路等。制造發(fā)光器件、紅外探測器等耐磨耐蝕潤滑性注入B、C、N、Mo、Cr、S等離子離子注入石英玻璃增加折射率，制造光波導四、離子束加工的應用3.離子注入半導體方面單21四、離子束加工的應用4.離子束曝光

具有高分辯率和靈敏度，能對線寬小于0.1μm的精密微細圖形曝光，在相同抗蝕劑時，離子束曝光的靈敏度比電子束曝光高一個數(shù)量級以上，曝光時間大為縮短。離子束將成為微細圖形寫圖和復印的重要手段，但目前電子束曝光技術比較成熟。四、離子束加工的應用4.離子束曝光22作業(yè)與思考題問答題:1.快速成形的工藝原理與常規(guī)加工工藝有何不同？具有什么特點？

2.電子束加工、離子束加工和激光加工各自的工作原理和應用范圍如何？各有什么優(yōu)缺點？

作業(yè)與思考題問答題:231.快速成形的工藝原理與常規(guī)加工工藝有何不同？具有什么特點？答：快速成形是一種基于離散堆積成形原理的新型成形技術，材料在計算機控制下逐漸累加成形，零件是逐漸生長出來的。在工藝原理上是“增材法”，與常規(guī)切削加工、電火花蝕除、電化學陽極溶解等“減材法”不同。其特點是整個工藝過程建立在激光斷層掃描、數(shù)控技術、計算機CAD技術、高分子材料等高科技基礎上，可以成形任意復雜形狀的零件，而無需刀具夾具等生產(chǎn)準備活動，因此工藝先進，柔性好，生產(chǎn)周期短。

1.快速成形的工藝原理與常規(guī)加工工藝有何不同？具有什么特點？242.答：三者都適合于精密、微細加工，但電子束、離子束加工需在真空中進行，因此加工表面不會被氧化、污染，特別適合于“潔凈”加工。電子束加工是基于電能使電子加速轉(zhuǎn)換成動能，在撞擊工件時動能轉(zhuǎn)換成熱能使材料熔化、氣化而被蝕除，主要用于打孔、切割、焊接