现代加工技术第7章 电子束离子束加工
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发布日期:2020-01-02

       

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  7. 电子束离子束加工 7.1.电子束加工 1 I 电子束加工原理和特点 加工原理 在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高的电子束,以 极高的速度冲击到工件表面极小的面积上,在极短时间 内,其能量大部分转变为热能,使被冲击部分的工件材 料达到几千摄氏度以上的高温,从而引起材料的局部熔 化或气化; 控制电子束能量密度的大小和能量注入时间,就可以达 到不同的加工目的; Page 2 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.1.电子束加工 1 电子束加工原理和特点 II 加工特点 i ii iii iv v 电子束能够极其细微的聚焦,可以加工微孔、窄 缝和半导体集成电路等; 去除材料主要靠瞬时蒸发,非接触式加工,不易 产生宏观应力和变形,加工材料范围广; 通过磁场或电场对电子束的强度、位置和聚焦等 进行控制,便于实现自动化; 真空加工污染小,工件表面不易氧化; 加工较贵,生产应用有局限性; 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 Page 3 7.1.电子束加工 2 I i 电子束加工的设备 电子枪 获得电子束的装置; 包括电子发射阴极、控制栅极和 加速阳极等; ii iii iv 发射阴极一般由纯钨或钽做成丝状阴极; 控制栅极较阴极为负的偏压, 既能控制电子束的强弱,又初 步聚焦; 加速阳极通常接地,阴极加以 很高的负电压以驱使电子加速; 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 Page 4 7.1.电子束加工 2 电子束加工的设备 II i ii 真空系统 维持一定的真空度,保证电子高速运动; 由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成; 先用机械旋转泵把真空室抽至初步线Pa),再由油扩散泵或涡轮分子泵抽至高 线章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.1.电子束加工 2 电子束加工的设备 III i 控制系统和电源 束流聚焦控制: 提高电子束能量密度; 聚焦方式:高压静电场或“电磁透镜”; ii 束流强度控制: 提高电子束运动速度; 间隙性加速电压,使电子束脉冲性运动; Page 6 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.1.电子束加工 2 电子束加工的设备 III iii 控制系统和电源 束流位置控制: 改变电子束的方向; 电磁偏转来控制,使偏转电压按一定规律变化; iv 工作台位移控制: 配合电子束偏转,扩大加工范围和形状; v 电源: 要求电源电压稳定; Page 7 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.1.电子束加工 3 I 电子束加工的应用 高速打孔 孔径小,可达Ф0.003; 可在工件运动中打孔; 能加工深孔; 加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性 材料时,需用电阻炉或电子束 预热,防止应加工温差大材料 破碎; Page 8 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.1.电子束加工 3 电子束加工的应用 II 加工型孔或特殊表面 切割复杂型面,切口宽度6~3 μm ,边 缘粗糙度可控制在±0.5μm ; 不仅可以加工直孔也可以加工弯孔和 立体曲面; Page 9 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.1.电子束加工 3 电子束加工的应用 III 刻蚀 在微电子器件生产中,为了制造多层固体组件,利用电 子束对陶瓷或半导体材料可出许多微细沟槽和孔 ; 制版; Page 10 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.1.电子束加工 3 电子束加工的应用 IV 焊接 当高能量密度的电子束轰击焊件表面时,使焊件接头处 的金属熔融,在电子束不断轰击下,形成一个被熔融金 属环绕的毛细管状的蒸气管,如果焊件按一定速度沿接 缝与电子束作相对运动,则接缝上的蒸气管由于电子束 的离开而重新凝固,形成焊缝 ; 焊接速度快,焊缝窄、强度好,热影响区小,变形小; 可以焊接难熔金属和化学活性高的金属; 可以焊接不同材料; Page 11 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.1.电子束加工 3 V 电子束加工的应用 热处理 电子束热处理与激光热处理类似,是利用电子束作为热 源,通过控制电子束的功率和功率密度大小使金属表面 加热,达到热处理的目的; 电子束熔化金属表面后,加入添加元素可使表面改性; Page 12 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.1.电子束加工 3 电子束加工的应用 VI 光刻 利用低能量密度的电子束照射高分子材料,由于入射电 子和高分子相碰撞,使分子的链被切断或重新聚合而引 起相对分子量的变化,按规定图形进行照射就会形成潜 像,再将其浸入适当的溶剂中,则由于相对分子量不同 而溶解速度不一样,就会使潜像显影; Page 13 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 1 I i 离子束加工原理、分类和特点 离子束加工的原理和物理基础 加工原理 在真空条件下,将离子束经过加速聚焦后打到工件表面, 依靠微观的机械撞击能量来加工 ii 物理基础 撞击效应和溅射效应:具有一定动能的离子斜射到工件 表面时,可将表面的原子撞击出来; 注入效应:能量足够大的离子垂直撞击工件表面时,离 子会钻进工件表面; Page 14 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 1 离子束加工原理、分类和特点 II i 离子束加工分类 离子蚀刻 氩离子轰击工件将其表面的原子逐个剥离; ii 离子溅射沉积 氩离子轰击靶材,将靶材 原子击出沉积在靶材附近 的工件上,使工件表面形 成镀膜; Page 15 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 1 离子束加工原理、分类和特点 II iii 离子束加工分类 离子镀(离子溅射辅助沉积) 氩离子同时轰击工件和靶材表面,其目的在于增强膜 材和工件基材之间的结合力; iv 离子注入 根据不同的目的选用不同的 注入离子; Page 16 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 1 离子束加工原理、分类和特点 III i ii 离子束加工特点 加工精度高; 污染少,工件不易氧化; 加工应力和热变形小,适合各种材料和低刚度零 件; 设备费用贵、加工效率低; iii iv Page 17 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 2 离子束加工装置 与电子束加工装置类似,包括离子源、真空系统、控制 系统和电源 I 离子源 把要电离的气态原子注入电离室,经高频放电、电弧放 电、等离子体放电或电子轰击,是气态原子电离成等离 子体,用一个相对于等离子体为负电位的电极,就可以 从等离子体中引出离子束; Page 18 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 2 I i 离子束加工装置 离子源 考夫曼型离子源; Page 19 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 2 I ii 离子束加工装置 离子源 双等离子体型离子源; Page 20 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 3 I i ii 离子束加工的应用 蚀刻加工 蚀刻加工原理:溅射效应; 蚀刻加工时,对离子入射能量、束流大小、离子 入射到工件上的角度以及工作室气压等分别控制; 氩气离子蚀刻效率取决于离子能量和入射角度; 入射能量增大蚀刻效率增加; 入射角度增加蚀刻效率增加,但角度过大使有效束流减 小,40?~60?效率最高; iii Page 21 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 3 离子束加工的应用 II i ii 镀膜加工 镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种; 离子镀膜附着力强、膜层不易脱落; 同时接受离子轰击和靶材溅射来的原子; 镀膜前离子冲击基体表面,清洗掉表面的油污和氧化物, 提高了表面的附着力; 镀膜开始时,形成膜材原子与基材原子的共混膜层; 随后逐步过渡到膜材原子构成的膜层; Page 22 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 3 离子束加工的应用 II iii iv v 镀膜加工 绕射性好,基材所有暴露表面均能被覆镀; 可镀材料广泛; 用于镀制耐热膜、润滑膜、 耐蚀膜、装饰膜等; 离子镀膜以蒸汽镀膜为主; vi Page 23 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25 7.2.离子束加工 3 离子束加工的应用 III 离子注入 向工件表面直接注入离子,它不受热力学限制,可以注 入任何离子,并可精确控制注入量; i ii iii 改变半导体导电型式和制造P-N结; 改善金属表面性能; 对金属表面掺杂; Page 24 第7章 电子束离子束加工 2019/1/25

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