第 2 章模具微细加工技术

目录

第 2 章

模具微细加工技术 .................................................................................. 1

1 微细加工的概念................................................ 1 2 微细加工方法.................................................. 2 3 微细车削加工.................................................. 2

3.1 微细车削工艺及基本方法.................................. 2 3.2 微细车削车床及其加工技术................................ 5 4 微细铣削加工................................................. 10

4.1 微细铣削工具........................................... 10 4.2 微细铣削工艺........................................... 12 4.3 微细锐削机床及其加工技术............................... 16 5 微细钻削加工................................................. 19

5.1 微细钻削工艺特点....................................... 19 5.2 微细钻头............................................... 19 5.3 小孔加工机床........................................... 22 5.4 微孔加工注意事项....................................... 22 5.5 微细钻削应用........................................... 23 6 微细变形加工................................................. 25

6.1 变形加工的优缺点....................................... 26 6.2 变形加工用于微细加工技术时的注意事项................... 26 6.3 应用实例............................................... 28 7 微细磨料加工................................................. 28

7.1 磨料的种类............................................. 28 7.2 研磨加工............................................... 29 7.3 磨削加工............................................... 29 7.3 磨削加工............................................... 31 8 微细磨料喷射加工............................................. 32

8.1 加工原理与特点......................................... 32 8.2 基本工艺方法及参数选择................................. 33 8.3 磨料喷射加工应用....................................... 35

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9 化学方法的微细加工........................................... 35

9.1 一般化学刻蚀........................................... 35 9.2 化学抛光............................................... 37 9.3 化学镀膜............................................... 39 10 微细电火花线切割加工技术.................................... 39

10.1 微细电火花钱切割加工的关键技术........................ 39 10.2 微细电火花钱切割拥工技术的应用........................ 41 11 微细电火花加工（简称 MEDM).................................. 43

11.1 概述.................................................. 43 11.2 微缅电火花加工的特点和应用............................ 43 11.3 微细电火花加工原理.................................... 44 11.4 微细电火花加工的工具电极制作.......................... 45 11.5 高精度微进给驱动装置.................................. 46 11.6 微小能量脉冲电源技术.................................. 49 11.7 电火花分层铣削中电机的损耗............................ 49 11.8 应用实例.............................................. 49 12 微细电化学加工技术.......................................... 55

12.1 微细电化学蚀刻加工.................................... 56 12.2 超短脉冲微细电化学加工................................ 58 12.4 微细电铸成形.......................................... 61 13 高能束微细加工.............................................. 67

13.2 微细电子束加工........................................ 97 13.3 微细离子束加工....................................... 106 14 微细超声加王............................................... 115

14.1 微细超声加工机理和特点............................... 115 14.2 超声加工应用......................................... 117 15.1 光刻加工基本过程..................................... 120 15.2 紫外光刻............................................. 125 15.3 粒子束光刻........................................... 125 15.4 光刻胶............................................... 126 15.5 深度光刻技术......................................... 127

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16 LIGA 和准 LIGA 工艺 ....................................... 128

16.1 LIGA 工艺特点........................................ 128 16.2 LIGA 的基本工艺过程.................................. 129 16.3 准LIGA 技术.......................................... 131 16.4 LIGA 和准 LIGA 微细加工应用.......................... 134

参 考 文 献.............................................................................................................. 142

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第 2 章 模具微细加工技术

1 微细加工的概念

微细加工技术是指制造微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来说，微细加工包括了各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方法，如切削加工、磨料加工、电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工、微 波加工、等离子加工、外延生长、激光加工、电子束加工、离子束加工、光刻加工、电铸成形等。从侠义的角度来说，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的，它们是大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键技术之一。

微小尺寸加工和一般尺寸加工的不同点，主要表现在以下几方面。 (1） 精度的表示方法一般尺寸加工时，精度是用其加工误差与加工尺寸的比值（即精度比率）来表示的，如现行的公差标准中，公差单位是计算标准公差的基本单位，它是基本尺寸的函数，基本尺寸愈大，公差单位也愈大，因此，属于同一公差等级的公差，对不同的基本尺寸，其数值就不同，但认为具有同等的精确程度，所以公差等级就是确定尺寸精确程度的等级。

在微细加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用尺寸的绝对值来表示，即用去除的一块材料的大小来表示，从而引人加工单位尺寸（简称加工单 位）的概念，加工单位就是去除的一块材料的大小。所以，当徽细加工 0.01 mm尺寸零件时，必须采用微米加工单位进行加工；当微细加工微米尺寸零件时，必须采用亚微米加工单位来进行加工，现今的超徽细加工已采用纳米加工单位。

(2） 微观机理 以切削加工为例，从工件的角度来看，一般尺寸加工和微细加工的最大差别是切屑大小不同。一般加工时，由于工件较大，允许的被吃刀量就比较大。在微细加工时，从强度和刚度上都不允许有大的吃刀量，因此切屑很小。当吃刀量小于材料晶粒直径时，切削就得在晶粒内进行，这时晶粒就作为一个一个的不连续体来进行切削。 一般金属材料是由徽细的晶粒组成，晶粒直径为数微米到数百微米。一舷切削时，吃刀量较大，可以忽视晶粒本身大小而作为一个连续体来看待，因此可见一般加工和徽细加工的微观机理是不同的。

(3） 加工特征一般加工时多以尺寸、形状、位置精度为加工特征，在精密加工和越精密加工时也是如此，所采用的加工方法偏重于能够形成工件的一定形 状和尺寸。微细加工却以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、离子束、

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激光束三束加工为基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。这是因为它们各自所加工的对象不同而造成的。

2 微细加工方法

微细加工方法和精密加工一样，可以分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工四种类型，而且从方法上来说，两者几乎没有什么分界。同一种加工方法 ，既可以用于精密加工，也可以用于微细加工。对于微细加工，由于加工对象与集成电路关系密切，故从机理来说还可分为分离加工（亦称切削加工）、结合加工（亦称附着加工）和变形加工（亦称流动加工)，见表 6.1-1 所示。

3 微细车削加工

微细车削也是金属切削的一种，它也服从金属切削的普遍规律，但由于金刚石刀具的特殊物理化学性能和极薄切削层等因素使得微细车削过程具有相当的特殊性。

3.1 微细车削工艺及基本方法

(1) 切削速度对加工表面质量的影响微细金刚石切削要求得到极为光滑的加工表面和加工精度，这就要求刀具有很高的尺寸耐用度。刀具的磨损，将以己加工表面的质量是否下降超差为依据。金刚石刀具的尺寸耐用度甚高，切削时刀具的磨损亦甚慢，因此微细切削时，切削速度将不受刀具耐用度的制约，这是与普通切削规律不同的。

实际选择的切削速度，常根据所用机床的动 特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。因为在该转速时表面粗糙度值最小，加工质量最高。使用动特性好、振动小的精切设备可以使用高的切削速度，提高加工效率。 （2） 进给量和修光刃对加工表面质量的影响 为使加工表面租糙度减小，微细车削时都采用很小的进给量，并且刀具制成带修光刃的。表 6.2-1 中是不同进给量时的表面粗糙度，可看到在使用有修光刃的刀具时，f < 0.02 mm/r 时，进给量再减小对表面粗糙度影响不大。金刚石刀具的修光刃，可以减小加工的超光滑表面粗糙度值。但是，修光刃长度过长对减小加工表面粗糙度值的效果不大。实验表明：在徽细车削时修光刃的长度一般取（0.05 -0.10) mm 较为适宜。

对有修光刃的金刚石车刀，加工时要精确对刀，使修光刃和进给方向一致。生产中常用显微镜来精确对刀。为易于对刀，可将修光刃制成曲率半径较大的围弧刃，这种刀具使用方便，但制造较复杂。

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(3) 刀刃锋锐度

刀刃锋锐度对加工表面质量有很大影响，刀刃锋锐度可用刀具刃口半径 p 来表征。当要求工件加工成具有1m级的离精度时，必须使用切削刃的钝圆半径及刃 口的粗糙度都在 1 阳以内的极其锋锐的切削工具，而且还要用 笔l间的微小切削深度进行切削。

图 6.2-1 所示为切削刃的钝圆半径和吃刀深度的关系。切削刃的钝圆半径若大子吃刀深度时，将出现上滑现象而不能进行切削。超微细切削时，加工表面变质层必须严格加以控制。变质层厚度和变形程度与刀刃锋锐度有关：

l） 刀刃锋锐度不同时，加工表面变质层的冷硬和显微硬度有明显差别； 2） 刀刃锋锐度较锋锐（0.3m）情况下，加工表面仍有较大的冷硬存在，在要求变质层很小的情况下，应努力使刀具研磨得更锋锐。微切削加工表面层的残余应力，不仅影响材料的疲劳强度和耐磨性，也影响加工零件的前期尺寸稳定性。有关实验结果可知：

l) 用较锋锐 （0.3m） 与稍钝的 （0.6m） 金刚石车刀切削时，前者比后者加工表 面残余应力要低得多。

2） 切削深度减小使残余应力减小。但当切 削深度减小到某临界值时 ，再继续减小切削深度，却使加工表面应力增大。

目前我国常用的金刚在刀具的刀刃锋锐度0.2~0.3m闷，最小切削厚度可达（ 0.014~0.026m）,若需加工切削厚度为 1nm 的工件，刀具刃口半径必须小于 5nm。而目前对这种极为锋利的金刚石刀具的刃磨和应用都非常困难。是徽细和超徽细切削加工中的一个关键技术参数，日本等国目前已可制作出2nm 的刀尖，我国尚有较大差距。

(4) 金刚石刀具

用天然单晶金刚石刀具进行微细切削加工。如切削条件正常，无意外损伤，刀具的耐用度很高。金刚石刀具的耐用度常以其切削长度表示，在正常切削条件下，可达数百千米。金刚石刀具的磨损可分为机械磨损、破损和碳化磨损。实际 使用中，金刚石刀具由于刀刃产生微小崩刃而不能继续使用，常达不到上述耐用度，这主要是由切削时振动或刀刃碰撞引起的。因此在使用金刚石刀具时要极其小心，同时设计刀具时应正确选 择金刚石晶体方向，以保证刀刃有较高强度。

设计时，金刚石刀具前角根据加工材料选择，可参考表 6.2-1 中推荐的数值。

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表 6.2-1金刚石刀具前角的选择

加工材料 塑料 铝合金、纯铜、黄铜、青铜、玻璃钢 陶瓷、玻璃 前角数值 材料加工 锌硫酸、硒酸锌 锗、硅 前角数值 2.5~5 -15 0~-5 20~-25 -25 -45 磷酸二氢钾晶体 图 6.2-2 是美国 Contour 精密刀具公司生产的几种标准金刚石车刀，它采用圆弧修光刃，圆弧半径 R(0.5~15)mm由用户自选。后角采用10°，刀具前角根据加工材料可按表 6.2-1 选用。

图 6.2-2圆弧修光刃金刚石车刀

金刚石车刀一般是把金刚石固定在小刀头上的，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刃杆上。金刚石在小头上的常用固定方法见表 6.2-2。

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表 6.2-2金刚石小刀头的固定方法

名称 机械架固定 粉末冶金固定 特点 需要将金刚石底面或加工面磨平，用压板加压固定在小刀头上。此方法固定时需要大颗粒的金刚石 真空中烧结，使金刚石固定在小刀头上。此方法可用较小的金刚石，对金刚石的使用较为经济，因而得到广泛应用，但由于使用热压真空烧结炉，价格较高 粘接或焊接固定 可用无机粘结剂或其他粘结剂，但粘结强度不高，金刚石容易掉下来。钎焊是一 种很好的固定金刚石的方法。金刚石晶体毛坯用特殊合金侨焊在钼片上，有钼片后可以容易地钎焊在小刀头或刀杆上

(5） 积屑瘤与工作液

积屑瘤的产生对加工表面粗槌度影响极大。实验表明在加工硬铝时，切削速度在 v(12~816)m/min 范围内都有积屑瘤产生，而且v的变化会直接影响积屑瘤的高度 仇h0，当v较低时，h0最高；当大v于314m/min时积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。刀刃的微观缺陆也直接影响积屑瘤的高度。积屑瘸对表丽粗糙度的影响是： 积屑瘤高度大，表面扭糙度值大；积屑瘾小，表面粗糙度值小。

要减小表面粗糙度值，应消除或减小积屑瘤，使用合理的工作液可达到此目的。加工硬铝时用航空煤油为工作液，可明显降低表面粗糙度值；加工铝合金和纯铜时，用酒精或煤油为工作液，这两种工作液效果都很好，可任意选用；加工黄铜时，用切削液无明显效巢，低速时加工表面粗糙度值不大，故加工黄铜可不用工作液。

3.2 微细车削车床及其加工技术

(1） 微型车床

日本通产省工业技术院机械工程实验室(MEL）于1996年开发了世界上第一台微型化的机床一微型车床。其规格为：长 32 ㎜，宽 25 ㎜，高 30.5 mm，重量为100 g，主轴电机额定功率 l.5 W ，转速1000r/min。图 6.2-3 为该车床的实物照片及其与硬币的比较。用该机床切削黄铜，沿进给方向的表面粗糙度值为

Rz1.5m，加工工件的圆度为2.5m，簸小外圆直径为60m。切削试验中的功

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率消耗仅为普通车床的1/5000。

图 6.2-3 日本 MEL 开发的微型机床

此后日本 Olympus 阳光学有限公司开发的微型线性编码器，检测滑动导轨的运动，通过闭环控制运动分辨率达0.1m，同时装备了袖珍式用户数控装置，提高了加工精度和柔性，成为目前世界上最小的微型数控车床。加工直径为

200m黄铜圆柱体时 ，其表面粗糙度 Ry 可达 0.5m， 圆度误差约为 0.4m。

1999 年由日本金沉大学研制的一套尺寸约200 mm 的微细车削系统。它由微细车床、控制单元、光学显微装置和监视器组成。图 6.2-4 为微细车床的结构示意图及其实物照片。机床的主要性能参数如下：主轴功率 0.5 W ；转速 (3000 ～15 000 ) r/min，连续变速；径向跳动1m 以内；装夹工件直径 0.3 mm；X 、Y、Z 轴的进给分辨率为 4nm。利用该微细车床可加工不同形状的回转体零件，如阶梯轮廓切削、端面切削、糟切削、键孔和螺纹车削等。图 6.2-5 是其加工的部分实物照片。用直径为 0.3 mm 的黄铜丝为毛坯，单点金刚石刀具加工，图 6.2-5（a）为阶梯轮廓面、小端面直径约 200m；( b）为车削端面，直径约 100m；（c） 为切槽加工，糟深约 30m长约 100m；(d）为镗孔加工；（e） 是该车床连续车削切出的微细轴，最小直径为10m；（f) 为加工出的微细丝杠，螺距为1.25m直径约120m；螺牙约为60°。

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图 6.2-4 一种微细加工的结构示意图及其实物照片日本

表 6.2-3 一种不重磨金刚石刀片规格

形状 刀尖半径 外径A 6.35 0.4 6.35 2.38 0.8 3.75 尺寸/mm 厚度T 2.38 刀尖半径R 0.1 孔径 3.75 0.2 7

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图 6.2-5 微细加工实例

(2） 金属薄片微结构微细车削机床

金属薄片微结构可用微细车床实现微加工，如图 6.2-6 所示。金属部片被绕在一个安装在微细车床主铀端的圆盘上，然后借助弹簧拉力拉紧，可调整式的微刀具被安装在圆盘下面可滑动的支撑架上，使用 CNC 装置控制支撑架和主轴，沿着平行于槽的方向，以微刀具的形状切人微薄片表面，加工实例如图 6.2-7所示。所加工的材料是100m厚的薄铝片，使用矩形金刚石微刀具进行加工，切削宽度为 85m，深度70m， 间距115m，剩余部分的厚度是30m。在图6.2-7 中还可以看到原来的研磨痕迹和边缘的毛刺，如果需要进一步加工去毛刺，可以使用平面切削金刚石微刀具进行加工处理。

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图 6.2-6 微细车床实现微细加工加

图 6.2-7 微细车床加工的槽

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4 微细铣削加工

在传统机械加工中，铣削是最常用的加工方法之一。在微结构制作及材料去除加工中，微细铣削加工技术已经表现出极强的发展潜力，可以获得较高的加工效率和表面质量。尤其是在复杂结构的加工中，微细铣削加工方法更具有其独特优势。采用硅微加工和 LIGA 制造技术进行微幽面轮廓加工是很困难的，微细镜削是对光刻、半导体平面硅工艺及 LIGA 技术等微细加工工艺的一种补充，特别是当加工比较大的复杂结(10m)时微细铣削加工更为有效。 4.1 微细铣削工具

在微细锐削加工中徽细工具必不可缺少，其制作技术可谓微细镜削的难点之一。采用离子束力加工技术制作微细铣刀被认为是一种可行的方法。在真空条件下，将离子源产生的离子束经加速聚焦，形成高速离子束流，打击到工件上进行加工。它是靠离子撞击工件使其变形、破坏等进行微机械加工，而不是靠动能转化成热能来去除材料的。图 6.2-8 是用离子束加工方法制作微细铣刀的示意图。离子束可进行正交扫描，刀具毛坯前端直径约为25m，后瑞直径可较大。先沿前端圆柱面离子铣削出长为90m、径向切深为5m微小刻面（图示离子束正在加工之中，还没完全切穿加工成型），该面与圆柱体端面竖直中心线成 7°角，实际上加工出了一个后刀面，切穿则可形成锋锐刃口。图6.2-8 为美国Sandia国家实验室和路易斯安那州技术大学微制造学院用此方法加工出的2 刃、4 刃和 6 刃微细镜刀。图 6.2-10 是离子点制作的碳化钨 4 刀刃微细铣刀刃口的SEM照片，正交微刻画形成的刀刃口非常锋锐，刃口半径 0.1m。根据微细铣刀的设计和选材的不同，微细铣刀的制作约需要（2 ～ 3) h。微细工具制作时间与材料去除量有关 ，图6.2-9 中6微刻面（6 刃） 微细铣刀与2微刻面( 2 刃）微细铣刀相比 ，前者比后者实际去除材料少，所以虽然面多但离子束加工制作时间却相对较短。

图 6.2-8 离子束加工出的 2 刃、4 刃、6 刃微铣刀

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图 6.2-9 离子束加工微细铣削刀示意图

图 6.2-10 微细铣刀刃口 SEM 照片

除了离子铣削、刻蚀法外，还有采用冶金成型 UGA 工艺等方法来制作微细加工工具或工具毛坯，也可用这几种方法的组合来制作微细工具。图 6.2-1l 是德国 FZK 研究中心与 MBB 公司合作研制制作的微细成型金刚石铣刀，通过改变金刚石微刀具的形状可以加工矩形、三角形和半、圆形糟。图 6.2- 11a 是一个矩形金刚石微刀具的缩微照片，金刚石微刀具的切削刃宽度是100 µm，可微细铣削矩形槽；图 6.2-l1b 所乐的是模形金刚石微型刀具，头部模形角为楔形，切削探度为500 µm，可微铣锐削 V 形槽。

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图 6.2-11 金刚石成型微细刀具

4.2 微细铣削工艺

用微细铣刀（如采用图6.2-9 离子刻蚀制作的微型刀具）可对不同材料进行微细切削加工。美国 Sandia 国家实验室 David P.Adams 和路易斯安那州技术大学 Michael J. Vasile 等人在附PMMA（聚甲基丙烯酸甲醋，有机玻璃）、6061-T4铝合金、黄铜和4340钢不同材料上成功地加工出槽等微结构，微细铣削工艺参数及表而粗糙度值见表 6.2-4。采用（2～3) mm/min 低速进给量、每次吃刀深度注≥0.5 µm；刀刃口半径小子切削厚度，约为 0.1µm；（15 - 25µm）深的槽被切出， 糟长达数毫米；没加润滑剂加工的切削条件除外，低进给量加工出糟的表面粗糙度值小，约为 200nm或更小。此外，在所有这些材料上切出的槽，其侧面与底面的垂直度非常好，微细铣削设备为Boston数控镜床。

表 6.2-4 微铣铣削加工工工艺参数及表面粗糙度

刀具 材料 刀刃数 直径/µm 高速钢 高速钢 高速钢 WC 高度高 WC 4 4 2 4 5 4 24.0 26.0 23.6 21.7 25.0 22.5 PMMA 铝合金 铝合金 铝合金 黄铜 4340钢 工件材料 转速/ 进给量/ 每次切平均槽宽/ 槽底表面粗槽宽偏差 / µm 0.5 1.0 0.5 1.0 1.0 1.0 26.2/1.5 28.2/1.1 3.0/2.0 23.0/1.1 28.8/0.7 23.5/1.0 糙度 rmin1 18000 10000 18000 18000 10000 18000 mmmin1深\\µm 2.0 2.0 2.0 3.0 2.0 3.0 Ra/m 92 92 458 117 139 162 *微细铣削加工期间不加润滑油，仅铣切22次完成

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使用2刃微细立铣刀在铝合金材料上加工出糟的示例见图 6.2-12，切削条件采用表 6.2-4 中第三行数据。图 6.2- 12a 为切出槽的全貌．图 6.2- 12b 为工件侧面切出槽局部放大视图的 SEM 照片。可以看出，两侧面几乎垂直于底面 ，槽宽与刀具直径匹配，前者比后者大 2 µm。槽宽误差是由刀具半径误差和主轴径向跳动误差造成的。经检定刀具半径误差和主轴径向跳动误差（测量长度为 2 mm，从刀具端部算起）也为 2 µm左右，因而可以认为槽宽与微细镜刀直径之间的误差是由刀刃切削时的偏心就可能发生的径向微跳动造成的。 总的说来，2 刃微细立锐刀切出的槽宽在数毫米长度上是一致的。采用光学千涉仪测量表面粗糙度值为 458nm（相对较大），由于缺少润滑剂，影响了微细铣削加工时的性能。值得注意的是，在2 次铣削走刀期间，刀具发生了磨损，从开始加工算起，这时估计微细铣刀巳旋转3.4106次，大约去除了6.0x106m3的材料。图6.2-13 是在黄铜材料上切出糟的示例，采用5刀刃微细立铣刀，切削条件采用表 6.2-4 中第五行数据。图6.2-13a 为切出槽的全貌，图 6.2-13b 为局部放大 SEM 照片，切出的总长为 l0mm，槽宽 28.81µm，这个形貌特征需要铣削走刀25次才能完成。

采用每次镜切深度 2.5µm 和5.0 µm 时，加工 PMMA 材料的工艺参数及表面租糙度效果如表 6.2-5 所示。

图 6.2-12 铝合金上 2 刃微细立铣刀加工的槽

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图 6.2-13 黄铜上上 5 刃微细立铣刀加工的槽

表 6.2-5 每次切深（2.5～5 ）µm 时加工PMMA材料工艺参数与效果 刀具 材料 刀刃数 直径/µm 工作材料 转速/ 进给量/ 每次切平均槽宽/ 槽底表面粗糙度 rmin1mmmin1深\\µm 槽宽偏差 2.0 2.0 2.0 5.0 2.5 2.5 / µm 27.6/1.4 30.6/1.7 29.1/1.8 Ra/m 180 195 190 高速钢 高速钢 高速钢 4 4 4 28.0 28.0 28.0 PMMA PMMA PMMA 20000 20000 20000 有些论述认为微刀具切削加工的切屑是挤压形成的，实际上刀刃切削行为是确实存在的。实验表明，在分别加工PMMA和6061铝合金时，中途关掉润滑，让工件吹干，此时用光学显微镜观察，发现在移动的刀具旁边有切屑被排出，再加工 PMMA工件后也发现有明显的切削痕迹。图 6.2-14 是微细镜削加工的PMMA工件照片，工件上表面镜削出 4 条平行槽，微细铣刀转速为 20r/min，仍采用 2 mm/min 小进给盘，采用2.5µm和 5.0µm二种每次吃刀深度进行加工,图中明显看到有卷曲的切屑被切出。在清洗加工 的工件后，刀具切削痕迹显露出来，发现在对黄铜 、PMMA、铝合金和钢所有这些材料加工时均是如此。

在采用（3 ～ 50) mm/min 较大进给对 6061-T4 铝合金进行加工时 的工艺参数及表面粗糙度效果见表 6.2-6。刀具转速 18000r/min，每次走刀吃深 1.0µm，使用 2 刃 WC 立锐刀，直径 21.7µm，成功地加工出深 25µm、长 7 mm 的槽。

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表 6.2-6 每次切深（3～50 ）mm/min 时加工PMMA材料工艺参数与效果 刀具 材料 刀刃数 直径/µm 工作材料 转速/ 进给量/ 每次切平均槽宽/ 槽底表面粗糙度 rmin1mmmin1深\\µm 槽宽偏差 3.0 10.0 25.0 25 1.0 1.0 1.0 1.0 / µm 23.1/1.1 22.0/0.6 23.1/0.6 22.5/0.5 Ra/m 117 83 82 102 WC WC WC WC 2 2 2 2 21.7 21.7 21.7 21.7 铝合金 铝合金 铝合金 铝合金 18000 18000 18000 18000 如表 6.2-6 中所列，微细锐削加工出的糟宽在（22.0 ～23.1)µm范围内，基本上约等于刀具直径,误差也在表中列出；所测量糟底面的表面租糙度

Ra200nm,而且在进给量加大时，表面租糙度值并没有因此而增大变劣，见图

6.2-6。该图是槽拐角局部照片，切削条件采用表 6.2-6 中第二行数据，糟侧丽与底面非常垂直，底面可见微细切削加工痕迹，槽顶角处的切屑毛刺清晰显示．切屑毛刺且不容易由溶液冲洗掉。在微小尺度加工时，用单晶金刚石刀具进行第 2 次精切（填涂氨基丙烯酸盐或醋）或用电化学抛光的方法去除毛刺是可能的 ，德国Karlsruhe 研究中心 (FZK) Schaller 等人的研究证实了这种方法可行 性，图6.2-16 右都为用硬金属刀具在黄铜上微切加工的槽，槽顶毛剌较多；左部为用金刚石微型刀具第二次精加工的槽，糟深 55µm精切前为 (35µm～40µm ),糟顶光滑毛刺极少。另外，用电化学抛光法，在工件棱角等处蚀除 （ 1～ 2)µm，可去除毛刺获得很光滑的表面 。在微注模和热压纹模上也已开展微结构消除毛刺的实验。减少或去除毛刺的方法之一是可通过选择易 分离的材料加工。用直径 50 µm 刀具切削加工微结构的实例见图6.2-17，这是一个微结构光学掩 膜，这个掩膜用作光粒子分析系统的进 一步研 究 圈中光学显微镜孔的图形具有双曲线．是由直径 50µm 的硬金属刀具切出，材料为 50 µm 厚 的黄铜薄片。

图 6.2-14 微切片 PMMA 的照片 图 6.2-15 微切铝合金工件照片

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图 6.2-16 切槽去毛刺前后比较 图 6.2-17 微切除的双曲线孔

4.3 微细锐削机床及其加工技术

( 1 ) FMUC 公司研制的车床型散细统床和微小型加工中心

日本F川UC 公叶利也气通信大学合作研制 的车床型坦精密镜床 ，在世界上首例用切削方法实现了自由曲面微细加工。这种超精密切削加工技术使用切削刀具，可对包括金属在内的各种可切削材料进行微细加工，而且可利用 CAD/CAM 技术实现三维数控加工，具有生产率高、相对精度商的优点。

1） 车床型超精密锐床 。其结构示意困如图 6.2-18 所示，该机床是在 X，Z ，C 三轴控制车床上附加了一根可绕Y 轴回转的B 轴，用于调整刀具轴线的空间位置。机床底座使用空气一油减振器，以隔离来自地面的振动和吸收机床自身发生的振动，使静态振幅衰减到纳米量级。机床的 X、Z 两轴采用气浮导轨，B，C 两轴采用径向推力气静压轴承。工作台的导向结构为方形导轨，动力传递采用面节流型空气静压丝杠螺母副。螺母与工作台的滑动部件做成一体，丝杠与伺服电机作成一体，伺服电机采用空气轴承。转子与定子之间的间隙也用静压空气维持，B 轴由空气蜗轮驱动，因转工作台的动力传递由表面涂复固体润滑材料的蜗轮蜗杆副完成。利用编码器实现工作台位置的全闭环控制，编码器分辨为

(64106)脉冲/r。微细切削工具采用单晶金刚石球头立锐刀。机床安装在防振的

厂房内，室温为 （20±1）℃。机床的主要性能如下 X、Z 轴的最小小分辨率为 1nm, C、R 轴的最小分辨分别为 0.0001°和0.00001°，当主轴的是大供气压力为 6MPa 时．回转速度为55000 r/min。

2） 微小型加工中心微器件的精密机械加工现已有多种小型精密高速机床

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（主轴转速5000) r/min 以上，使用微小刀具加工微型器件。微细铣削可以实现任意形状微三维结构的加工，生产率高、便于扩展功能。日本通产省工业技术院机械工程实验室（MEL）开发出的微细镜床，长 170 mm ，宽 l70 mm,高 102 mm ，主轴用功率为36 W的无刷直流伺电机，转速约为 15600 r/min，该机床能锐平面也能钻孔。在微细钝削加工机床研究的基础上，日本 FANUC 公司又生产出一种加工微型零件的 RORO- nano Ui 型五轴联动加工中心。可加工极小的精密微细三维曲面。图6.2-19 所示为 FMUC 公司用微细铣削加工出的日语中叫做 “能面” 的微型脸谱。这 些加工数据自三坐标测址机在真实“能面”上采集，采用单刃单品金刚石球形镜刀（ SR = 30 µm), 在 18 K 金材料上加工出的三维自由曲面。其直径为1mm，表面高低差为30µm)，加工后得到的表面粗糙度为Ra0.058m。

图 6.2-18 车床型微细铣床 图 6.2-19 三维曲面微型脸谱

(2） 德国FZK 研究中心金属部片徽细加工工 艺及设备

1 ） 徽细镜削基本方法及设备。德国 FZK 研究中心对金属薄片式微结构的生产，在工艺中采具对表面的薄膜结构和基底进行精密、微细加工。薄片结构的加工工艺即可以采用微细车削，也可以采用高精度微细镜削加工方法，如图 6.2- 20 所示。金属薄片固定在高精度真空吸盘上，真空吸盘安装在 X - Z 工作台上， 金刚石微刀具安装在高速旋转的主轴上（图中设为 Y 轴），金刚石微刀具的切削速度可以通过改变主轴转速调整，通过旋转工作台可以改变微结构的加工方向，通过改变金刚石微刀具的形状可实现矩形、三角形和半圆形糟的微加工。

2） 微细铣削加工实例。使用图6.2-11b所示的模形金刚石微刀具，对平滑的黄铜基底表面进行十字交叉加工，结果形成如图6.2- 21 所示的四棱锥，在这

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个样品中，棱锥的高度是250µm。X 方向和 F 方向同距是 100µm，每平方厘米排列有 10000个微四棱锥，圆锥形的毛刺总是伴随着这个成型的过程产生。通过加工形状规则的结构和将微加工形成的薄片正确地叠放，就可以较经济地生成三维微结构体。

使用金属薄片结构的微结构体可被用于多种场合。此外在塑料成型和电镀上也有大量的新应用。也可以使用非常小的钻头和平底镜刀作为成型刀具制作微结构，并常用来加工注射成型模和热压纹模。图 6.2-22 所示的用硬金属材料制造的直径约为40µm的微型铣刀，加工宽度> 40µm的矩形精微结构；图 6.2-22h 是一个切了困环形槽的黄铜板，环形糟的宽度为50µm，剩余环宽仅为10µm。

图 6.2-20 用高精密微细铣床实现微细加工 图 6.2-21 楔形到微细铣削的微结构

图 6.2-22 微型刀具及铣削的环形槽

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5 微细钻削加工

微细钻削是微孔加工的重要王艺，一般用来加工直径小于 0.5 mm 的孔。 微细钻削可达到的精度约为（ 20～10)µm，可实现的表面粗糙度值Ra约 0.2µm左右，具有生产率高、不受材料导电性能的限制、能获得的深径比大、表面质量较好等特点，可用于电子、精密机械、仪器仪表、钟表等行业，可加工低碳钢、铜、铝和一些非金属材料，常用来对钟表底板、油泵喷嘴、化纤喷丝孔、印制电路板的微孔实施加，是微细孔加工的最重要工艺之一。

在仪器仪表制造业中，最早使用钻头加工小孔。随着制造技术的不断进步，后来相继出现了激光打孔等各种特种加工方法，但机械钻削小孔的方法较经济实用，一徽情况下仍优先采用该方 法进行微孔加工。近年来，研制出多种形式的小孔钻床，如手动操作的单轴精密铀床、数控多轴高速自动钻床、曲柄驱动群孔钻床及加工精密小孔的精密车床和锐床等。20世纪90年代后，由于NC技术和 CAD/CAM 的发展，小孔加工技术向高自动化和无人化发展。目前机械钻削小孔的 研究方向主要有：难加工材料的钻削机理研究；小孔钻削机床研制和小钻头的刃磨、制造工艺研究；超声振动钻削等新工艺的研究等。 5.1 微细钻削工艺特点

与通常的钻削加工相比，微细钻削加工的工艺特点主要表现在：

1) 排屑十分困难，切屑易阻塞、钻头易折断、孔的尺寸越微小则越是如此钻削长径比较大的孔时，必须频繁退钻排屑。

2） 切削液较难注人加工区内，钻削条件较为恶劣，影响正常加工。一般应采用低私度的矿物油或菜菜籽油进行冷却润滑。

3） 刀具重磨很难，耐用度低。当锚头需刃磨时，般要在显微镜下进行。前且微细钻床还应设有对微细钻头加工中的磨损和折断情况进行 监控的装置。

4） 微细销床系统刚性要好，加工时不能有振动，应有消振措施；机床主铀的回转精度要高，径向跳动般应小于2µm；转速要高、一般应大于 10000 r/min；应采用精密对中夹头，并配备放大镜等附件。 5.2 微细钻头

微孔加工的各种钻头如图 6.2-23 示，最小 的钻头直径是 2.5µm。在进行微孔加工时 ，由于钻头尖端的振动对加工精度和寿命有直接的影响，因此近来大都采用装卡精度及强度均很高的阶柄式钻头。如图 6.2-23 (b）、（f)、（g）

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所示。

图 6.2-23 各种钻头

带皮带轮的钻头（图 6.2-23c）以钻头本身为主抽。由于采用了V型轴承支持，故不受卡头径向振摆的影响。钻头的直径从 2.5µm 到 12.5µm。麻花钻有正前角的刃口，切削性能好，故多采用它。硬质合金钻，头可小到 0.2mm；高速铜钻头可小到0.04mm ；外圆有倒锥的钻头（图 6.2-23f)、背部切除边缘的钻头 （图 6.2- 23g），由于钻头外圆和加工孔壁的摩擦较小，故适于塑料和印刷电路扳的钻孔。硬质合金的钻头采用镀络处理或其官处理。这种钻头即使是干式切削时排屑位也很好，所以在较深的孔（如几张多层印刷电路板重叠钻孔）时，也能得到良好的果。

微细钻削工艺申徽细钻头的制作也是一个关键问题。目前，商品供应的微细钻头的最小直径为 50µm ，要得到更细的钻头，必须借助于特种加工方法。用聚焦离子束溅射技术可制成直径 12µm 以上的钻头。但是，聚焦粒子束溅射装备复杂，加工速度较慢。用电火花线电极磨削（WEDG）技术目前已可以稳定地制

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作出直径小于 20µm 的钻头。与离子束加工相比，该方法具有设备简单、可操作性强等特点。图6.2-24 是用 WEDG 方法制作的微细钻头结构示意。

图 6.2-24 钻头形状

用 WEDC 技术制作的微细钻头，如果将其从微细电火花机床上卸下来再装夹到微细钻床的主轴土，势必造成安装误差而产生偏心。这将影响钻头的正常工作甚至无法加工。因此，用这种钻头钻削时，必须在制作该钻头的微细电火花机床上进行。在微细电火花机床上，刀具用WEDG装置加工完之后，移动到工件的上方，该工件预先装在了微细电火花机床的工作台止，如图 6.2- 25 所示。因此，采用这种方法钻削时，微细钻头应在线制作，因而要求这种微细钻削系统设备应具有微细放电在线制作微细工具的复合功能。在钻削加工过程中，刀具以恒定的进给速度沿轴向进给。由于工作台放置在工作液箱里，故钻削可以在工作液中进行。根据导电情况可以对刀具与工件的接触状态进行检测通过导电检测还可以监测刀具的破损情况。日本 Kinki大学利用这一技术在单晶硅上稳定地钻削出7直径 10 脚的微细孔，最小直径为6.7µm，如图6.2-26 所示。钻削的局限性在于不能加工比钻头硬的材料 。

图 6.2-25 微细钻头加工过程及微细钻销的工作过程

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图 6.2-26 单晶硅上钻削的微细孔

5.3 小孔加工机床

小孔加工机床的选用也十分重要。因为加工目的不同，故小孔加工机床在结构上也有不少区别。有孚动操作逐一钻孔的精密小型钻床，有给小孔加工机床的选用也十分重要。因为加工印刷电路板钻孔的多头数控高速向动钻床，也有能同时钻许多孔的多轴钻床（多达200个钻头）等。此外，在加工深孔和精密度高的孔时，也有用精密小车床的。 5.4 微孔加工注意事项

(1） 钻孔条件

加工微孔时，由于钻头易于折断和磨损，故不能按照般钻孔加工时因钻头直径小而要求高转速快进给的概念来决定其加工条件。其原因是：

1） 由于机床的精度和刚性不太好，转速过高会引起机床的振动，从而使钻头的振摆变大。

2） 由于钻头的热容量小，故钻头的温度极易升高结果会加速刃口的磨损，使钻头变钝甚至折断。

一般对金属材料微孔加工时，多采用较低的转速和相当低的进给速度。但在对多层印制电路板钻孔时，钻头的转速和进给速度都较高，这是由于印刷电路板的机械特性和热学特性和金属的不同的缘故，因而在加工该材料时不易出现堵塞和钻头折断等缩短寿命的故障。为此，根据材料的不同，正确选择钻孔加工的条件是十分必要的。

(2） 钻孔的阻力

图 6.2-27 给出在相同的条件下，对不同材料钻孔时阻力的比较。由此可见，不论对那种材料钻孔，其阻力都比较小，因而在凭手指感觉的进给微孔加工中，进给量必须细心调节。因钻孔阻力的大小对钻头的弯曲、折断或加工精度等都有直接影响，故它便成为解籍钻孔中发生的许多现象的基础。

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(3） 孔的位置精度

对多张重叠的多层印刷电路板或石墨工具加工深孔时，所钻成的孔在位置精度和孔的垂直度方面必须有严格的要求。钻头钻进时，如果孔的中心位置和孔的钻头的旋转中心轴稍有偏差，则由于斜楔作用会使孔变弯，或者使穿透那一面孔的位置出现较大的偏差。若钻头伸出太长或钻头的横刃被磨损，则在钻进时，钻头会产生振动而使孔的位置偏差增大。

(4） 钻头的磨损及寿命的判断

使用数控自动高速钻床或自动车床连续打孔时，如何恰当的判断由于钻头的折断或磨损而引起的精度的下降及钻头寿命等问题呢？一般情况下，判断钻头寿命的标准有：钻孔所需消耗的动力，钻孔的阻力，钻孔的发热情况，加工精度和 孔壁的状况等。但实际上在多数情况下是根据一个钻头能钻孔的数量来判断的。这种方法虽然简便，但是由于每个钻头的锋利程度不同，放必然影响判断钻头寿命的准确性。 5.5 微细钻削应用

当前已广泛采用高速钻床或自动车床对钟表底板和其他各种零件进行数十微米的小孔加工。 柴油机喷嘴、化纤喷丝头、气动测微计的测量喷嘴，以及流体静压轴承的节流喷嘴等，都需要加工直径小子0.2mm的孔。此外，各种测量仪器、电子仪器零件、外科医用工具等也要加工0.5mm左右的孔。在一般情况下，打孔的长径比（孔深／孔径）较大时，用连续进给进行打孔；如果孔的长径比不大，可用数控自动高速钻床加工。

由于微细钻头的刚度较低，因此在切割开始后很容易产生弯曲，造成钻孔位置不准确或钻头破损。为了避免这种现象，通常用短钻头先钻一个引导孔，再用一个足够长的小钻头钻出需要的孔。不过这种方法只有在离定位精度和钻削过程 稳定的铀床上才有效。如果钻孔中心线与导引孔的中心线存在偏差，就容易使钻头折断、钻头寿命降低或造成形位方面的误差。

喷嘴或化纤喷丝扳喷口的加工是微细钻削加工最典型的应用之一，日本东京大学精密工程研究所和FANUC公司等合作开发出一种磁悬浮工作台微细钻床 ，如图 6.2-28 所示。使用磁悬浮工作台能够让工件在无摩擦的情况下对齐。从而解决微孔钻削的自动对心问题。先把工作台水平方向的支承刚度设置为一个较小的量值．然后钻头缓慢向下进给。利用钻头端部和喷嘴的锥面之间的接触压力就可以实现钻头的自动定心。采用磁悬浮工作台后可以对悬浮体的支撑刚度自由设

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定，这样做才使得用降低水平支撑刚度找正中心轴的方法成为可能，还能做到在钻削加工时有高的支撑刚度。

对于磁悬浮工作台来讲，只有铁磁体的工件才能作无摩擦的移动。但是绝大多数的喷丝板都是用诸如不锈钢这样的非铁磁体材料制成的，并且一般来讲磁浮系统仅仅只能将一种材料类型的工件悬得起来。考虑到上述原因需要把工件固定在有铁磁材料构成的一个平台上，靠电磁铁之间的相可吸引力将平台悬浮起来这样不同形状和不同材料的工件就可以进行无摩擦的运动了。采用主动对心方法，有助于降低钻头端部在钻孔时的接触压力，降低水平方向和坚宜方向的支撑刚度可以有效地减少钻削中心孔时钻头破坏的几率。

图 6.2-29 为磁悬浮工作台原理图。T型平台由低碳钢制造，碳的含量越低钢的电磁性能就越好。平台由六对电磁铁悬浮起来提供六个自由度，同时平台的位置和姿态由图 6.l-29 中的六个间距传感器（S1～ S6)测量，每只电磁铁能够产生最大100N的。传感器是涡流无接触式的，它在垂直方向上的分辨率是1mm（图中传感器 S1、S2 和 S3），水平方分辨率是0.5mm（圈中传感器 S4、S5、S6）。悬浮起来后电磁铁 平台之间水平方向上的问距为1.5mm，竖直方向上为1.7mm。

图 6.2-27 各种材料钻孔阻力 图 6.2-28 微细钻床

钻头直径：0.5mm；转速：3800r/min 进给量：0.01mm/r

图6.2-30 是用带磁悬浮工作台的徽细钻床加工的纺纱喷嘴工件实物照片。工件的材料是淬火不锈钢（ 17Cr-4Ni-4Cu-N6)。加工中用的是高速钢麻花钻它 的钻柄直径为1mm，钻尖与内孔中心的位移保待在（50～250）µm。在对心过程中钻头不转，完成对心后钻头才旋转准备加工。在钻削过程中钻头步进，每一步的切削深度是30µm，切削时用油基工作液。

使用磁悬浮白动对心并钻削 ( 100 - 500)µm的孔时，对心操作所需要的时

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间通常帘要几秒到几十秒，考虑到钻削加工需要2min或更长的时间，所花费的定心时间是可以接受的。图6.2-31 加工直径0.1mm微孔的例子，从圆锥面的刮痕看，钻头中心和内孔中心可以很好地重叠在一起由于存在与圆锥表面的摩擦，工作台的运动不会很平稳，但是尽管存在这种接触摩擦，定心操作还是可以达到令人满意的效果。

图 6.2-29 磁悬浮工作台原理

图 6.2-30 微钻加工喷丝喷嘴 图 6.2-31 磁悬浮工作台对心加工的孔

6 微细变形加工

变形加工与切削加工不同，其特点是一般不产生切屑，而是利用材料的延展性使材料变形来成型的。变形加工大致分为压延、拉拔、挤压等制造原材料的一次加工和弯曲、深 、冷镦等制造成型户品的二次加工。此外，挤光、喷丸硬化等麦丽加工和板材的冲裁，棒材的切断等分离加工，也应包括在变形加工之内。

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变形加工已有很长的历史，已成为今天大量生产方式中不能缺少的重要加工手段。然而，人们关于变形加工法的概念，至今还没有摆脱大型低精度零件这样的认识。近来随着磨具工作精度的提高、加工技术的进步以及与半导体有关的电 子工业产品、通讯及计算机产品实现了大批量的生产，这就使微细的高精度的加工方法被广泛的采用。此方法还能加工极薄（厚度为几微米）或极细（丝径8µm）的材料、这些都是原材料的一次加工成品。也有人创造性地利用变形加工的特，加工高效率的毫米波被导管和分辨率高的衍射光栅。 6.1 变形加工的优缺点

(1） 优点加工速度高 ，适于大批量生产；

2） 能获得尺寸均匀的产品； 3） 能沿板厚方向加工直孔或狭缝； 4） 能制成表面光滑的凸形产品；

5） 能制造结构纤细并且强度足够高的零件。 (2） 缺点

1) 工具费用高；

2） 模具设计需要专门知识；

3） 能达到的加工精度受加工类型的限制。

这些优缺点表明，变形加工法用于大批量生产最为有效。利用冷镦和精沸冲序加工电子计算机零件，集成电路引线框的加工，射流元件和毫米波通讯机零件的冷微加工，都属手变形加工。

进行变形加工时，首先需要弄清楚被加工材料的性质，按所要求的加工成品形状设计加工工具，并选择最适合的加工机床床和润滑剂。其次，必须检查在规定的条件下所加工出来的产品是否满足其尺寸精度要求，推断工具的寿命，确定有无大批量生产的可能性。不仅要考虑加工速度，而且还要考虑加工尺寸和误差和产品的合格率等因素。

6.2 变形加工用于微细加工技术时的注意事项

(1） 变形阻力

变形加工中最瞥见的是挤压、拉伸、弯曲等加工。被加 材料的变形阻力，是在工具设计中首先应考虑的因素，它在微细加工领域中一般变化不大。有关实验研究表明，晶粒的大小会影响变形阻力，并可用下式表

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yL1/2 （6.2-1）

式中y为变形阻力，L为晶位的平均直径。即晶粒越大时，变形阻力越小。 (2） 变形过程

在进行1mm以下的微细突起的成形或是窄孔的拉拔时，金属学的影响（结晶异向性、晶粒界间的影响） 在材料的变形过程中表现是很明显的，即使在同样的应力场中，由于结晶轴的方向不同，变形发生的方向也不同，放在成形突起的 位置会出现剧烈的凸凹不平，在窄孔拉拔时会使孔的形状精度降低，在弯曲加工时往往造成不均匀的弯曲。

晶粒大小对尺寸范围的影响，随着所用加工方法的种类（锻压、冲裁 、弯曲），所用工具约束的程度，以及材料晶粒的大小而不同。一般说来，在相同条件下，此范围相当于3～5个结晶粒的大小。晶位度的大小对微细加工更为重要， 因而一般采用下述对策：选用晶粒小的材料；对晶粒大的材料进行预处理，以减少晶辈革度的影响；用工具约束，以减少其自由表面。在加工类似于集成电路中所用的引线框之类的薄片时，由于材料具有轧制组织，其晶位很细，其晶位很细，因而很少出现上述晶粒度的问题。而原材料翘曲或存在不均匀的残余应力，也会对产品精度有很大影响，因此对原材料的管理十分重要。

( 3） 工具和加工机床对于微细变形中的冲压加工，冲头易折损或磨损的主要原因是冲头的精度不足和工具难以保 持流畅的运动。另外，晶粒度的大小，也会影响变形异向性而使冲头受到弯曲力的作用。因此，冲头的选择是十分重要的。变形加工机床的选择十分重要，如冲床的承载能力应以工件所需冲力的2 - 3 倍为限，因冲力太大会使模具的使用寿命降低，并影响加工精 度。

(4） 润滑剂

润滑剂是变形加工中最重要的问题之一，它对工具寿命和加工精度的影响很大，而且它与其他影响因素不同的是润滑剂很易变化，因而添加润滑剂对消除变形加工故障的作用很大。在一般情况下，锻压时工具表面上受到很高的接触压力 的作用，并且在材料表面滑动时，使工具表面发生烧伤，因此在锻压开始时 ，应使用金属皂类和石蜡类润滑剂。但在加工小工件时，金属皂类润滑剂会附着在冲头的凹处，往往不能形成所希望的形状，所以希望少量地使用低粘度的润滑剂。

材料晶粒度的大小会使发生变形的区域出现异向性，因此应减少润滑剂的使用。使工具与材料接触面的润滑膜成为单分子层那样的厚度进行变形加工，也是

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有效的。

利用变形加工可以制作每毫米 1000条凸凹反射率良好的衍射光栅，而且也适用于制作毫米波，以及光通信用零件等的微细凹面，并能起到提高产品性能的作用。 6.3 应用实例

在仪器仪表制造业中，常常会遇到带有许多小孔的板件，板件上的小孔常采用冲孔的方法。冲小孔技术的研究方向是如何减小冲床的尺度、增大微小凸模的强度和刚度以及微小凸模的导向和保护等。

MEL开发的微冲压机床,长111mm，宽66mm，高 170mm，装有一个1OOW的交流伺服电机，可产生3kN的压力。伺服电机的旋转通过同步带传动和滚珠丝杠传动转换成直线运动。该冲压机床带有连续的冲压模，能实现冲裁和弯板。

日本东京大学生产技术研究所利用WEOG技术，制作微冲压加工的冲头和冲模，然后进行微细冲压加工， 50µm厚的聚默胶塑料上冲宽度为40µm的非圆截面微孔。

7 微细磨料加工

在硬质脆性材料的微细加工中，广泛采用研磨、抛光等磨料加工技术。在机械加工领域中，已实现了高精密加工和难切削材料的加工。近年来电子工业的各种晶体材料的加工也多采用此法。如砷、砷化镓等半导体材料，锂酸铌( liNbO3）、氧化铝（Al2O3）等光电子材料水晶及铁氧体之类的磁性材料。 7.1 磨料的种类

磨料的种类很多,除考虑其成本之外（杂质越多成本越低，还必须考虑以下四项条件：硬度；破碎性（易碎性，即具有与韧性相反的含义；耐磨性；化学稳定性。

在一般情况下，重磨削加工使用破碎性低的磨料（即韧性高的磨料），轻磨削（精密磨削）使用硬度和破碎性高的磨料。

氧化铝易于和各种元素进行化学熔合，因此可以利用各种添加剂来调整硬度和破碎性，如氧化铝添加氧化铬（Cr2O3）成为粉红色磨料。这种磨料硬度高、韧性好，是精密磨削不可缺少的磨料。又如氧化铝添加氧化锆（ ZiO2 ）变成硬度 低、韧性商的复合磨料。这种复合磨料在共晶状态下结合为合金组织，从熔融状态经快速冷却而富有韧性的微晶组织。通过的痒化锆越少，其性质越接近微晶磨

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料；氧化铬越多，其外观越接近石料。 7.2 研磨加工

在研磨中，磨料的作用是滚轧或为切削。在半导体器件的制造中，硅片是由硅捧经切片、研磨、抛光、化学抛光初再经充分清洗而制成的。硅片的研磨必须使用硬度和破碎性高的磨料。实验表明，随着研磨压力的增加，研磨痕也增加。 研磨痕分两大类：压痕（包括破碎形条痕）和切削条痕。

研磨盘单位面积上的研磨痕数量与存留的磨料粒子数量之比称为磨料的作用率。它随研磨压力的增加而增加。较大的研磨粒子，随加工压力的糟加，研磨作用率的比例要减小。

磨料中一个磨料小颗粒作用于工件上的力叫磨料分担的荷重。在完全去除了变形层的硅片( 111）面上（即硅立方晶体某个晶面的密勒指数），用维氏显微硬度计的压为以很轻的荷重压入，再经热处理和腐蚀后与经过研磨的试块进行 热处理和腐蚀对比，发现磨料和压入试验（压头的尖端曲率半径约为0.8µm） 具有相同的挤压作用。可见，磨料的作用力就是使工件表面产生微小破坏时所加给磨料的力。此力随磨料粒度的大小而变化，磨料粒度大，磨料作用力就大。在一 般情况下，粒度大小和作用力呈线性关系。 7.3 磨削加工

在各种机械加工方法中，磨削加工是一种附加价值相当高的加工方法。一般高精度的磨削分为光、精和镜面磨削三道工序；而在特殊要求的情况下，还分为粗、光、精、超精、和镜面加工磨削五道工序。通常磨削过程在同一机床上调换 砂轮，以避免变换工序时浪费调整时间，而且也可以提高工件的精度。计算机数控磨床的出现，把磨削加工技术先前推进了一大步。国外已研制出一种砂轮架径向进给量为 0.001～0.05mm，工作台进给量为 0.1～3.5 m/min，主轴台转速为60～1200r/min 的小型外圆磨床。

在工艺上，采用高效率的切入磨削是一种深受好评的造型加工和高效率的精磨加工方法。所谓切入磨削，就是在进行磨削加工时，磨具只向切入方向进给。当磨削圆周速度为60m/s时，磨削宽度为1mm的单位时间磨削量约为 10～30mm3/s这是一种可靠性很高的高效精密外圆切入磨削法。在磨削螺牙时,可在 60～80m/s应用。

高速纵向走刀磨削有可使加工精度进一步提高。国外正在研究一种计算机数控精密机床，要求其中心长度 200mm，加工直径100 mm的圆柱形精度在±0.1µm

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以下。在设计上，磨床各部分大量采用静压机构，并在研制具有下列性能的X、Y 轴用闭路定位系统：数控分辨能力为 0.1µm，重复精度为 0.5µm，传动刚度为

200106N/m，设定速度波动在 0.1% 以下，以及旋转振摆为 0.025µm 的磨具

轴承。

对于复杂情况的造型模削，采用缓进给强力摸削（深切入磨削）。缓进给墙里磨削的特点是：逆磨和顺磨时，只向同一方向进给(5～300mm/min)；一次行程磨削的进给量大体等于切削加工余量（1～30mm）。

缓进给强力磨削法的磨具切人量非常大，而工作台的进给速度非常低，因此加工表面的光洁程度和形状精度都较好，并且能缩短加工时间和减轻振纹。

缓进给磨削可进行下例复杂形状的加工： (1）电工钳加工

铜制手工虎钳可切断各种直径的电线，此钳有许多沟槽，这种沟槽可用百刚玉磨具（直径180mm、3000r/min ）在18mm/min的工作台进给下进行造型缓进给强力磨削。它可同时磨削40件，加工时间为10min，尺寸精 度为0.025 mm，最小曲率半径为0.03mm。

(2）高速钢冲压加工

螺纹滚轧用的冲模，可以用电沉职立方晶氮化跚磨具进行缓进给强力磨削。在单位时间磨削量为4000mm3/min下，其表面粗糙度值为Ra为0.4µm。采用立方晶氮化翻磨具的优点是：锋利度好，磨削动力小，磨具寿命长，修整时间短， 以及磨具的形状保持能力好。

(3） 涡轮叶片安装部分的加工

图6.2-32 所示的镍铬铁耐热腐蚀合金制成的纵树形涡轮叶根 ，可用立方晶氮化跚磨具进行湿式缓进给强力磨削。在工作台进给量为92mm/min，磨具圆周速度为32m/s，加工余量为4～5mm的加工条件下，可以同时安装4个工件进行加工。其形状误差为0.06mm，表面粗糙等值Ra为0.5µm。

图 6.2-32 涡轮叶片安装部分缓进给强力磨削形状

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缓进给强力磨削法，气紧主要用于平面磨削。目前一些国家正在研究超低速旋转强力磨削法进行圆柱工件的造型加工。此时，工作转动电机机的速度可在5r/min以下。与缓进给平面磨削相比，超低速旋转强力外圆磨削的接触弧相当 短，因此磨削点的温度上升较少，从而提高了磨削效率。这是实现高效率的造型精密外圆切人磨削的一种良好的方法。 7.3 磨削加工

抛光加工用于加工平坦而且加工变形层很小，以及没有擦痕的表面。它相当于金属的镜面加工工艺。抛光的方法有电解抛光、化学抛光和机械抛光。这里简单介绍机械抛光的方法。机械抛光的机理是使表面层产生微塑性流动，以埋平洼坑而造成平滑的表面，它是与不产生裂纹的机械微切削作用的结合。抛光加工是用磨料对工件进行加工，但加给磨料的作用力不应使工件产生裂纹。

对于机械零件的抛光 ，若被加工的表面只有粗糙度的要求，而没有严格的精度要求，则当前工序所得的表面几何精度较差时，就不能用硬的磨具，而只能用布轮、布盘等软的磨具进行抛光。

对于半导体晶体和光电子晶体材料的抛光，为于获得良好的抛光镜面，应使用轻荷重的装置。如对单晶硅抛光时，荷重为0.7 g 以内时不产生裂纹；当荷重为3 g以上时，就会出现条痕。这种抛光状态是以不产生裂纹为条件的极轻荷重下，使一个个磨料粒子进行微切削的状态。若采用油石（磨轮），也能获得与采用游离磨料相同的抛光镜面。但采用这种磨轮抛光器抛光时，如果抛光器刚性弱，则磨料的作用力也小，这会使加工效率降低，其平面度也会下降。

有人采用低发泡氨基甲酸乙醋油石对硅( 111）面进行抛光，结果能在得很好的镜面。一系列的实验表明，为了获得高度光洁的抛光面，必须尽可能减少施加给每个磨料粒子的作用力； 为了提商加工效率，必须在保持磨料作用力处于较小的状态下增加磨料的粒数，同时必须持久保持磨料切削刃口的锋利性。此外，对不同的工件必须采用不同的磨料，如选用白色氧化铝磨料对硅抛光就不适合 ，因为磨损较大。

目前人们广泛注意的是抛光时磨料物质和被加工工件之间所发生的固相反应，以及在两者的接触面上所生成的异质反映生成物。这一新的抛光技术就是一边去除反应生成的异物，一边进行加工。其加工机理与轻荷重微切削完全不同，它利用化学反应所形成的极小加工变质层的机理，从而获得高级的镜面，如以此对蓝宝石、水品、石英、硅等进行加工。

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8 微细磨料喷射加工

微细磨料喷射加工是利用混有微细磨料或粉末的高压气体使之形成离速喷射流，通过专门设计的喷嘴射向工件，依靠磨粒的高速冲击而实现对工件表面的清理、材料去除或修饰性加工的一种方法。 8.1 加工原理与特点

磨料喷射加工的原理如图 6.2-33 所示。是 一种通过精确控制磨料流以及喷嘴的位置和喷射角来对零件进行微细加工的方法。磨料啧射加工系统主要由高压气体供给装置、磨料混合装置、喷嘴和吸尘集收装置组成。离压气瓶或气源供应 的气体必须干燥、洁净并具有适当的压力。磨料混合室一般是用一个振动器进行激励，以使磨料均匀混合。

图 6.2-33 磨料喷射微细加工原理

1-高压气瓶 2-过滤器 3-磨料室 4-手柄 5-喷嘴 6-吸尘集收器 7-工件

8-控制阀 9-振动器

磨料喷射加工中，喷嘴堵塞是个比较严重的问题。原因包括混料方式、磨料的粒度、气源的干燥性、喷嘴的设计等多个方面，其中喷嘴的设计是很重要的。若喷嘴内孔被设计成阶梯孔的形式，则磨料容易在阶梯处堆积。有实验表明一种两锥孔对接的喷嘴具有更好的加工效果。在喷嘴设计时把阶梯孔改成两个锥孔对接，如图 6.3-34 所示，相接处即为喷嘴的孔长，这样孔长可以很小，而且孔径平滑过渡像阶梯孔那样易造成磨料堆积而堵塞喷嘴的现象会有所改善。

磨料喷射加工主要具有以下特点：

1） 它不属于大量去除材料的加工方法（属于精细、微细加工方法），主要用于去毛刺、清理表面、亥明蚀等。也适用于解决一些结构特殊、形状复杂和尺寸微小零件的加工问题。

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2） 可以加工导电或非导电材料。对于韧性材料其去除率较低，较适合于脆性材料如玻璃、陶器、淬硬金属的加工。

3） 可以清理各种沟糟、螺纹和异型孔，但用做孔加工时会产生锥度。

图 6.2-34 两锥孔对接的喷嘴头

8.2 基本工艺方法及参数选择

（1）高速加工

影响磨料加工的主要因素主要有：磨料类型及粒度、喷射压力、喷嘴直径、喷嘴与工件之间的距离及喷射角等。一般说，磨粒越大，喷射速度越高，材料去除速度越快。当磨料流量较小时，加工速度随磨料流量的增加而增加；当磨料流量达到某一值后，若继续增加，则由于后面喷射来的磨料与刚从工件表面反弹出的磨料相碰撞的机率增大，使直接冲击工件的颗糙减少，因而加工速度反而下降。

喷射角是指喷嘴轴线与工件被加工表面切线间的夹角。喷射角与加工速度的关系如图 6.2-35 所示。由图 6.2-35 可见，最佳喷射角（即加工速度最大时的角度）随工件材料的不同而不同。它的一般规律是工件材料硬度、脆性越高其最佳喷射角也相应增大。 （1）加工精度与表面粗糙度

目前，磨料喷射加工的尺寸精度一般可达±130µm，最高的加工精度可达到±50µm。喷嘴与工件表面之间的距离与切割精度有着很大关系，随着喷嘴与工件距离的增加，不仅切割缝隙加大，而且出现较大的锥度，导致加工精度降低。 磨料粒度对工表面租糙度影响较大。以氧化铝磨料举例，表 6.2-7 为采用不同粒度的此种磨料加工玻璃及不锈钢时的表面粗度值。由表可知，采用细的位度磨料，可获得低的表面粗糙度值；当加工软质材料时，表面层容易嵌入磨料颗粒，因此在进行喷射加工以后，需要仔细清理工件表面，沟槽、缝隙等处。

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图 6.2-35 喷射角与加工速度的关系 表 6.2-7 氧化铝磨料加工表面粗糙度

氧化铝磨粒 平均粒度/µm 10 28 50 玻璃 0.15～0.20 0.36～0.51 0.97～0.145 表面粗糙度Ra/µm 退火不锈钢 0.20～0.50 0.25～0.53 0.38～0.96 (3） 工艺参数的选择

几种常用磨料的粒度、用途和参数选择，见表 6.2-8

表 6.2-8 几种常见的磨料的粒度、用途和参数选择

磨类型 氧化铝 碳化硅 平均粒度/µm 10,20,30 25,40 27 约200目 0.637～6.27 流量/g.min 1～5用于精加工 5～10用于一般加工 10～20用于粗加工 1用 途 加工铝、黄铜，切槽或开槽 加工不锈钢、陶瓷切削和开槽 加工尼龙、特氟隆、等，50℃以下的精加工 刻蚀和抛光 去毛刺和抛光 度 碳酸氢钠 白云石 玻璃球 续表 6.2-8 几种常见的磨料的粒度、用途和参数选择

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运载气体 类型 干燥空气、二氧化碳、氮、氦等 流量/(L/min) 28最大 压力/kPa 207～1310 速度/(m/s) 152～335 8.3 磨料喷射加工应用

磨料喷射加工较适合于加工钢或铁合金、钦合金、玻璃、耐火材料、硬塑料 、陶瓷等硬度较高材料的切割、去毛剌、清理及刻蚀等工作。常见应用有：用磨料喷射的方法磨光或磨毛破璃，常比酸蚀或磨削加主更快和更经济；在表面处理 上，可以清理陶瓷上的金属商物、金属上的氧化物以及电阻涂层等，也可用来剥离金属导线上的封皮材料；在航空航天、计算机、医疗器械等工业中的一些构件上的细小零件的螺纹、窄缝、沟槽、实体交叉处等毛刺或飞边常用此法清除；可 在加工半导体器件时，对硅、锗、锌等半导体材料进行打孔。对复杂表面进行表面清理、切苦刊和刻蚀等。

9 化学方法的微细加工

本节着重讨论化学刻蚀的微细加工方法化学刻蚀是以照相制版技术为基础发展起来的一种 加工方法。它适用于对厚度从数十微米到数百微 米的薄片或几微米乃至亚微米的薄膜进行打孔、开槽、雕刻等微细加工。这种方法不会出现加工变形 、加工硬化、飞边和毛刺等现象，而且不受材料硬度的限制，因比在精密电子器件及精密机械等件的生产中获得广泛的应用。 9.1 一般化学刻蚀

金属材料和强酸碱等刻蚀液一经接触，由于发生氧化还原反应而被溶解。当将表面上覆有光刻胶图形的材料和刻蚀液接触时，没有受到光刻胶保护的地方渐渐洼了下去，不久就穿透成为窗口。若使刻蚀一直进行到窗口的部分尺寸达到所 要求的大小为止，就能得到符合规格的产品。作为铁、铜、不锈钢等常用材料的刻蚀液，广泛使用三氯化铁(FeCl3）。各种材料的刻蚀液见表6.2-9所示。

刻蚀不仅沿厚度方向，而且也沿横方向进行，一般称为 “侧面刻蚀”或 “钻蚀”。如图 6.2-36 所示，当刻蚀深度为D，光刻胶窗口的宽度为W1，被刻蚀成的宽度为W2，侧面刻蚀的宽度为R时，可用下式表示侧面刻蚀量，且通常把该数值称为刻蚀系数Ef即

Ef2D/(W1W2)D/R (6.2-2)

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表 6.2-8 被加工材料与刻蚀液的组成

被加工材料 铁板、钢板 不锈钢 钢、铜合金 铝 钼 金、铂金 银 镍、磁性合金 玻璃、陶瓷 透明导电膜（SnO3 ,In2O3) 蒸镀铬膜（铬掩膜） 聚酯 刻蚀液 FeCl3 ，FeCl2+HNO3 ,HNO3 ,HNO3+AgNO3 FeCl3 ，FeCl2+HNO3 ,HCl+HgNO3 ,HCl+HNO3 FeCl3 ,(NH4)S2O3+CuCl2 20%的NaOH ,HCl1分+水3分 浓H2SO41份+浓HNO31份+水3 份K3Fe(CN)6+NaOH 王水（浓HNO31份+浓H2SO43份） 55%的Fe(NO3)2 ,无水铬酸20g+浓硫酸10ml+水1L FeCl3，浓HNO31份浓HCl+水3份 HF液，HF+NH4Cl液 HCl+锌粉 (NH4)Ce(NO3)5165g+70%HCl442ml+水1L 热浓H2SO4，氨基磺酸+H2SO4

图 6.2-36 侧面刻蚀和刻蚀系数

由于存在侧面刻蚀，使刻蚀成的窗口常比光刻胶窗口尺寸大些。为了修正，就要从设计值中减去刻蚀余量。刻蚀余量的大小与被加工材料、刻蚀液的种类及被加工材料的厚度等许多因素有关，需用实验来确定。侧面刻蚀越小，刻蚀系数 越大，则刻蚀部分的侧面越陡，因此产品尺寸的精度就越稳定。双面刻蚀比单面刻蚀的侧面刻蚀量明显减少，故可使刻蚀系数得到改善，且还具有刻蚀时间缩短一半的优点。因此，当需要加工贯通窗口时，往往进行双面刻蚀．如图 6.2-37 所示 。

刻蚀的方式对于刻蚀系数有很大的影响。静止的刻蚀液，因循环不善，故反

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应也迟钝。如果用一定的压力进行喷吹，则因反应面上刻蚀液的供给状况得到改善而使刻蚀的速度提高，则刻蚀系数也明显增加。因此，最近广泛使用一种用泵 加压，使刻蚀液以喷嘴喷出的喷雾刻蚀饥。在这类机械中，加工材料有垂直夹持的，也有水平夹持的。如图 6.2-38所示，两者都能从两面啧射刻蚀液，而且喷射时喷嘴作扇状摆动，以便对全部加工商进行均匀的刻蚀。

为了均匀地进行高精度刻蚀 ，刻蚀液的管理是很重要的，要经常监视液温、成分和pH值等，以便进行适当的补充和交换。

图 6.2-37 单面刻蚀和双面刻蚀

9.2 化学抛光

化学抛光（Chemical polish 简称 CP）的目的是改善工件表面粗糙度或使表面平滑化和光泽化。

(1） 化学抛光的原理和特点

化学抛光一般用硝酸或磷酸等氧化剂溶液，在一定条件下，使工件表面氧化，此氧化层又能逐渐溶入溶液，表面微凸起处被氧化较快而较多，微凹处则被氧化慢而少。同样凸起处的氧化层又比凹处更多、更快地扩散、溶解于酸性溶液中。因此使加工表面逐渐被整平，达到表面平滑化和光泽化。

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图 6.2-38 刻蚀机

化学抛光可以大面或多件抛光薄壁、低刚度零件，可以抛光内表面和形状复杂的零件不需外加电源设备，操作简单，成本低，其缺点是化学抛光效果比电解抛光效果差，且抛光液用厉处理 较麻烦。

(2） 化学抛光的工艺要求及应用

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1） 金属的化学抛光常用硝酸、磷酸、硫酸、盐酸等酸性溶液抛光铝、铝合金、银、铝合金、碳钢及不锈钢等。有时还加入明胶或甘油之类的添加剂。

抛光时必须严格控制溶液温度和时间。温度从室温到90℃，时间自数秒到数分钟，要根据材料、溶液成分经试验后才能确定最佳值。

2） 半导体材料的化学抛光 如锗和硅等半导体基片在机械研磨平整后，还要最终用化学抛光去除表面杂质和变质层。常用氨氟酸和硝酸、硫酸的混合浴液或双氧化和氢氧化镀的水溶液。 9.3 化学镀膜

化学镀膜的目的是在金属或非金属表面镀上一层金属，起装饰、防腐蚀或导电等作用。

(1） 化学镀膜的原理和特点

其原理是在含金属盐溶液的镀液中加入一种化学还原剂，将被液中的金属离子还原后沉积在被镀零件表面。其特点是：有很好的均镀能力，镀层厚度均匀，这对大表面和精密复杂零件很重要；被镀工件可为任何材料，包括非导体如玻璃、陶瓷、塑料等；不需电源，设备简单；镀液 一般可连续、再生使用。

(2） 化学镀膜的工艺要点及应用

化学镀铜主要用硫酸铜 、镀镍主要用氯化镍、镀铬用溴化铬、镀钴用氯化钴溶液，以次磷酸钠或次硫酸钠作为还原剂，也有选用酒石酸钾钠或葡萄糖等为还原剂的。对待定的金属，需选用特定的还原剂。镀液成分、质量分数、温度和 时间都对镀层质量有很大影响。镀前还应对工件表面除泊、去锈等净化处理。

应用最多的是化学镀镍、钴、铬 、锌，其次是镀铜、锡。在电镀前，常在非金属的表面用化学镀镀上很薄的一层银或铜作为导电层和脱模之用。

10 微细电火花线切割加工技术

微细电火花钱切割加工是指加工过程中采用钨合金或其他材料的微细电极丝（直径为10µm～50µm）进行切割，主要用于加工轮廓尺寸在 0.1mm～1mm的工件。由于属于非接触式加工，加工过程中不存在切削力，因此能够保证加工过程的一致性。

10.1 微细电火花钱切割加工的关键技术

(1) 电极丝的微细化

在传统电火花线切割加工中电极丝作为加工用的电极，其直径一般在

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0.10 ～0.35 mm之间。而为了实现微细化加工一般儒要采用直径为 20～50µm间的微细电极丝进行切割。在微细电火花线切割加工中随着电极丝直径减小将产生一系列工艺问题，如电极丝的电流承载能力变差、所能承受的张力变得更小、加工中电极丝容易发生磨损、断丝等。

(2） 装夹与在线检测 在徽细电火花线切割加工条件下微小零件将很难进行准确的装夹、定位，尤其对于需要凸模 加工的微小零件，需要更加精密的装夹、定位系 统以保证加工之后零件的完整。此外加工过程中微小零件的位置及尺寸的在线检测技术也是保证加工精度的重要手段 。

目前流行的徽小零件装夹系统大量采用了计 算机的软硬件技术、’ 在线检测技术从而使得装夹 系统具有极高的柔性和集成性。利用这些技术成 果，目前已经出现了许多类型的装夹系统，而装 夹系统的定位精度最高可以达到 1 问。此外 ， 为了提高装夹机构的使用寿命 、在装夹机构经常 磨损的地方还进行了涂层处理，涂层材料主要是 硬度比较高的 TiC 或者 WC。

(3） 脉冲电源

微细电火花线切割加工与常规电火花线切割加工的最大区别在于能量控制方式的不同，故能够提供能量精确可控的也是实现微细电火花线切割加工的关键技术之一。

为了实现小尺寸、高精度的加工，微细电火花钱切割加工单个脉冲的放电能量必须控制在106~107J之间。减小放电电压、峰值电流、脉冲宽度都可以降低放电能量，但其中实际有效的方法是减小单个脉冲放电的肘间。晶体管可控微能量RC脉冲电源是微细电火花线切割加工的一种理想的电源。原理如图 6.2-38 所示。通过设置晶体管可控微能量RC 脉冲电源的脉冲发生嚣，产生所需的脉冲控制开关管的开通与关断， 即控制电容C的充放电时间，从而达到准确地控制脉冲宽度和脉冲间隔及放电能量的目的。这样可以通过减小放电能量从而减小放电凹坑，提高表面质量并降低自亮层厚度。

图 6.2-39 微能量RC脉冲电源原理图

(4） 伺服进给系统

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为了实现高的加工精度，微细电火花线切割还需要十分精确的定位系统和非常精细的运动控制，因此高性能的伺服进给系统也是实现微细电火花钱切割加工的必要条件。目前在生产领域普遍采用的是交流伺服系统驱动精密滚珠丝杠导轨 副传动部件构成的伺服进给系统。在最新的一些高档电火花线切割机床上，还出现了精密光栅尺与直线电机驱动组成的闭环控制伺服进给系统。随着压电陶瓷驱动技术的不断成熟最近还出现了新型的精密压电陶瓷微驱动伺服进给系统。

(5） 机床结构的设计

微细电火花线切割加工要求机床结构利于加工时热量的散发，避免加工中精密部件的热变形造成对机床使用寿命及加工工艺指标的影响。

(6） 工作环境

一般要求微细电火花线切割加工过程要在无尘 、恒温的条件下进行而且必须对机床进行隔振 处理。

10.2 微细电火花钱切割拥工技术的应用

微细电火花钱切割加工相对比较低廉的加工成本，高的加工速度以及较高的加工精度和表面质量，使得微细电火花缉切割加工成为一种应用性很强的微细加工方法。目前，国际上许多电火花线切割机床的生产厂家和研究机构都开始尝试 采用微细电极丝进行越精微细加工方面的探索。

欧洲的 GL Group 研究小组采用直径为30µm的电极丝进行切割加工，切割后表面粗糙度值Ra可以达到0.13µm，尺寸加工精度可以达到±0.2µm。日本 Fanun公司的Robocut Alpha-Oia 电火花切割机床采用直径为50µm、材料为黄铜的微细电极丝可以加工微小齿轮、微小花键模具等复杂形状零件。Agie公司最新的Agiencut Vertex电火花钱切割机床，其走丝机构可以实现0.2～0.02mm电极丝的自动穿丝以及断丝检测，该机床是一种集成化、自动化程度很高的机床。德国 Berkenhoff研究机构已经成功采用直径为25µm的电极丝进行切割加工，图6.2-40 所示为其切割的零件，其中零件为厚度1mm的不锈钢件，加工后的表面粗糙度值可以达到Ra0.8µm。

大长宽比微小零件的切割一直是电火花线切割加工的优势所在。图6.2-41 是一组大长宽比微小零件的切割实例。图6.2-4la 中微型继电器尺寸

30m300m1500m。图6.2-41b采用微细电火花线切割加工的大高长比(25m700m)薄壁零件。图6.2-41c为微细电火花线切割加工的在外科手术中

用的具有高长宽比的导尿管。图6.2-41d为采用微细电火花线切割加工的微小齿

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轮泵，该齿轮泵共有7个微小零件和一个微细轴组成，泵外径为2.5mm，可以以7 200r/ min的转速旋转，并提供0.12L/min的流速，泵材料为粘结处理后的碳化钙，零件的尺寸精度为±1.5µm，表面粗糙度为Ra0.15µm。

图6.2-42a 是哈尔读工业大学通过微细电火花钱切割加工出的微小齿轮模具的电子扫描显微镜照片，材料为不锈钢，厚度为1mm，模数0.04。图6.2-42b为一对配合很好的微小齿轮模具，厚度为3.5mm,模数为0.1。图6.2-42c为微小齿轮磨具制作出的微齿轮。

图 6.2-40 采用直径为20 的电极丝切割的试件

图 6.2-41 一组大长宽比微小零件的微细电火花线切割实例

图 6.2-42 应用电火花线切割加工的微小齿轮模具

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11 微细电火花加工 （简称 MEDM)

11.1 概述

电火花加工的基本原理是基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。电火花加工的表面质量主要取决于电蚀凹坑的大小和深度，即单个放电脉冲的能 量；而其加工精度与电极损耗、电极制造与安装精度、伺服稳定性等因素密切相关。在各种不同的电火花加工应用中，通常把尺寸特别小的加工称作微细电火花加工。所谓特别小，究竟小到何种程度，目前尚无明确的规定。微细电火花加工 的原理与普通电火花加工并无本质区别，实现微细电火花加工的关键在于微小轴 （工具电极）的在线制作、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测与系统控制及加工工艺方法等。

目前，MEDM应用的放电能量，粗加工为100J，精加工为10J左右，大体上是通常电火花加工能量1～100J的1/1000左右。由于MEDM的放电能量与通常的电火花加工不同，因而有其自身的特殊状况。电火花加工是在大气压力条件下进行的过渡性电弧放电。如果脉宽固定不变，就不可能使电流值减少到最低程度 。为此，不得不采取一方面将电流值保持在一定的程度，另方面则通过减小脉宽来实现微小能量的简便放电方法。所以，MEDM 所设定的脉宽要比一般电火花加工短很多。在这种极短脉冲的放电过程中，形成浓度极低的等离子放电，而电子流 则成为主要的载流子，即变成一种接近于电子束的加工状态，放电能量主要转换为热，最终产生在阳极上。因此，在MEDM 中，为降低电极的损耗率，一般将工件接子正极，电极接子负极。 11.2 微缅电火花加工的特点和应用

在使用工具的加工方法中 ，MEDM 具有以下的特点：

1） 同其他加工法相比，由于MEDM的切削力极小，所以能加工细、薄的工件 ，不会因工具的弹性变形而使精度受到影响。

2）功能加工硬度高、韧性大的材料。

3） 工具的旋转不再是绝对的条件 ，由子工具的所有表面都起到加工作用，所以工具的形状及被加工形状的自由度都很高。

4） 微细电火花加工使用形状复杂的微小电极，由于加工过程中存在严重的电极损耗现象，使成形电极的形状很快改变而无法进行高精度的三维曲面加工。

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11.3 微细电火花加工原理

如图 6.2-43 所示，首先用反极性电火花（将电极接脉冲电源负极）加工出简单的棒状电极（图 6.2-43a）然后用比电极对容易加工的电极材料（例如黄铜薄片）进行电火花穿孔或成形加工，制作所需形状结构的薄片电极（图 6.2- 43b）。由于黄铜电火花加工时，其电极损耗可降低到很小（只有钢材或硬质合金材料的1/10左右） 所以用一个简单的捧状电极就可以加工出具有许多相同孔形的薄片电极。然后再用此薄片电极对整体电极块进行电火花加工，最终将所需形状复制到整体电极上（图 6.2-43c）。这样经过几次反复的电火花加工，就可以成形为具有大量相同形状的整体工件或电极。

图 6.2-43 多次仿形微细电火花加工原理

图6.2-44 是24个微细杆状柱体的整体加工实例，每天柱体的直径为0.125 mm，校体高度为2mm，间距为0.2 mm ，材料为硬质合金，这是使用厚度为0.1 mm

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的黄铜薄片作为中间电极加工而成的。图 6.2-45 是应用电火花加工的微型针状整体电极，每个针形直径为0.014 棚， 高度为0.25 mm，针的问距为0.1mm，材料为铜钨合金。

图 6.2-44 微小整体柱形加工实例 图 6.2-45 微型针状整体电极电子

的电子显微镜放大图像 显微镜放大图像

11.4 微细电火花加工的工具电极制作

电火花加工是一种借助于电极的整体形状或电极的移动轨迹 ，以复制的方法对工件实施加工。因此，MEDM 必须使用微小尺寸的 电极。由 于电极微细 ，必须减少相应的安装误差 （偏心、 倾斜），而减少尺寸如此微小 电极的安装误差， 往往需要高度的操作技能。可见 ，微细电极的制 作与安装是微细电火花加工技术的 “瓶颈”。目 前微细电极一般均采用在线制作方式，常用的方 法有 反拷块加工和线电极电火花磨削 （ Wire m优tricDischai芭e Grin曲ig ，简称 WEDG ） 两 种方式如图6.2-46所示。

图 6.2-46 工作电极制作方法

应用反拷块方式在线制作微细电极是一种较为传统的方式，其加工原理是逆电火花加工，即以反拷块为工具，以待加工微细电极为工件完成电极的在线制作。

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这种方式的最大特点是加工效率较高，缺点是微细电极的尺寸不易控制。以WEDG 方式加工微细电极的方法是日本东京大学增泽隆久教授等人首创并达到了实用化程度，其加工原理基于丝线和被加工轴之间的电火花钱切割和电极反拷方法的优化结合，被加工轴（工具电极）的成形通过主轴的进给和旋转运动以及线电火花磨削丝的移动实现。丝线的移动实时补偿其电火花加工所致的直径损耗，弥补了反拷加工工具电极轴时难以保持所需形状的特点。而走丝导块保证丝线和被加工轴之间的径向位置，与钱切割加工相比避免了丝绒刚度低引起的加工误差。这种采用精密旋转主轴头与线电火花磨削走丝机构相结合的在线制作微小工具电极的方法．与金属丝矫直、毛细管拉拔或金属块反拷等方法相比，容易得到更小尺寸的电极轴且易保证较高的尺寸和形状精度。由于 WEEDG 方式是以点接触微能放电加工，所以其电极制作效率较低。 11.5 高精度微进给驱动装置

微进给机构是微小电火花加工装置中的关键技术，是实现微细电火花加工的前提和保证。传统的滚珠丝杠进给机构传动链长，传动装置之间 存在间隙，其精度和频i响都难以满足微细电火花 加工技术的要求。近年来一些新型微进给机构的出现，很好地解决了微细电火花加工中微小步距进给的难题。微进给机构按其工作原理可以分为以下三类。

(l） 以电致、磁致伸缩器件为基础的微进给机构

这类微进给机构的典型装置有蠕动式、冲击式、椭圆式。蠕动式微进给机构的工作原理如图 6.2-47 所示。夹紧块 A 、B 和进给机构 C 以四个节拍为一个工作周期，按一定的顺序动作实现电极的进给和回退。若采用细分伺服系统．其进给分辨率可达几十纳米 ，频响可达到500Hz。

图 6.2-47 蠕动式微进给装置工作原理

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冲击式微进给机构的工作原理如图 6.2-48 所示。压电陶怪通电后快速收缩，惯性体产生加 速度通过压电陶瓷冲击移动体，然后压电陶瓷断 电快速伸长 ，冲击惯性体和移动体 ，通过惯性体 和压电陶髦的冲击，使移动体克服摩擦力产生徽 位移。但是其进给精度和频响较差。

图 6.2-48 冲压式微进给装置工作原理图

椭圆式微进给机构的工作原理如图 6.2-49 所示。不同相位的交流电作用于上下相互垂直排 列的压电振子上，使驱动块表面产生椭圆运动轨 迹 ，电极在两个驱动块作用下进给或回退 ，其相应频率可达 1000Hz，但稳定性较差。

(2） 以步进电机和电致伸缩效应为基础的微进绘机构

该微进给机构的工作原理如图 6.2-50所示，步进电机的步距等于若干个小行程，每个小行程由 WIDS 器件构成的执行件完成。在执行件达到量程后，让它快速返回到起始位置，自步进电机驱动下层工作台作一相同距离的大步距进给，整个加工行程由两种进结方式交替进行。加工行程的计算机控制次序如图6.2-51 所示。

图 6.2-49 椭圆式微进给装置工作原理图

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图 6.2-50 步进电机结合电致伸缩微进给机构

图 6.2-51 微进给机构的进给程序

（3） 基于超声马达的微进给机构

这种微进给机构的工作原理如图 6.2-52 所示。移动体夹于两个定子之间，两个定子对移动 体的驱动方向相反，形成差动，使移动体进给回退。该机后平微型好，直线性好。

图 6.2-52 基于超声马达的微进给装置

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11.6 微小能量脉冲电源技术

脉冲电源的作用是提供击穿间隙中加工介质所需的电压，并在击穿后提供能量以蚀除工件材料。减小单个脉冲的放电能量是提高加工精度， 降低表面粗糙度的有效途径，微细电火花加工中，要求最小放电能量控制在106~108J，相应的放电脉冲的宽度要求在微秒级至亚微秒以下量级。微小能量脉冲电源主要有两种形式 ：独立式晶体管脉冲电源和弛张式 RC 脉冲电源。晶体管微小能量脉冲电源多采用 MOSFET 管做开关器件，它具有开关速度高、SOA 高、无温漂以及无 热击穿故障的优点。晶体管电源脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形好、容易实现多回路和自适应控制 ，因此应用范围比较广泛。弛张式 RC 脉冲电源是利用电容器充电储存电能，而后瞬时放出的原理工作的。RC 脉冲电源、结构简单，易于调节单脉冲放电能量。 11.7 电火花分层铣削中电机的损耗

影响电火花加工精度的因素很多，如电极损耗、电解质的特性和工作台运动等。其中对微细电火花加工精度影响最大的就是电极损耗。截面为方形的电极的末端比圆柱形电极的末端更容易损耗，所以方形截面的电极损耗对加工精度的影 响更为明显，如图6.2-53a 所示。由于加工过程中电极末端形状的改变，我们很难获得所期望的三维形状。如果能通过某种措施使电极端面的形状保持不变 （电极端面各点的损耗量均匀，如图 6.2-53b 所示），就可以通过电极的轴向补偿来获得很高的加工精度，得到准确的三维形状。电火花分层铣削过程中，电极作直线扫描运动而无轴向进给时电极损艳的情况如图 6.2-54 所示。

图 6.2-53 电极端部的磨损 图 6.2-54 电极平动时端部的损耗过程

11.8 应用实例

（1） 微细孔电火花加工

目前，微细孔加工技术除了传统的机械钻削加工外，常用的有激光加工、电子束加工、电火花加工和电化学加工等。由于电火花加工有能量可控性好、成本

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低等优点，而使它在微细加工中占有重要的地位。通常对直径尺寸小子 0.2 mm 的孔称之为微细孔，目前应用电火花加工方法加工最小微细孔径可达到

20m，其深径比则达l0: 1以上。

电火花微细孔加工是微细电火花加工的一种工艺方法 ，有其自身的工艺特点。由于被加工孔径尺寸很小，而且要达到微米级尺寸精度及表面粗糙度 ，必须严格控制单个脉冲的放电能量。通常放电能盘在 106~107J 时，其电蚀坑直径可小于 1µm ，深度小于 0.1µm 。所以一般脉冲电源难以满足要求，必须研制特殊的脉冲电源，另外其放电间隙大约为 1～2µm，而且蚀除速度也比较小，因而为保证加工稳定进行，对其伺服进给系统提出了比较严格的要求 。微细孔加工时， 排屑状态极为恶劣，影响到加工稳定性和深径比增大；工具电极的制备比较困难；其他诸如工作液选择 ，微孔测量，电极装夹等都有其特殊性。总之该项研究工作，是针对这些特殊性而进行的试验研究，并取得了进展。研制出了加工装置和电源，得到了微细孔电火花加工的工艺规律。

1） 工具电极的制备 工具电极的制备是电火花加工首先要完成的工作，而对于细微孔加工来讲，更有其特殊性。通常电火花穿孔加工所用的电极材料以紫铜、石墨、铜钨合金及银钨合金等为主。但由于微细孔加工孔径小，加工面积小，电极相对损耗相当大。故电极材料应选择损耗小，杂质少，刚性好和加工稳定的金属丝。对细微孔加工的电极来讲钨丝是比较理想的材料。所以通常是选用钨丝作为微细孔加工电极的材料。

但是一般市场上所能购得的钨丝，其尺寸和精度是不能满足加工条件要求的，对于微米级直径的工具电极来讲，需要加工成阶梯轴的形状，以保持足够的刚度 ，因此用电火花反拷加工是一种行之有效的工艺方法。通常采用长方形铜钨合金固定在工作台上作为反拷电极。如图 6.2-43a 所示。其工作面必须仔细修磨过，并校正到与坐标方向平行。而反拷修整的电极丝装于主轴夹头内，可随主轴旋转和上下运动。加工余量为0.02～0.05µm 。

实际上，在微细孔电火花加工中，电极制作是采用线电极电火花磨削 （ Wire Electrical Dis­charge Grinding ，简称 WEIDG）方法，如图6.2-43b所示。被加工的电极丝夹持在机床主轴上，做旋转和上下移动。反拷丝以低速囱贮丝轮向收丝轮 连续运行 ，这样可以保证加工精度 ，防止电极耗 损造成误差。当加工电极不旋转时，可以反拷为 异形截面 电饭。反拷分粗、精加工规准。粗加工时，开路电压 130 V ，脉冲宽度 2µs ，留有一定余量进行精加工。精加工

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规准的开路电压 110 V , 脉冲宽度 0.2 µs，脉冲间隔时间 1 µs。反复几次精修，得到所需要的电极。反拷中采用负极性加工。据报道 ，国外用这种方法，可以加工出 0.005mm 直径的细轴。当然这种细轴的长度是受到刚度的限制，不能很长，以满足加工深度要求为准。

2） 微细孔加工试验 为了能深入了解微细孔电火花加工的规律，采用不同的工作介质、工件材料和电参数，进行大量试验研究。加工条件为 ：

① 工作介质：蒸馏水、去离子水 、自来水、 煤油。 ② 开路电压 （V): 130, 110，90。

③ 脉冲宽度 （ µs): 0.2, 0 .5 , 1, 2, 4,10, 12。 ④ 脉冲间隔时间 （µs）：0.4, 0.5 , 1, 2，4, 8, 12。 ⑤ 工件材料 ：1Crl8Ni9Ti, Crl2, TC4，铜、 铝 、硬质合金等。 ＠ 工具电极材料：鸽。

⑦ 加工极性：正极性，即工件接电源正极。 表 6.2-10 给出了深径比大于 15 的微细孔加工试验结果及对应的试验条件 。

表 6.2-10 微细孔加工实验结果

序号 工件工件厚工作液 开路电压/V 脉冲宽度/µs 0.2 0.2 0.2 0.5 1 0.2 4 2 0.5 0.2 0.5 0.2 0.2 0.2 51

脉冲间隔时间/µs 1 1 1 1 2 0.5 8 4 1 0.5 0.5 0.5 0.4 0.2 孔径/mm 0.037 0.030 0.019 0.060 0.067 0.032 0.093 0.071 0.062 0.047 0.033 0.26 0.22 0.030 深径比加工时材料 度/mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

（H/D) 间/min 16 20 31 17 15 31 16 21 24 37 15 19 23 16 5.6 5.8 6.2 3 2.5 4.3 1.4 1.5 3.5 5 1.2 1.5 2 6 Crl2 Crl2 Crl2 Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu TC4 TC4 TC4 TC4 0.6 0.6 0.6 1 1 1 1.5 1.5 1.5 1.5 0.5 0.5 0.5 0.5 蒸馏水 蒸馏水 蒸馏水 蒸馏水 蒸馏水 蒸馏水 蒸馏水 蒸馏水 蒸馏水 蒸馏水 去离子水 去离子水 去离子水 去离子水 110 110 110 110 110 110 130 130 130 130 110 110 110 90 52 西南科技大学城市学院课程设计

从表 6.2-10 中可以看出，脉冲电源的开路电压和脉冲宽度的选择有很大的影响。在高电压，大脉冲宽度加工时，很容易产生异常放电而烧毁很细微的电极丝 ，使加工中断。

适当选择开路电压数值很为重要。由表中可见，在加工直径超过 0.06mm 的微孔时，可选用 130 V 的开路电压（表 6.2-10 中序号7～10），而加工比较小的孔时，应选择较低的开路电压。同样 ，脉冲宽度的大小 ，也要与孔径的大小相适应。但是电规准选择比较小时，每个脉冲能量减小，单位时间内的蚀除量减小，同样加工尺寸参数，需要更多的时间。试验中也发现，采用低开路电压，小脉冲宽度时，放电间隙也会变小，导致排屑困难，经常造成短路，使电极回退次数增多，延长了加工时间。在实验中，所能加工出的最小孔径为 0.019 mm，其深径比为30 左右（表6.2-10 中序号 3），当然要稳定的达到这种水平，必须仔细进行操作。

表 6.2-11 和表 6.2-12 是在不同的开路电压和不同种类的工作液加工时，对加工时间及侧面放电间隙的影响。

表 6.2-11 开路电压对加工时间及侧面间隙的影响

电极直径 工件厚度 0.6 开路电压 130V 脉冲宽度 4µs 脉冲间隔时间 8µs 蒸馏水 工作液 工作材料 Cr12 孔径 侧面间隙 加工时间 0.08 0.09 0.005 3 min 0.08 0.6 110V 4µs 8µs 蒸馏水 Cr12 0.088 0.004 4 min 0.08 0.6 130V 2µs 4µs 蒸馏水 Cu 0.088 0.004 47 s 0.08 0.6 110V 2µs 4µs 蒸馏水 Cu 0.088 0.005 57 s 开路电压幅值增加，放电间隙增大有利于排屑，时加工过程比较稳定，也使得加工时间缩短。但加工孔径糟大，侧面间隙也加大（见表6.2-12）。

加工介质的影响也是很显著的。在各种加工条件相同的情况下，改变工作液的种类，其加工时间和侧面间隙不相同。用去离子水作工作液时，其加工时间和侧面间隙均为最小，煤油次之，用自来水效果最差。这是由于一般的自来水中含有较多的导电杂质及导电离子，使脉冲能量不够集中，气化蚀除比率降低，放电

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蚀除颗粒变大，不利于排屑，使放电稳定性变差。同时，自来水在比较高的电压作用下，电极之间会产生电 化学作用，使工件产生电化学溶解，使孔的加工 精度变差。使用煤油加工，虽然绝缘性能很好，但在放电过程中会析出大量的碳物质，形成悬浮微粒的肢状物质，妨碍工作液流动排屑。用去离子水做工作液时，可以克服上诉两种工作液存在的问题。用去离子水做工作液时，所产生的放电 蚀除颗粒远小子在煤汹中加工所产生的金属颗粒，所以蚀除金属屑易被排除，加工过程最稳定，效果最好。

表 6.2-12 开路电压对加工时间及侧面间隙的影响

电极直径 工件厚度 0.5 开路电压 130V 脉冲宽度 脉冲间隔时间 工作液 工作材料 去离子水 TC4 孔径 侧面间隙 加工时间 0.08 2µs 2µs 0.086 0.003 20 s 0.07 0.5 130V 2µs 8µs 煤油 TC4 0.079 0.0045 30 s 0.07 0.5 130V 2µs 4µs 自来水 TC4 0.08 0.005 45 s 工件材料不同 ，其可加工性也不相同。当用 0.08 mm 直径的工具电极加工不同材料时（开路电压 130 V ，脉冲宽度 ti 为 4 µs，脉冲间隔时间 t0为 8 µs，工件厚度为 0.5 mm），其各自加工时间不同。钛合金为 18 s，铜为 47 s, 1Crl8Ni9Ti 为 1 min, Crl3 为 3 min ，而铝合金却几乎无法加工，因为很容易氧化而生成 Al2O3 的薄膜，阻止电火花的放电过程进行。

图6.2-55 是制作的微小齿形硬质合金冲头工具，图 6.2-56 是用该工具对 18 µm 的铜片进行冲孔加工的放大图形实例。

图 6.2-55 齿形硬质合金冲头工具 图 6.2-56 齿形冲孔加工实例

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(2） 微细沟糟加工

同样以 WEDG 方法加工微细电极当做类似铣削的铣刀，可用两种方式来加工沟槽，其一是直接以此微细电极进行路径式放电加工，其二将微细电极当做微细铣刀，一面旋转切削，一面依路径行进。这两种方式都可加工微细沟槽，但在实用上或批量生产上，都存在一定的问题有待解决。图6.2-57 是在单晶硅材料上加工出的微小文字结构。

图 6.2-57 用微细电火花加工技术在单晶硅上加工出的微结构

(3） 三维形状模具加工

有了二维的沟糟加工经验之后，三维模穴加工就可以应用层切法来实现，但在实用上仍有电极消耗补偿，加工效率低等问题亟待解决。此外，如何制作更小直径电极来加工以达到更小圆角的模穴形状，亦有待努力克服。最近美国Ne-braska-Lincoln 大学针对 3D 微放电加工进行了一系列的研究，提出将均匀消耗法（ Uniform Wear Method ） 应用于 CAD/CAM 系统，希望层切法的电极均匀消耗，并保持切削形状正确。图 6.2-58a 所示是日本东京大学用电极端部放电扫描加工的方法制作出的微小型汽车外形模具；图 6.2-58b 是将模具加热至 200℃注塑成形的微小型汽车外形。图6.2-59 是用微细电火花加工技术加工出的微三维结构。图 6.2-60 是利用电火花分层镜削技术制作的模具。

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图 6.2-58 微细电火花铣削加工制作的汽车模具

图 6.2-59 用微细电火火加工出的微三维结构

图 6.2-60 微细电火花加工的模具

12 微细电化学加工技术

电化学加工 ECM 加工（ Electrochemical Machining）是金属工件在电解液中发生阳极溶解的一种加工过程。电化学加工原理可分为两大类：一类是基 子阳极溶解原理的减材技术，如电解加工、电解、抛光等；另一类是基于阴极沉积

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原理的增材技术，如精密电铸、刷镀等。电化学加工以其加工效率高、工具无损辑、加工表面无变质层和无应力加工等优点而在航空航天发动机零件等加工领域中得到极为广泛的应用。但同时由于该方法存在着杂散腐蚀、加工间隙不易精确控制、加工精，度较差等缺点，限制了其在微细加工领域中的发展。近年来，随着高频、窄脉冲电源等相关技术在电化学加工中的应用，使得电化学加工在复制 精度、重复精度、表面质量、加工效率、加工过程稳定性方面有很大的提高。

电化学加工过程是一种基于在溶液中通电，使离子从一个电极移向另一个电极，将材料去除或沉积的方法，是一种典型的“离子”方式去除（或生长）工艺。只要精细地控制电流密度和电化学发生区域范围，就能实现微细电化学溶解或微细电化学沉积，达到微细加工的目的。电解如工“离子”去除机理上的优势已在常规电解加工中有所表现，如表面无变质层、无残余应力、粗糙度小、无裂纹、不受加工材料硬度限制等。 12.1 微细电化学蚀刻加工

电化学金属材料去除加工主要包括有掩膜徽细电化学蚀刻加工和无掩膜徽细电化学蚀刻加工。

在有掩膜电解蚀蚀中，将表团覆盖有光刻胶图形的材料放进电解液中，接到阳极上，再以铅等作阴极进行电解，就会因阳极氧化作用而产生刻蚀（图6.2-61）。这种加工方法只能加工金属材料，并采用表 6.2- 13 的电解液。目前，微细结构的加工很多都采用化学刻蚀，但由于化学刻蚀的等方向性，就很难获得较直的加工侧壁和较大的深宽比，且加工速度也接慢。而此法虽然技术难点较多，例如难以使电流宿度保持均匀；由于过电压作用，被加工材料的刻蚀高会被钝化，不适于批量生产，通过控制电解液的流速和电流密度的分布能很好地克服化学刻蚀存在的缺点。另 外，掩膜法具有独特的优点，即可以使用腐蚀性小的中性盐电解质，对环境污染小，适用面广，刻蚀速度快。

图 6.2-61 电解刻蚀装置

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表 6.2-13 电解刻蚀液

被加工材料 铜、铜合金 铅 金 银 铝 不锈钢 电解刻蚀液 （NH4)Cl(90g)+NaCl(260g)/(1L) NaOH溶液或市售电解脱脂液 NaCN或KCN液(电压6V) 15%的HNO3液(电压2V) 10～12% NaOH 液+水3分(电压6V) 37% HCl1份+水3份(电压6V) 在有掩膜电解蚀刻中，如果窗口部分的尺寸通过刻铀达到了规定的尺寸，就要进行充分的水洗，以便把刻蚀液全部洗去，并立即进入剥膜液中。对水溶液性光致光刻胶使用的剥膜液是加热的碱溶液，而溶剂位光致光刻胶则使用规定的浴 剂剥膜液。光刻胶一经和剥膜液接触便很容易分离或溶解，所以用水洗就能彻底地将光刻胶的残渣或药品残渣除去，此后再甩去水分并用热风燥。如果使用的是表团易于被氧化的材料，则在浸溃了热水和酒精之后即进行干燥。便能得到没有水迹的消洁表面。

检验时主要是用测量显微镜对窗口尺寸和间隙尺寸进行检查，必要时还要对相应断面的形状以及物理性能和电学特性进行检查。

国6.2-62a 是 IBM 公司利用掩膜微细电解加工在 25µm 厚的不锈钢上加工直径为 55 µm 表面光滑的打印机上徽细小阵列油墨喷嘴。另外，还可以来用单侧掩膜加工出圆锥体微三维结构，例如圃锥体连接器。以前此类结构都是采用激光去除聚合体，然后来用镀金法制作而成，但是强度较差。IBM 公司采用单掩膜徽级电解散小喷嘴射流法能很好地进行加工。通过合理设计光刻跤成形的尺寸和控制微细电解的加工电盘，能够获得形状较好的圆锥体形状，如图 6.2-62b 所示。

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表 6.2-62 微掩膜的微细电解加工的微细结构

无掩膜徽细电化学蚀刻加工则需要去除过程具有高度的选择性，常用微细电解液射流来实现这一目的.。即通过精密微细喷嘴直接把中性盐电解液喷到被加工工件金属表面上，同时在工件和喷嘴之间施加电压。使工件上被电解液喷射的材料部分产生溶解去除而进行加工。由于喷出的电解液射流直径很小，因此具有良好的定域加工能力和较高的加工效率并可以加工多种金属和合金，不会产生加工变质层和毛刺等。图 6.2-63 是 IBM 公司采用无掩膜微细电化学蚀刻加工通过直径为 200 µm 的小喷嘴喷射 5 M 浓度 NaNO3 溶液到到 50 µm 厚的不锈钢金属薄片上加工出的通槽所组成的 IBM 字样复杂形状的一个示例。

表 6.2-63 利用电解射流加工通槽组成的 IBM 字样

12.2 超短脉冲微细电化学加工

超短脉冲微细电化学加工是利用持续时间以纳秒寸十的超短脉冲电压进行电化学微细加工的方 法，目前已经成功地加工出微米级尺寸的微细零件，加工

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精度可达几百纳米。这种加工方法无须加掩膜，通过控制具有一定形状的微细电极，可进行三维结构微细加工。一般，微、纳米尺度的圆柱电极可利用化学侵蚀或光学刻蚀的方法来获得。用超微电极和超短脉宽进行微细电化学加工是由电化学反应的基本性质决定的，在浸入电解液中的电极表面形成双电层。为发生电化学反应（如电解），通过外加电压，超微电极的双电层在几纳秒内极化，充电时间常数是很小的，且与电极间隙距离成正比，充电时间随电极间距离的增大而增大。因此在极间双电层发生的电化学反应具有很强的距离敏感性，如何控制电极间距离是该方法的核心问题。微小电极在加工时与工件的距离通常不超过 l µm，用10 ns 脉宽的超短电压脉冲给双电层进行有效充电，由于电流脉冲只待续很短的时间，铜的溶解与沉积都只发生在非常靠近微细电极表面被极化的很小的区域内．双电层的空间约束控制电化学的形状精度与尺寸精度，加工精度极高。于是，工具电极可以垂直插入工件加工，移动圆柱电极就像一个小铣刀一样在工件上进行三维微细零件的加工。因为在加工过程中，Pt 圆柱电极不与铜基底相接触，不会产生力作用，所以不会破坏加工出 的微细的结构。 如果脉冲电压反转，用有形状的微细平底电 Pt 极可以在 Au 金属片上沉积相应形状铜斑点。可进行沉积加工。通过进一步减小脉宽，能在得更高的加工精度。

图6.2-64a 是采用12m工具电极在不同的脉宽下在 0.2M HCl 溶液中，在镰金属表面上加工的沟糟。从 SEM 图中可以看出，随着脉宽的减小加工精度越来越好。图 6.2-64b 是采用扫描隧道显微镜的探针为工具电极加工的 1 µm 深的三角沟槽，用 500PS 的脉冲宽度在一定的溶液浓度下，能获得了几十纳米的加工精度。

表 6.2-63 不同脉宽下微细电解加工实验效果

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图6.2-65a 是使用直径为 10 µm 的Pt圆柱电极在 O.1M CuSO4，和 O.O1M HClO4 的混合溶液中在铜基体上加工的三维结构。图 6.2-65b 是用直径为50 µm 的圆柱电极在 1% HF 的溶液中在 P - Si 基体上加工的试件。图6.2-65c 是用 W 电极在 Ni 板上在 0.2M HCl 溶液中加工出的 5 µm 深微螺旋结掏，所加工的螺旋结构表面光滑，侧面加工间隙只有创阻。

图6.2-66 是哈尔滨工业大学在自制的微细多功能特种加工平台上进行的微细电化学铣削的实验结果。

表 6.2-64 国外微细电化学加工实例

表 6.2-65 微细电化学切屑加工的部分样件

12.3 微细轴孔的微细电化学加工

微细轴、孔是微型机械最基本的组成单元和最基本的加工表面。微细轴已被广泛地应用到微细加工、电化学和细胞生物学等领域，传统切削方法加工微细轴时会因轴直径太小和侧面受力而易于弯曲，加之微细轴大多采用较硬的材料，因 而难以切削加工。而采用微细电火花线电极磨削( WEDG）方法加工微细轴时，又会由于电火花加工的热效应，而较难获得光滑的微细轴。微细电化学加工可以克服传统加工和徽细电火花加工的缺点，加工出很细很长的徽细轴，这是由于在加工过程中发生的电化学反应与微细轴硬度无关。

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图6.2-67a 是超短脉冲电解钻削微小孔实验的加工原理图，6.2-67b 是其加工的微孔照片。纳秒级超短脉冲由 TARBO 50M 高频脉冲发生嚣来提供，通过控制计算机来控制 PMAC 卡来控制微细工具电极的进给。在实验中采用几十ns的脉冲，通过电极间双电层充电来进行电化学加工于是能有效地限制定域加五的范围，使电解反应只发生在微细电极周围很小的区域内。在通孔加工中，通过两步法在 100 µm 厚的不锈钢上，用O.1M H2SO4电解液、直径为 4 µm 的微细电极j加工出锥度很小的 13.6 µm、深径比为 8 的微小孔。第一步采用的加工条件是：4.8 V 的加工电压、ns 陆的脉宽、2 µm 的脉间先加工50 min；第二步采用的加工条件是：5.2 V 的加工电压 32 ns 的脉宽、2 µm 的脉间先加工 10 min。他们还在却 20 µm 厚的不锈钢上在脉冲 21 ns ，脉间为 2 µm、加工电压为 4.2 V，用直径 6 µm 电极加工出8µm 的微小孔，加工时间为 30 min，单侧加工间隙只有 1 µm。这种方法进行微细电解钻削加工微小孔，虽然能够得到很小的微孔且具有很高的加工精度，但电解加工的高加工效率没有能很好地表现出来。 12.4 微细电铸成形

(1) 电铸成形原理及其特点

电铸本质上就是电镀的一种特殊形式，构成它的基本要萦包括阳极、电解液、待镀工件模具（阴极）和电源。电解液中包含希望沉积的金属离子，它借助电解作用在作为阴极的工件模具表面沉积，多数情况下金属离子可以从阳极金属的 溶解反应中得到补偿。

电铸成形的原理如图 6.2-68 所示，用可导电原模作阴极，用电铸材料（例如纯铜）作阳极，用电铸材料的金属盐（例如硫酸铜）溶液作电铸镀液，在直流电糠的作用下，阳极上的金属原子交出电子成为正金属离子进入镀液，并进一步在阴极上获得电子成为金属原子而沉积镀复在阴极原模表面，阳极金属源源不断成为金属离子补充溶解进入电铸镀液，保持质量分数基本不变，阴极原模上电镀层逐渐加厚，当达到预定厚度时即可取出，设法与原模分离，即可在得与原模型商凹凸相反的电铸件。

电铸成形的特点为：

（1）表面细节和复杂形状的精确复制能力

电铸可以完整地复制表团细节和复杂形状 ，而且精确度非常得高。很少有其它生产工艺能够 具有如此高的复制精确度。

(2）尺寸控制精度高 I

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经过电铸可以精确地生产几乎所有尺寸相同的复制品，并且可以控制电铸件几乎没有内部应力，表面粗糙度小于Ra0.1 µm，同一原模生产的电铸件一致性极好，因此这个技术适合于生产精度要求很高的组件。

(3）适应性广泛

借助石膏、石蜡、环氧树脂等作为原模材料，可把复杂零件的内表面复制为外表面、外表面复制为内表面，然后再电铸复制，适应性广泛。

(4）便于大规模生产

多种模腔可以在用一个电镀槽中同一时间段内并行电铸，这样能减少制作周期，镀液也可以重复使用，减少了环境污染。

图 6.2-68 电铸原理图

1-电镀糟 2-阳极 3-直流电源 4-电铸层 5-原模（阴极）

6-搅拌器 7-电铸浓 8-过滤器 9-泵 10-加热器

电铸加工主要用于：

1）复制精细的表面轮廓花纹，如唱片模，工艺美术品模、纸币、证券、邮票的印刷版。

2）复制注塑用的模具，电火花型腔加工用的电极工具。 3）制造复杂、高精度度的空心零件和薄壁零件，如波导管等。 4）制造表面粗糙度标准样块，反光镜，表盘等殊零件。 （2）电铸的基本设备 电铸的主要设备有：

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1）电铸槽 曲铝板、橡胶或塑料等耐腐蚀的材料作为衬里，小型的可用陶瓷、玻璃或陶瓷容器。

2）直流电源 和电解、电镀电源类似，电压 3～20 V可调，电流和功率能满足 15～30 A/dm2，一般常用硅整流或晶闸管直流电源。

3）搅拌和循环过滤系统 其作用为降低浓差极化，加大电流密度，提高电铸质量。可用桨叶或用循环泵连过滤带搅拌，也可使工件振动或转动来实现搅拌。过滤器的作用是除去溶液中的固体杂质微粒，常用玻璃棉、丙纶丝、泡沫塑料或滤纸芯筒等过滤材料。过滤速度以每小时能更换循环 2～4 次镀液为宜。

4）加热和冷却装置 电铸的时间较长，为了使电铸镀液保持温度基本不变，需有加热、冷却和恒温控制装置。常用蒸气或电热加温，用吹风或自来水冷却。

(3） 电铸成形的工艺过程 电铸的主要工艺过程包括原模表面处理 、电铸、衬背处理、脱模 、清洗干燥。

l）原模表面处理 原模材料根据精度、表面粗糙度、生产批量、成本等要求可采用不锈钢、碳钢表面或镀锡、镀镰、铝、低熔合金、环氧树脂、塑料、石膏、蜡等不同材料。表面清洗干净后凡是金属材料一般在电铸前需进行表面钝化处理，使形成不太牢固的钝化膜，以便于电铸后易于脱模（一般用重错酸盐溶被处理）；对于非金属原模材料，需对表面作导电化处理否则不导电无法电镀、电铸。

2）电铸过程 电铸通常生产率较低，时间较长。电流密度过大易使沉积金属的结晶粗大，强度低。一般每小时电铸金属层 0.02～0.5 mm。电铸常用的金属有铜、镍或铁三种。相应的电铸液为含有电铸金属离子的硫酸盐、氨基磺酸盐、 氟硼酸盐和氯化物等水溶液。

3）衬背和脱模 有些电铸件如塑料模具和翻制印制电路板等，电铸成型之后需要用其它材料衬背处理，然后再机械加工到一定尺寸。塑料模具电铸件的衬背方法常为浇铸铝或铅锡低熔合金；印制电路板则常用热固性塑料等。

电铸件与原模的脱模分离的方法有敲击锤打，加热或冷却胀缩分离，用薄刀刃撕剥分离，加热熔化，化学溶解等。

(4）电铸镰及其溶液

很早以前就采用铜电铸法制作工艺品，如在货币刻印、印刷活字、唱片和铜模具等方面的应用。但自从改良了阳极材料而使高电流密度的操作成为可能以后，对电铸的儒求就扩大了，尤其是电铸模具有硬度和强度高以及耐腐蚀等优点，

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因而其应用范围在扩大。目前用于电铸镍方面的溶液主要有两种，一种是瓦特型镍溶液（表 6.2- 14），另一种是氨磺酸镍溶液（表 6.2-15。前者主要用于实验室，后者已成为工业生产的基本电铸液。

表6.2-14瓦特型镍溶液

硫酸镍 氯化镍 硼酸 溶液 240 g/L 30 g/L 30 g/L 表6.2-15氨磺酸镍溶液

普通溶液 高浓度溶液 600 g/L (1000 g/L_ 5 g/L 40 g/L 0.5～3 mL/L 3～3 mL/L 两种溶液的操作条件 pH 值 4.0～4.5；温度40～60℃：阴极电流密度（ A/dm），普通溶液为 3～10，高浓度溶液为 3～ 45；电压6～9 V；空气搅拌；机械连续过滤；加热方式为热交换器 2操作条件 pH 值4.0。温度50℃，阴极店里呢密度3～6A/dm 2氨基硫酸镍的结晶 350～450 g/L （60%的水溶液） (650～750 g/L) 氯化镍 溴化镍 硼酸 应力调整剂 防针孔剂 3～10 g/L 30～40 g/L 0.5～3 mL/L 3～3 mL/L (5) 微电铸镰技术要素总结

l）镀液体系 氨基磺酸盐体系或硫酸盐体系，主盐浓度一般取该类电镀液的上限，包含一定量的氯化物作为阳极活化剂，尽量少用添加剂。

2）控制目标 镀层均匀性和内应力是最重要的控制目标。 3）关键影响因素及其操作规范

① 阴极电流密度 低的电流密度容易满足良好深层微电铸的基本条件，避免因高深宽比微结构所造成的极限传质控制．但是电流密度过低，阴极极化作用小，镀层的结晶晶位较粗，而且电流密度越小，镀速越慢，工作效率不高。电流密度过高，虽然镀速很快，但是会使阴极附近严重缺乏金属离子，从而形成疏松的镀层，应以深宽比最大的深孔或细缝为参考选择电流密度，深宽比越大，允许的电流密度越小。

② 溶液温度 升高溶液温度，能够显著提高参与电极反应物质的传质速度，因此可以增加电流密度的上限值，同时改善电沉积的分散能力，虽然对阴极极化有一定抑止，但是总体上倾向于采用较高的工作温度，其限制因素主要在于

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镀液的稳定性和高深宽比掩膜微结构的稳定性，特别是氨基磺酸镀液一般不能超过 60℃，硫酸盐镀液也不宜超过 65℃，否则系统的长期稳定性不够。 ③ 溶液搅拌 一般的搅拌对深孔和细缝的对流传质作用不大，但是适度偏强的搅拌还可以促进阴极析气的脱离，改善工件宏观均匀性。单一方向的流动搅拌容易造成结构严重不对称，超声搅拌效果确切，但是长时间容易造成掩膜脱 落。采用旋转电极产生强对流的搅拌方式已经被部分微电铸设备协调采用，能够提高搅拌的效果。

④ 镀液电导率 提高电导率可以显著提高分散能力和覆盖能力，从而提高镀层在阴极表面的均匀分布，但是并不常采用添加导电盐的方式提高镀液电导率，因为主盐浓度一般取上限，操作余地不大。

⑤ pH 值 一般 pH 值在 3 ～6 之间，pH 值高的镀液虽有好的覆盖能力，但是 pH 值过高，容易因氢氧化物夹杂而导致镀层内应力升高，晶位变得粗糙。pH 值低的镀液，可以提高电流密度，有利阳极溶解，但析氢多，镀层容易产生针孔。应根据目标器件选择，一般在 4～5 之间为宜。

⑥ 添加剂 出于控制内应力的目的，微电铸镍一般不使用光亮添加剂，特别是第二类光亮剂，但是作为消除应力的添加剂，在硫酸盐镀液体系中，常常使用糖精之类磺酸盐，而氨基磺酸类镀液则不需要添加，否则容易产生压应力，同 样比较难以控制。

⑦ 阳极 含有氯化物的镀液可以采用一般纯镍阳极，适当的屏蔽或者仿形有助于改善电沉积的宏观均匀性，必须使用阳极袋以减少颗粒杂质影响铸件性质的可能性。

⑧ 镀液循环 循环过滤是保证镀液稳定工作的关键手段之一 ，采用孔径为 2～5 µm 的滤芯即可满足净化要求。循环也流通常可以发挥搅拌作用。

⑨ 电源 通常使用直流电源，也可以采用脉冲电流，能够减晶粒尺度，提高镀层的硬度，具有电镀较厚镀层的能力。在某些场合下，使用脉冲电流还可以减少氢的析出、提高阴极电流效率，从而减少针孔、条纹和氨脆等。

(6）实例

电铸在微细加工中显示了极大的优越性。例如对于要求极微细的孔，以及要求内表面光洁程度很高的工件或截面形状特殊的工件，就要采用电铸加工。啧丝板的电铸就是一例。它一般采用 图6.2-69 的加工方法。首先制作孔的型芯，然 后把型芯放在电铸槽中电镀，就会获得一层镍壳。镀好后切削其外圆，并将它镶

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进喷丝板基盘中，再磨削此基盘的上下表面，最后再把芯子溶解掉，即可完成。采用上述的方法，对于无论多么微细的孔，只要能用某种切削方法制出芯子，就能用电铸法加工出来。

电铸加工就已被巧妙地用于电动：刮须刀的网刃作业中。大家知道；电动刮须刀有外刃及与其相接触并作旋转运动的内刃，外刃要加工出引导毛发的孔或槽，这样，由形状不同的尺寸很微细的孔组成的网刃就成为电铸加工的对象。下面说明网刃孔的电铸加工制作过程。

网刃孔母模绝缘区域的制作，通常是利用光刻胶进行光刻加工而成的。即先在铜或铝板表面涂上感光胶，再将照相底板与 贴紧进行曝光， 经显影、定影后，就形成了如图 6.2-70 所示那样的导体区域或绝缘体区域 （光刻胶〉。在制作圆顶形的刻画外刃时，应将前述的具有光刻胶图形的金属板弯曲成形，其后电镀沉积镍到一定厚度时，将此镍质网刃揭下即完成了网刃母模绝缘区域的制作。电镀镍的硬度由电镀液控制，硬度过高会发脆，故一般控制在维氏硬度HV500～550之间。这种将带有光刻胶图形的金属板弯曲成形后进行电镀，是电铸加工的一个突出特点。

图 6.2-69 喷丝板的电铸法

图 6.2-70 电动刮须刀网刃的电铸

如果是复制非金属（如塑料等｝的复杂工件，同样可以采用电铸的方法。最简单的做法是眼镜法。首先在样品表面形成一层银膜。然后再放进电铸液中电铸，或者用磁控溅射的方法，在样品表面镀一层镰膜后再进行电镀。作者的实验室曾

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经通过电铸的方法制造出彩虹膜的母模。方法是将已经液压过的、具有彩虹条纹 （条纹宽度约 1.5～2μm）的塑料薄膜，用磁控溅射法镀一层镍薄膜，然后再放到瓦特型镍溶液中电镀。待达到所需的厚度后，把镀层揭不来，即制成彩虹膜的母模。甚至对于凹凸条纹只有 0.5 阳宽的激光全息彩虹膜，也可通过上述的方法制造出母模。用这种母模再对塑料加工，就可产生出新的彩虹膜。这是一般机械加工无法完成的。

13 高能束微细加工

高能束加工是利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称。激光束加工主要应用有打孔、切割、焊接、金属表面的激光强化、微调和存储等。激光刻蚀主要采用固体激光器，激光打孔的孔径可以 小到 10μm，深径比达 5 以上。激光蚀刻通常用 YGA 激光和准分子激光。准分子激光因其产生的紫外线光的波长短，热作用区集中，能蚀刻出微细的线条。

电子束加工有热型和非热型两种，热型加工是利用电子束将材料的局部加热至熔化或气化点进行加工的，适合打孔、切割栅缝、焊接及其他深结构的微细加工；非热型加工是利用电子束的化学效应进行刻蚀、大面积剥层等徽细细工等， 电子束蚀刻是目前最好的离分辨率图形制作技术。

离子束刻蚀是利用惰性气体元素或其他元素的离子在电场中加速成高速离子束流，以其动能进行各种微细加工的方法，是在亚微米甚至毫微米级精度的加工中大有发展前途、工艺能力广泛的一种加工方法：①去除加工：离子锐、离子抛光、离子减薄及离子溅射直接完成工件加工面或图形的刻蚀：②镀膜加工：把低能量的入射离子附着在工件表面上。利用离子镶膜技术可以制成耐磨、耐蚀、耐热的表面强化膜以及电子、半导体和集成电路用薄膜；③注入加工：离子加速后高能量轰击并嵌入工件表面，在集成电路制作中，离子注入能控制掺杂量而获得集成电路均匀的电参数，在零件制造中，采用离子注入工艺可实现金属表层改性；④离子束写图：离子束曝光制作线宽＜ 0.1μm 的精密微细图形。超声加工主要用于晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料的加工。超声加工与电火花加工、激光加工相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比，又可加工出高深宽比的三维结构，已用超声波加工法在石英玻璃上加工出5μm 微孔。

(1) 概述

近年来，由于激光光源性能的提高，激光微细加工技术得到了迅速发展，广

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泛应用于加工金属、陶捷、玻璃、半导体等材料的具有微米级尺寸的微型零件或装置是一种极有前途的精密微细加工方法。激光微细加工方法很多，可归纳为激光去除加工、激光表团改性、激光焊接等几大类 ，具体加工方法有打孔 、切割、 刻蚀、固态相变、合金化、焊接、涂敷等。激光加工主要有以下特点：

1）加工精度高 ，激光束光斑直径可聚焦到 1μm以下，可进行超徽细加工。 2）加工材料范围广泛，加工的对象包括各种金属和非金属材料。 3）加工性能好，对加工场合和工作环境要求不高，不需要真空环境，还可透过玻璃等透明材料进行加工，可方便地在某些特殊工况下进行加工，如在真空管内部进行焊接加工等。

4）加工速度快、效率高。虽然激光加工具有上述优点，但由于影响激光加工的因素较多，因此其精密微细加工精度（尤其是重复精度和表面粗槌度）不易保证。加工时必须反复试验，选择合理参数，才能达到加工要求。由于光的透射作用，对于一些透明材料的加工必须预先进行色化或毛化处理。

(2）激光加工分类

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及徽加工等的一门加工技术。根据其加工方式不同可分为两大类 ：

l）红外线激光加工：将材料表面物质加热汽化（蒸发），以除去材料的加工方式，也称为热加工，包括 CO2 激光加工（波长 10.6μm 的和 Nd: YAG 激光加工（波长 1.064μm）。

2）紫外线激光加工：直接将材料的分子键打断，使分子脱离本体的加工方式，不会产生高热，故习称为冷加工，包括UV-YAG 激光加工（将 Nd:YAG 激光经非线性倍频晶体转换为波长 532、355、266、213nm 的紫外线雷射）和准分子激光加工。

(3）激光加工系统的组成及其特性

1) 激光加工机的组成部分 激光加工机床如激光打孔机和激光切割机除具有一般机床所需有的支承构件、运动部件及相应的运动控制装置外，主要应备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三部分组成的。激光加工的 基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械系统等四大部分。

2）激光器 激光器是产生激光的装置，一般由三个部分组成：

① 工作物质 这是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激

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光器的工作物质。目前，激光工作物质已有数千种，激光波长已由X光远至红外光。例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子数反转；

② 激励能源（光泵） 它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而 实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。

③ 光学共振腔 这是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行；二是不断给光子加速：三是限制激光输出的方向。最简单的光学共振腔是由放置在氮氖激光器两端的两个相互平行的反射镜组成。当一些氖原子在 实现了粒子数反转的两能级间发生跃迁，辐射出平行子激光器方向的光子时，这些光子将在两反射镜之间来回反射，于是就不断地引起受激辐射，很快地就产生出相当强的激光。这两个互相平行的反射镜，一个反射率接近 100%，即完全反射。另一个反射率约为 98%，激光就是从后一个反射器射出来的。由三部分组成：工作物质、激励能源、谐振腔（共振腔）。

目前常用的激光器按激活介质的种类可以分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器和液体激光器等。按激光器的工作方式可大致分为连续激光器和脉冲激光器。用于激光加工的固体激光器通常是掺钦钇铝石榴石激光器〈简称 Nd: YAG 激光器）、钕玻璃激光器和红宝石激光器等，气体激光器通常是 CO2 激光器和准分子激光器。

激光器工作方式主要有：

① 连续激光 激光泵浦源持续提供能量，在激光工作物质中长时间地建立粒子数反转的条件，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。连续激光的输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（如激光通信、激光手术等）的场合。

② 脉冲激光 脉冲工作方式是指每间隔一定时间才工作一次的方式。脉冲激光器具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距等。常见的脉冲激光器：固体激光器中的钇铝石榴石 (YAG） 激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光嚣等。还有氮分子激光器、准分子激光器等。

③ 巨脉冲激光 在腔内人为的加入损耗，是其大于工作物质的增益，这时

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没有激光输出。 但在泵浦源持续不断的激励下，激光上能级的原子数越来越多，得到了较大的位子数反转。如果定义峰值功率为脉冲的能量除以脉冲的持续时间（脉宽，那么，在撒除人为加入的损耗情况下，就会在很短的时间内以极快的速度产生脉冲宽度窄、峰值功率高的脉冲激光，通常称为巨脉冲。

Q 开关技术：人为调节腔内损耗。Q = 储存在谐振腔中的能量／每秒损失的能量。

Q 开关激光器：采用 Q 开关技术的激光器。 ④ 超短脉冲激光 固体激光器

用掺如少量离子的晶体或玻璃作为工作物质的激光器叫固体激光器。固体激光器一般采用光激励，能量转化环节较多。光的激励能量大部分转换为热能，所以效率低。为了避免团体介质过热，固体激光器通常多采用脉冲工作方式，并用 合适的冷却装置，较少采用连续工作方式。由于晶体缺陷和温度引起的光学不均匀性，固体激光器不易获得单模而倾向于多模输出。

用于激光热加工的固体激光器主要有三种，即红宝石激光器、钕玻璃激光器和 Nd: YAG 激光器。

红宝石激光器的输出波长是 0.6943μm，它的激光材料是在刚玉（Al2O3）中加入 0.05% 的Ca2，它易于获得相干性好的单模输出，稳定性好。它采用石英脉冲击氙灯泵浦，激光器可以工作在脉冲和调状态。在脉冲工作状态时，最高脉冲输出大于 1000 J，脉宽在（ 0.1～10）ms。在调 Q 工作状态时,脉冲峰值功率大于 109 W, 光电转换效率在 1%左右。红宝石激光器可用于脉冲微型焊接、打孔和点焊。

钕玻璃激光器是在玻璃基质。中掺入一定比例的氧化钕（Nd2O3） 而制成的,最大掺杂浓度达 2% ，激活离子是铁离子。它的吸收光谱和荧光谱线宽度比较宽 发射的荧光波长是 1.059μm，钕玻璃的荧光量子效率为 0.4。由于荧光谱线宽 (300 cm1）可是 YAG 的50倍，故钕玻璃激光在脉冲工作时可得到大于 5000 J 的脉冲输出，脉宽为 3 ms ；在锁模脉冲输出时，峰值功率在 1021W/cm2 以上。

Nd:YAG 激光器是在钇铝石榴石（Y3Al5O12) 基体中掺入氧化铁制成的，是固体激光中能发出最大功率的离子激光。激活离子也是做离子，输出波长为 1.06μm，相当于二氧化碳气体激光波长的1/l0。它的绿色的激光束可在脉冲或连续波的情况下应用，具有波长短、聚光性好，适于精密加工特别是在脉冲下进

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行孔加工最为有效，也可用于切削、焊接和光刻等。且由于聚光位好，可通过光导纤维传递能量，适用于内腔加工等特定切合，其能量效率不及 CO2 气体激光源最多不超过 3% ，目前产品的输出功率大多在 600 W 以下，最大已达 4 kW。Nd:YAG 激光器是三种固体激光器中唯一能够实现连续运转的固体激光器， 也是激光热加工中常用的一种固体激光器。

由于固体激光器的工作物质尺寸比较小，因 而其结构比较紧凑。图 6.2-71 是固体激光器的结构示意图。它包括工作物质、光泵、玻璃套管和洁、光液、冷却水、聚光器以及谐振腔等部分。

光泵用来供给工作物质光能，一般使用缸灯或氯灯作为光泵。

聚光器的作用是把氙灯发出的光能聚集在工作物质上。常用的聚光器有如图 6.2-66 所示的多种形式。图 6.2-72a 为圆球形，图 6.2-72b 为圆柱形，图 6.2-72c 为椭圆柱形，图 6.2-72d 为紧包裹形。其中圆柱形加工制造方便，用得较多；椭圆柱形聚光效果较好，也常被采用。

图 6.2-71 固体激光器结构示意图

L-全反射镜 2-工作物质 3-玻璃套管 4一部分反射镜 5-聚光镜 6-氙灯 7-电源

图 6.2-71 不同种类的聚光器 1-聚光器 2-工作物质 3-氙灯

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滤光液和玻璃套管是为了滤去银灯发出的紫外线成分，因为这些紫外成分对于钕玻璃和掺钕钇铝石榴石都是十分有害的，它会使激光器的效率显著下降，常用的滤光液是重铬酸钾溶液。

谐振腔由两块反射镜组成，其作用是使激光沿轴向来回反射共振，用于加强和改善激光的输出。

气体激光器

以气体或金属蒸气作为主要工作物质的激光铸。常用于材料加工的气体激光者曾有二氧化碳激光器、氩离子激光器和准分子激光器等 气体激光器一般采用电激励，因其效率高、寿命长、连续输出功率大，所以广泛用于切割、焊接，热处理等加工。

① 二氧化碳激光器。二氧化碳激光键是以二氧化碳气体为工作物质的分子激光器，连续输出功率可达万瓦，是目前连续输出功率最高的气体激光棍，它发出的谱线是在 10.6μm 附近的红外区，输出最强的激光波长为 10.6μm。

为了提高激光嚣的输出功率，二氧化碳激光器一般都加进氮（N2）、氦（He） 、氙（ Xe）等辅助气体和水蒸气。

二氧化碳激光器的一般结构如图 6.2-73 所示。它主要包括放电管、谐振腔、冷却系统和激励电源等部分。

放电管一般用硬质玻璃管做戚，直径约几厘米，长度可以从几十厘米至数十米高。二氧化碳气体激光器的输出功率与放电管长度成正比，通常每米长的管子，其输出功率平均可达（40～50) W。为缩短空间长度，长的放电管可以做成折叠式，折叠段之间用全反射镜来连接光赂，如图 6.2-73b 所示。

图 6.2-73 二氧化碳激光器的结构示意图

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二氧化碳气体激光器的谐振腔多采用平凹腔，一般总以凹面镜作为全反射镜，而以平面镜作输出端反射镜。

二氧化碳激光器的输出功率与放电管的长度成正比，低速轴流式的气体流速慢，输出功率小，约到 50～70 W/m，但其输出功率稳定，易得到单模，一般用于百瓦级激光器。对于千瓦级的 CO2 激光器则采用气体循环速度达 100 m/s 的高速轴流式的激光器或气流及放电与激光光轴垂直的双轴直交型以及气流、放电与激光光轴三者互相垂直的三轴直变型可达到使激光器小型化。

二氧化碳激光器的激励电源可以用射频电源、直流电源、交流电源和脉冲电源等，其中交流电源用得最为广泛。二氧化碳激光器一般都用冷阴极，常用电极材料有镍、钕和铝。由于镍发射电子的性能较好，溅射较小，而且在适当温度时还有使 CO 还原成 CO2 分子的催化作用，有利于保持功率稳定和延长寿命，因此是目前最常用的电极材料。

② 氩离子激光器。氩离子激光器是惰性气体氢（Ar）通过气体放电，使氩原子电离并激发，实现离子数反转而产生激光，其结构示意图如图 6.2-74 所示。氩离子激光器发出的谱线很多，最强的是波长为 0.514 5μm 的绿光和波长为0.488μm 的蓝光。因为其工作能级离基态较远，所以能量转换效率低，一般仅 0.05% 左右。通常采用直流放电，放电电流为（10～100) A。 功率小于 l W 时，放电管可用石英管；功率较高时，为承受高温而用氧化铍（BeO）或石墨环做放电管。在放电管外加一适当的轴向磁场，可使输出功率增加（1～2）倍。由于氩激光器波长短，发散角小，所以可用于精密微细加工，如用于激光存贮光盘基板蚀刻制造等。

图 6.2-74 氢离子激光器

③ 准分子激光器，所谓准分子（Excimer) 是指一种只在激发态才能暂时结 合成不稳定分子，而在正常的基态会迅速离解的不稳定缔合物。其特有的能级团如图 6.2-75 所示。准分子激光的波长极短聚焦光斑直径可达微米级光束能量密度可达（108~1010）W/cm2 。与利用热效应的 CO2、YAG 等激光相比 ，准分

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子激光基本属于冷光源，从而在徽细加工方面极具发展潜力。

图 6.2-75 准分子能级示意图

准分子激光器是一种高压脉冲式气体激光器，其激活介质通常是多种不同混合气体构成的准分子系统、激光跃迁发生在束缚的激发态和排斥或弱束缚的基态之间，属束缚—自由跃迁。构成激光器的准分子系统的混合气体有多种类型，这些气体在泵浦作用下反应而形成受激分子态即准分子。目前实用化激光器中多采用双原子稀有气体 R2 和稀有气体卤化物 RX*，（其中 R 表示稀有气体原子，X 表示卤素原子 ，*表示准分子），工作压力分别为几兆帕和几百千帕。在稀有气体卤化物 RX 准分子系统中除了占比例很小的用于形成准分子的气体以外，主要成分为 Ne，He 或 Ar 构成的稀释或缓冲气体，占整个混合气体的 88%～ 99%，主要用于传递能量，并不参与发光。准分子激光器的激射波长完全取决于构成准分子系统的混合气体种类。

图 6.2-76 所示为典型准分子激光器结构与工作原理。准分子激光器有一根充有激活气体的管子，泵浦系统通过它对气体进行激励。由于激活气体在运行时要逐渐变质，视气体种类和具体条件的不同，只能激射（106~108）次，因此激 光器均设有气体更换系统或净化处理系统。另一方面，为了提高激光脉冲重复率和输出功率，大多数准分子激光器将部分激活气体存贮在激光区域之外的贮气室中，并可以通过循环系统流动。激光谐振腔设计成密封形式，长度在l m 以下， 标准结构为一稳定的共振腔，由于增益高，这种腔能产生相当强的激射光束。准分子激光器能量转移的详细动力学过程是很复杂的。将能量沉积到激活气体中的方法主要有电子束泵浦、放电泵浦、微波泵浦、质子束与光泵浦等。其中最为常用的方法是放电泵浦，它虽然转换效率略低，但简单可靠，且可实现较高的激光

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脉冲重复率。电子束泵浦虽然电子能量转换成激光能量的效率高达5%，但电子束发生器较为复杂和昂贵，且自身效率较低，使总的电光转换效率反而比放电泵浦更低，又不能在稍高的重复率下工作，但电子束泵浦可以获得高达 104J 的激光脉冲能量。微波泵浦的主要特点是可以获得数百纳秒至微秒量级的宽脉冲激光，然而转换效率更低，前仅达0.1%左右，且只能得到毫瓦级的激光输出。

图 6.2-76 典型激光器主要结构与原理图

其他激光器

① 半导体激光器 用半导体材料作为工作物质的激光器，导体中产生激光的方法：P-N 结注入式、电子束激发、光激发以及雪崩式击穿等。

② 液体激光 是指激光工作物质是液体的激光器，主要包括整合物激光器、无机液体激光器和有机袋料激光器。前应用比较广泛的是有机染料激光器，它以染料作为激光工作物质，装入染料盒中使用的染料，大多溶于乙醇、苯、水及其它溶剂中。激发手段主要包括采用巨脉冲的激光器或采用特种电源装置的闪光灯。染料激光器独特的输出特性输出激光谱线宽，光束发散角小；激光输出波长可移动（可调谐）；某两种染料混合棍合可以产生输出新波长的染料；激活离子密度大；曾益系数高．可得到较高输出功率。另外，价格便宜、能量转换效率高、光学均匀性好、冷却方便。

③ 光纤激光器 属于固体激光器，只能用光激励，主要通过其它激光器激励。一般要使结构紧凑的话优先使用半导体激光器作为泵浦源。

④ 化学激光器 用化学反应来建立粒子数反转从而产生受激辐射的激光器称为化学激光器，化学激光器的工作物质主要是气体，也可以是液体。

⑤ 气动激光辑 用气体动力学方法产生受激辐射的激光器。 ⑥ 色心激光器。 ⑦ 自由电子激光器。

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⑧ 单原子激光器。 ⑨ x 射线激光器。

3）聚焦系统 其作用是把激光器通光学系统精确地聚焦至工件上放大具有调节焦点位置和观察显示的功能。CO2 激光器输出的是红外线，故要用锗单晶、砷化镓等红外材料制造的光学透镜才能通过，为减少表面反射需镶增速膜。图6.2-77 为应用于 CO2 激光切割机的透射式聚焦系统。图中在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体 N2 的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。工作台用棉真空方法使薄工件能紧贴在台面上。

图 6.2-77 透射式聚焦系统

1-CO2 激光器 2-激光束 3-镀金全反射镜 4-砷化镓透镜 5-喷嘴 6-工件 7-作台

4） 电气系统 电气系统包括激光器电源和控制系统两部分，其作用是供给激光器能量（固体激光器的光泵或 CO2 激光器的高压直流电源）和输出方式 （如连续或脉冲、重复频率等）进行控制。此外，工件或激光束的移动大多采用 CNC 控制。

为了实现聚焦点位置的自动调整，尤其当激光切割的工件表面不平整时，需采用焦点自动跟踪的控制系统，它通常用电感式或电容式传感器来实时检测，通过反馈来控制聚焦点的位置，其控制精度的要求一般为 ±0.05～±0.005 mm。

(4） 激光打孔 1） 激光打孔的特点

激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是

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激光加工的主要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的迅速发展, 使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工艺需求。例如， 在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径，在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红、蓝宝石上加工几十徽米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。这一类的加工任务用常规的机械加工方法很难，有时甚至是不可能的，而用激光打孔则不难实现。激光束在空间和时间上的高度集中，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得很高的功率密度，几乎可以对任何材料进行激光打孔。

激光打孔的效率极高，适合于自动化连续加工，加工的孔径可以小于 0.01mm，深径比可达到 50:1 以上。如加工钟表行业红宝石轴承上的（12~18）mm、深（0.6 ～1.2) mm 的小孔，采用自动传送装置每分钟可完成数十个宝石轴承孔的加工；在 100mm 不锈钢喷丝板上加工 一万多个 0.06mm 的小孔，采用数控激光加工，不到半天即可完成。

激光打孔技术与机械钻孔、电火花加工等常孔打孔子段相比，具有显著的优点：

① 打孔速度快，效率高，经济效益好。 ② 可获得大的深径比。

③ 可在硬、脆、软等各种材料上进行。 ④ 无工具损耗。

⑤ 适合于数量多、高密度的群孔加工 。 ⑥ 可在难以加工的材料倾斜面上加工小孔。 2）激光打孔分类

① 复制法 激光束以一定的形状及精度重复照射到工件固定的一点上，在和辐射传播方向垂直的方向上，没有光束和工件的相对位移。

复制法包括单脉冲和多脉冲“目前一般采用多脉冲法，其特点是可使工件上能量的横向扩散减至最小，并且有助于控制孔的大小和形状。毫秒级的脉冲宽度可以使足够的热量沿着孔的轴向扩散，而不只被材料表面吸收。激光束形状可用光学系统获得。如在聚焦光束中或在透镜前方放置一个所需形状的孔栏，即可以盯出异形孔。

② 轮廓迂回法 加工表面形状由激光束和被加工工件相对位移的轨迹决定。

用轮廓迂回法加工时，激光器既可以在脉冲状态下也可以在连续状态下工

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作。用脉冲方式时，由于孔以一定的位移量连续的彼此迭加，从而形成一个连续的轮廓。采用轮廓加,可把孔扩大成具有任意形状的横截面。

3） 激光打孔设备

① 激光打孔用激光器 激光器是激光打孔设备的重要组成部分，它的主要作用是将电源系统提供的电能以一定的转换效率转换成激光能。按激光器工作物质性质，可分为气体激光器和固体激光器。用于打孔的气体激光器主要有二氧化 碳激光器，而用于打孔的固体激光器主要有红宝石激光器、钕玻璃激光器和 YAG激光器。

二氧化碳激光器有许多独特的优点，它的转换效率高于其它激光器，可以为许多非金属材料（如有机菠璃、塑料、木材、多层复合板材、石英玻璃等）所吸收。更为重要的是，二氧化碳激光器与其他激光器相比，可以进行大功率输出。 当与其他技术配合时，可以实现高速打孔，最高速度可达 100 孔/s，这是其他激光器很难做到的。

虽然如此，但由于二氧化碳激光器的对焦、调光都不方便，设备一次性投资也比较大，在激光打孔设备中不及其他三种激光器应用普遍。

固体激光器以其独特的优点在激光打孔中得到广泛的应用。它的主要优点是：输出波长短；输出的光可用普通的光学材料传递；整机体积小，使用维护方便 ，价格低于二氧化碳激光器。

② 激光打孔用机床 激光打孔用机床简单又通用的形式为三维机床。两维运动在水平面， 以 X、Y 表示，两坐标轴相直垂直，第三维 Z 输与 Z-Y 平面垂直。每一维可通过步进电机带动滚珠丝杠在直线滚珠导轨上运行，它的精度由丝杠的精度和滚珠导轨的精度确定。如果配以微处理机系统，三维机床就可以完成平面内各种孔及一定范圈内群孔的激光加工。当需要在管材或桶形材料进行系列孔的加工时，机床应具有五维功能，除了前面提到的三维以外，增加的两维是 X-Y 平面 360 度的旋转 ，定义它为 A 轴，X-Y 平面在 Z 方向上的 0～90 度倾斜，定义它为 B 轴。这样多种类型的激光打孔加工，五维工作台都能胜任。在需要节省设备投入的情况下，可将 B 轴的数控改为手动。但这样既能节约资金，也基本能完成所有的打孔任务。

③ 激光打孔整机设备 近年来，国内外激光打孔机整机水平处在一个迅速发展的阶段，激光器输出功率逐渐提高，脉冲宽度越来越窄，频率范围越来越宽，其它参数也越来越朝着有利于打孔的方向发展。导光系统和激光打孔机的控制

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部分的柔性不断提高，使得打孔范围不断扩大，图 6.2-78 为激光打孔设备方框图，图 6 .2-79 为 柔性加工系统示意图。

图 6.2-78 激光打孔设备方框图

图 6.2-79 柔性加工系统示意图

目前国内已形成商品的激光打孔机有几十种，除了大专院校和科研院所之外专门经营制造激光设备的公司也逐渐增多，这表明中国的激光加工正朝着产业化方向发展。

4）激光打孔工艺 ① 王艺过程

第一步，详细了解打孔材料及打孔要求。 第二步，模拟实验与检测。

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第三步，设计便利、快捷的工装夹具。 第四步，程序设计。

第五步，实施有效的打孔加工及必要的检测。 ② 影响打孔质量的主要参数

激光打孔的成形过程是材料在激光热源照射下产生的一系列热物理现象综合的结果。它与激光束的特点和材料的热物理性质有关，主要影响因素如下：

a） 输出功率与照射时间。激光的输出功率大，照射时间长时，工件所获得的激光能量也大。激光的照射时间一般为几分之一秒到几毫秒。当激光能量一定时，时间太长会使热量传散到非加工区，时间太短则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，都会使能量的使用效率降低。

b） 焦距与发散角。发散角小的激光束经短焦距的聚焦物镜以后，在焦面上可以获得更小的光斑及更功率密度。焦面上的光斑直径小，所打的孔也小，而且，由于功率密度大，激光束对工件的穿透力也大，打出的孔不仅深，而且锥度小。

c) 焦点位置。焦点位置对于孔的形状和深度都有很大影响，如图6.2-80所示。当焦点位置很低时如图 6.2-80a 所示 ，透过工件表面的光斑面积很大，这不仅会产生很大的喇叭口而且由于能量密度减小而影响加工深度。从图6.2-80a 到图 6.2-80c 焦点逐步提高，孔深也增加，但如果焦点太高，同样会分散能量密度而无法加工下去。一般激光的实际焦点在工件的表面或略微低于工件表面为宜。

d）光斑内的能量分布。激光束经聚焦后光斑内各部分的光强度，是不同的在基模光束聚焦的情况下，焦点的中心强度最大，离中心越远，光强度越小，能量是以焦点为轴心对称分布的，这种光束加工出的孔是正圆形的，如图 6.2-8la 所示。当激光束不是基模输出时，其能量分布就不 是对称的 ，打出的孔也必然是不对称的，如图 6.2-8lb 所示。当激光在焦点附近的光强度分布与工作物质的光学均匀位以及谐振腔调整精度直接有关。如果对孔的正圆度要求特别高，就必须在激光器中加上限制振荡的措施，使它仅能在基模振荡。

e） 激光的多次照射。用激光照射一次，加工的深度大约是孔径的五倍左右，而且锥度较大。如果用激光多次照射，其深度可以大大增加，锥度可以减小，而孔径几乎不变。但是孔的深度并不是与照射次数成比例的，而是加工到一定深度后，由于孔内壁的反射、透射以及激光的散射或吸收以及抛出力减小、排屑困难等原因，使孔的前端的能量密度不断减小，加工量逐渐减小，以致于无法继续加

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工，如图6.2-82 所示。

图 6.2-80 焦点位置与孔的剖面形状

图 6.2-81 激光能量分布多孔的影响

图 6.2-82 照射次数 与孔深的关系

f)工件材料。由于各种工件材料的吸收光谱不同，经透镜聚焦到工件上的激光能量不可能全部被吸收，而有相当一部分能量将敏反射或透射而散失掉。其吸收效率与工件材料的吸收光谱及激光波长有关。对于高反射率和透射率的工件应

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作适当预处理，如打毛、黑化等，以增大其对激光的吸收效率。

影响打孔质量的因素还有被加工材料的性质和激光脉宽等有关系。表6.2-16 为各种不同的激光加工，各有其不同的适用对象，对精微模具的三维加工而言，以 ND: YAG (532nm）较适合。图6.2-83 为孔深与激光脉冲的关系。

表 6.2-16 不同雷射源适用对象

雷射 工件材质 深径比 最小横向直径 μm Nd: YAG（连续波） 不锈钢 >5 3-4 10 10 50 30 40～50 50 50 2 结构高度 μm >150 150 500 400 100 生物芯片点片针 网套、植入物、仪器、制动器 电路板钻孔 模仁 细胞培养皿钻孔 对应产品 Nd: YAG（脉冲） 镍钛合金、硅 Q-switch Nd:YAG Nd: YAG(532nm) 准分子雷射 董靑石 碳化钨 聚碳酯酸

图 6.2-83 孔深与激光脉冲的关系

③ 辅助工艺 为了提高激光打孔的精度，有时需要采用一些辅助的工艺工序和工艺措施，包括：

a） 在工件的表面施加一个正向压力，或是在工件的反面装一个低压仓 ，可有助于打孔过程中清除汽化材料并增加液相的排出。

b）在工件下面的安全位置装一个光电探测器，可以及时探测到工件穿透与

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否。

c）利用液体薄膜或金属锚覆盖工件，能够使孔的锥度减小，并防止液相飞溅。

d）为了及时防止熔化物积聚在孔里，可以把汽化温度低于被加工材料熔化温度的物质放到被加工工件的后面。

e）利用激光作为加工工具在工件上打毛孔，再用其它方法达到所需要害的精度。目前一般采用的有金刚砂的机械加工，用冲头、金属丝进行孔径精加工，化学腐蚀方法等等。

5）激光打孔实例

图6.2-84 和图 6.2-85 为激光加工出来的微孔。

图 6.2-84 激光加工的微孔 图 6.2-84 激光加工的多微孔

(5)激光切割

激光切割的原理与激光打孔基本相同。所不同的是，工件与激光束之间需要相对移动，通过控制二者的相对运动即可切割出不同形状和尺寸的窄缝与工件激光切割大都采用重复频率较高的脉冲激光器或连续输出的激光器。但连续输出的 激光荣会因热传导而使切割效率降低，同时热影响层也较深。因此，在精密机械加工中。一般都 采用高重复频率的脉冲激光器。YAG 激光器输出的激光已成功地应用于半导体划片，重复频率为（5～20）Hz，划片速度为(1O～30) mm/s,宽度为 0.06 mm，成品率达 99% 以上，比金刚石划片优越得多，可将1cm2的硅片切割成几十个集成电路块或几百个晶体管管芯。同时，YAG 激光器还可用于化学纤维喷丝头的异型孔切割加工、精密零件的窄缝切割与划线以及雕刻等。

由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲击和压力，故适宜切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料。再加上激光光斑小、切缝窄，且便于自动控制，所以更适宜于对细小部件作各种精密切割。目前应用激光切割技术几乎可以完成各

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种材料的切割加工，如金属、合金、半导体、皮革、纸张、木材、布料等。 1） 激光切割特性

① 激光切割的切缝窄，工作变形小。 激光切割无毛剌、皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工作，它往往比冲切、模压工艺更被优与尺寸的工作，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度还馒子模冲，但它没有模具消耗，无须修理模具，还节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本。

② 激光切割是一种高能量、密度可控性好 的无接触加工。

激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内。其次，激光束对工作不施加任何力，它是无接触切割工具。再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性。

③ 激光切割具有广泛的适应性和灵活性。 2）激光切割的主要工艺

① 汽化切割 在离功率密度激光束的加热下，材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之快，足以避免热传导造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。 些不能悠化的材料，如木材、碳素材料和某些塑料就是通过这种汽化切割方法切割成形的。

汽化切割过程中，蒸汽随身带走熔化质点和冲刷碎屑，形成孔洞。汽化过程中，大约 40% 的材料化作蒸汽消失，而有 60% 的材料是以熔滴的形式被气流去除的。

② 熔化切割 当入射的激光束功率密度超过某一值后。光束照射点处材料内部开始蒸发，形成孔洞。一旦这种小孔形成，它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的 熔融材料带走。随着工件移动，小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。激光束继续带着这条缝的前沿照射，熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。 ③ 氧化熔化切割 熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束的照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧化熔化切割。具体描述如下：

a）材料表面在激光束的照射下很快被加热到燃点温度，随之与氧气发生激

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烈的燃烧反应，放出大量热量。在此热量作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔，而小孔的周围为熔融的金属壁所包围。

b）燃烧物质转移成熔渣控制氧和金属的燃烧速度，同时氧气扩散通过熔渣到达点火前沿的快慢也对燃烧速度有很大的影响。氧气流速越高，燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。当然，氧气流速不是越高越好，因为流速过快会导致切缝出口处反应产物即金属氧化物的快速冷却，这对切割质量也是不利的。

c） 显然，氧化熔化切割过程存在着两个热源，即激光照射能和氧与金属化学反应产生的热能。据估计，切割钢时，氧化反应放出的热量要占到切割所需全部能量的 60% 左右。很明显，与惰性气体比较，使用氧作辅助气体可获得较高的切割速度。

d） 在拥有两个热源的氧化熔化切割过程中，如果氧的燃烧速度高于激光束的移动速度，割缝显得宽而粗糙。如果激光束移动的速度比氧的燃烧速度快，则所得切缝狭而光滑。

④ 控制断裂切割 对于容易受热破坏的脆性材料。通过激光束加热进行高速、可控的切断，称为控制断裂切。这种切割过程主要内容是：激光束加热脆性材料小块区域，引起该区域大的热梯度和严重的机械变形，导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度，激光束可引导裂 缝在任何需要的方向产生。

要注意的是，这神控制断裂切割不适合切割锐角和角边切缝。切割特大封闭外形也不容易获得成功。控制断裂切割速度快，不需要太高的功率，否则会引起工件表面熔化，破坏切缝边缘。其主要控制参数是激光功率和光斑尺寸大小。

3） 激光切割机及工艺控制参数

激光切割机系统一般由激光发生器、（外）光束传输组件、工作台（机床）、微机数控柜、冷却器和计算嚣（硬件和软件）等部分组成。

① 激光发生器 对于激光切割的用途而言，除了少数场合采用 YAG 固体激光器外，绝大部分采用电光转换效率较高并能输出较高功率的 CO2 气体激光器。由于激光切割对光束质量要求很高，所以不是所有的激光器都能用作切割的。

② 数控切割机床 由三部分组成，即工作台 （一般为精密机床）、束传输系统（有时称外光路，即激光器发出的光束到达工件前整个光程内光束的传输光学、机械构件）和微机数控系统。按切割柜与工作台相对移动的方式，可分为 以下三种类型：

a) 在切割过程中 ，光束（由割短射出）与工作台都移动，一般光束沿 Y 向

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移，工作台在 X 向移。

b）在切割过程中，只有光束（割矩）移动，工作台不移动。 c）在切割过程中，只有工作台移动，而光束（割距）则固定不动。 ③ 五轴机 工业生产中有时遇到需要切割三维立体构件的问题，而一般的二轴、三轴激光切割机只能切割二维平面工件，这就得要装备有机械手的切割机，即五轴机。

④ 激光冲切机 多年来，国外发展了综合激光切割和机械冲孔技术的激光冲切机，这种机械对复杂形状的工件用机械方法模冲出内孔，然后用激光切割方法切出外缘和需要长距离切割的线条。

工件在切割前，对其进行激光切割的可行性以及切割过程中可能出现的问题要预先予以考虑。比如，此类材料可否进行激光切割？其切割的难点在哪里？是否需要对样品进行试割？如何达到切割的质量和精度的要求？工件切割的基准 起始点放在哪里？等等。

影响激光切割质量的因素很多，激光切割的一个重要优点在于可以对过程 中的主要因素实施高度控制，使切割出的工件充分满足客户的要求，并且重复性很好。这些主要因素由切割速度、焦点位置 、辅助气体压力、激光输出功率工艺参数构成。

除了以上 4 个最重要的变量以外，可能对切割质量产生影响的因素还包指光束参数（模式和功率、激光束的偏振、激光束的聚焦、脉冲波光束）和工件特性（材料表面反射率、材料表面状态，以及割炬和喷嘴、外光路系统、工件固定 等其他因素。

4）常用工程材料的激光切割 ① 金属材料的激光切割

虽然几乎所有的金属材料在室温对红外波能量

有很高的反射率，但发射处于远红外波段 10.6μm 光束的 CO2 激光器还是成功的应用于许多金属的激光切割实践。 金属对 10.6μm 激光束的起始吸收率只有 0.5%～10%，但是，当具有功率密度超过 106 w/cm2 的聚焦激光束照射到金属表面时，却能在微秒级的时间内很快使表团开始熔化。处于熔融态的大多数金属的吸收率急剧上升，一般可提高60%～80%。

a）碳钢：现代激光切割系统可以切割碳钢板的最大厚度可到 20 mm，利用氧化熔化切割机制切割碳钢的切缝可控制在满意的宽度范围，对薄板其切缝可窄至 0.1 mm左右。

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b）不锈钢：激光切割。对利用不锈钢薄板作为主构件的制造业来说是个有效的加工工具。在严格控制激光切割过程中的热输入措施下，可以限制切边热影响区变得很小，从而很有效的保持此类材料的良好耐腐蚀性。

c）合金钢：大多数合金结构钢和合金工具钢都能用激光切割方法获得良好的切边质量。即使是一些高强度材料，只要工艺参数控制得当，可获得平直、无粘渣切边。不过对于含钨的高速工具钢和热模钢，激光切割时会有熔蚀和粘渣现象发生。

d）铝及合金：铝切割属于熔化切割机制，所用辅助气体主要用于从切割区吹走熔融产物，通常可获得较好的切面质量。对某些铝合金来说，要注意预防切缝表面晶间微裂缝产生。

e）铜及合金：纯铜（紫铜）由于太高的反射率，基本上不能用 CO2 激光束切割。黄铜（铜合金）使用较高激光功率，辅助气体采用空气或氧．可以对较薄的板材进行切割。

f)铁及合金：纯铁能很好耦合聚焦激光束转化的热能，辅助气体采用氧时化学反应激烈，切割速度较快，但易在切边生成氧化层，不小心还会引起过烧。为稳妥起见，采用空气作为辅助气体比较好，以确保切割质量。

飞机制造业常用的铁合金激光切割质量较好，虽然切缝底部会有少许粘渣 ，但很容易消除。

g）镍合金：镍基合金也称超级合金，品种很多。其中大多数都可实施氧化熔化切割。表 62-17 列出了二氧化碳激光器对金属材料切割的有关数据。

② 非金属材料的激光切割 10.6 µm 波长的CO2 激光束很容易被非金属材料吸收，导热性不好和低的蒸发温度又使吸收的光束几乎整个输入材料内部，并在光斑照射处瞬间汽化，形成起始孔洞，进入切割过程的良性循环。

a）有机材料 可用激光切割的有机材料包括：塑料（聚合物）、橡胶、木材、纸制品、皮革等。

b）无机材料 可用激光切割的无机材料包括：石英、玻璃、陶瓷、石头等。 c）复合材料 新型轻质加强纤维聚合体复合材料很难是常规方法进行加工。利用激光无接触加工的特点可以对固化前的层选薄片高速进行切割修剪、定尺，在激光束的加热下，薄片边缘被融合，避免了纤维屑生成。

对完全固化后的厚工件，尤其是棚纤维和碳纤维合成材料；激光切割要注意防止切边可能会有碳化、分层和热损伤发生。正如塑料切割一样，合成材料切割

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过程中需要及时排除废气。还有一种类型的复合材料，就是单纯由两种性能不同的材料上下复合在一起，为了获取较好的切割质量，激光切割总的原则是先切具有较好切割性有的那一面。

表 6.2-17 二氧化碳激光器对对金属材料切削的有关数据 材料 铝 碳素钢 厚度/mm 12.7 13 3 6.5 7 淬火钢 不锈钢 25 45 2 13 44.5 锰合金钢 4 5 8 钛合金 1.46 5 镐合金 钴基合金 1.2 2.5 切割速率/m²min 0.5 2.3 0.6 2.3 0.35 1.1 0.4 0.3 1.3 0.38 0.49 0.85 0.53 1.2 3.3 2.2 0.35

-1激光输出 6000 15000 250 15000 500 10000 10000 250 10000 12000 250 500 350 400 850 400 500 喷嘴气体 空气 O2 空气 N3 N3 N3 O2 N3 O2 O2 O2 空气 O2 空气 O2 表 6.2-18 列出了二氧化碳激光器对非金属 材科切割的有关数据。 5） 实例

图 6.2-86 为激光切割出来的微结构。 (6）激光焊接

与激光打孔、激光切割类似，激光焊接也是将激光束直接照射到材料面，通过激光与材料相互作用，使材料内部局部熔化（这一点与激光打孔、切割时的蒸发不同） 实现焊接的。激光焊接可分为脉冲激光焊接和连续激光焊接等；激光焊接按其热力学机制又可分为激光热传导焊接和激光深穿透焊接等。

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表 6.2-18 二氧化碳激光器与非金属材料切割的有关数据

材料 石英 陶瓷 厚度/mm 3 1 4.6 玻璃钢 1.5 2.7 有机玻璃 20 25 木材（软） 木材（硬） 25 25 10 16 压制石棉 涤卡 聚氟乙烯 混凝土 皮革 胶合板 6.4 130 3.2 30 3 19 切割速率/m²min 0.43 0.392 0.075 0.491 0.392 0.171 15 2 1 0.171 0.75 0.76 0.214 3.6 0.4 3.05 0.28

-1激光输出 500 250 250 250 250 250 8000 2000 2000 250 250 180 250 300 4000 225 225 喷嘴气体 N3 N3 N3 N3 N3 N3 空气 N3 N3 N3 N3 空气 N3 空气 空气 空气 聚四氟乙烯 激光焊接与常规焊接方法相比具有如下特点：

l）激光功率密度高，可以对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接，对金属筒、板、丝，以及玻璃、硬质合金等材料的焊接都很出色；

2）聚焦光斑小，加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可以忽略； 3）脉冲激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械变形、不受电磁场的影响、能透过透光物质对密封器内工件进行焊接：

4）激光焊接装置容易与计算机联机，能精确定位，实现自动焊接激光焊接在微电子元件和集成电路中有很多应用，如微型电路（包括 IG 电路）元件的引线焊接和密封焊接等。

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图 6.2-86 激光切割的微结构

(7）准分子激光直写加工

所谓直写 （ Direc1 Writing ）是相对于利用激光原理的微细加工而言的。凡应用曝光原理的微细加工技术，均涉及掩膜-抗蚀剂-图形转印等过程，而不是在被加工工件材料上前接得到所需的图形和结构的。直写加工是利用激光等高能束流， 以不同手段直接在被加工工件上制造微型图形与结构的技术 ，它大大地简化了整个生产过程。将准分子激光技术、CAD/CAM 技术、数控技术、新材料技术 ，以及微细加工技术等有机地结合起来， 利用高分辨率的准分子激光束结合数控技术可以直接在加工材料上刻出微细图形，直接加工出微小型腔，其具有柔位好、效率高、周期短、成本低等特点，所以准分子激光直写加工技术已经成为当前微细加工领域的重要研究方向。

准分子激光直写加工系统原理如图 6.2-87 所示。在准分子激光微细加工系

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统中，大多采用掩膜投影加工，也可以不用掩膜，直接利用聚焦光斑刻蚀工件材料，综合激光光束扫描运动与 X-Y 工作平台的相对运动以及 Z 方向的微进给， 实现三维微结构加工，其原理与快速成制造系统类似。一般的光束处理与调整环节包括准分子激光器、声光调制器、衰减器、光束匀化器与显微物镜等。声光调制器控制准分子激光的通断；衰减器调节激光束能量：光束匀化器使激光光强分布均匀化；显微物镜用于光束聚焦。为了满足不同的加工批量与结构形状需求，按在加工过程中掩膜与工件（工作台）之间的相对关系可以将准分子激光微细加工系统分为三类。

图 6.2-87 准分子激光微强加工系统原理图

1）静态掩膜与工件 在该模式加工过程中，掩膜与工件都保待静止。加

工的微结构小而简单，或由规则的几何形状重复构成。该方法主要用来加工微细孔。对于其它复杂形状的微结构，只要在掩膜上激光光束区包含该图形，则可以加工。严格地说，该方法只能加工平面结构，无法加工真正意义上的三维微结构。该方法有两种改进加工模式：一是当基本的图形单元加工完成后，工件在水平方向运动一定位置，重复加工掩膜图形；二是当某一掩膜图形加工完成后，更换另一掩膜，直到所有掩膜加工完毕。

2）动态掩膜或工件

在该模式加工过程中，掩膜或工件有一方在运动。

通过精确控制在深度方向的能量梯度（脉冲数不同），从而可以制作斜面结构。该加工特性使其在微流体器件 MOENMS 制作方面具有广泛的用途。采用动态掩

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膜制作微流体通道与动态工件制作微光学的应用实例如图 6.2-88 和 6.2-89 所示。

图 6.2-88 采用动态掩膜制作的微流体通道 图 6.2-89 采用动态工件制作的微光学表面

3）动态掩膜与工件（同步） 在该模式加工过程中，掩膜与工件保持同步运动，因而该模式又称为同步扫捕。由于掩膜投影有一定的缩小倍数（M）因此必须精确控制掩膜的运动位移是工件的 M 倍。该加工模式主要用于前述加工 模式无法达到的较大图形的加工，主要应用领域为图形印刷、PCB 工业与平板显示器等。

(8）激光微细立体光刻及其应用 激光微细立体光刻技术是将先进的快速成形技术主要是立体光刻（ SLA）工艺，应用到微制造领域中衍生出来的一种加工技术。由于高精度与微型化的缘故，称为微细立体光刻（Micro-Stereolithogra- phy 或 uSL）。同其他微细加工技术相比，微细立体光刻技术最大的特点是不受 MEMS 器件或系统结构形状的限制，可以加工包含自由曲面在内的任意三维结构。 此外，该技术还有加工时间短、成本低、加工过程自动化等优点，为 MEMS 批量化生产创造了有利条件。该技术的局限性在于：一是精度较低。目前基于快速成型的 MEMS 微细加工技术的最高水平方向的精度在 lµm 左右，垂直方向的精度大约在 3µm 左右，显然这一精度无法同基于 IC 的硅微细加工工艺相比。二是使用材料受到一定的限制。目前的树脂材料在电性能、机械性能、热性能方面与硅材料相比有一定的差距。

(9）激光曝光

曝光技术的最主要标志就是分辨率，为获得高分辨率曝光，远紫外波段激光是理想的光源。而准分子激光主要集中于这个波段，因此，准分子激光曝光技术具有许多优良的特性，并很快得以应用。准分子激光曝光具有单色性好，可缓和 光学系统色差；方向性强，可满足强曝光要求：短脉冲特性，可缓和减震要求以

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及高功率密度，可完成高效、无显影光刻等优点，是近年来发展极快且实用性较强的曝光技术，已在大批量生产中得以应用。 而且就系统造价和工作效率而言， 准分子激光曝光技术具有极好的经济性。

准分子激光曝光技术可分为接触式曝光和投影式曝光两种，其中投影式曝光又可分为反射式和选射式。接触式曝光所获得的图形尺寸与模版图形是相同的，相比之下投影式曝光，特别是透射式投影曝光，可以使掩膜图形缩小（5 ～10) 倍，这在高分辨率曝光技术中是非常有利的。准分子激光曝光技术在超大规模集成电路的生产中得到广泛应用。 据报导，准分子激光曝光系统刻蚀的线宽已达到 30nm。

( 10） 激光退火

激光退火是激光技术在半导体微细加工领域中的另一种重要应用。所谓激光退火，就是用功率密度很高的激光束照射半导体表面，使其损伤区（如离子注入掺杂时造成的损伤）达到合适的温度，从而实现消除损伤的目的。根据激光工作 方式不同，激光退火分为脉冲激光退火和连续激光退火两种。

与热退火相比，激光退火具有以下特点：

l) 激光退火操作简便，可以在空气环境中进行，不需要真空系统，与超大规模集威电路 (VISI) 工艺兼容性大。

2）激光退火的时间极短，表面层不易沾污， 而且易于获得高浓度的浅掺杂层。由于、157 集成度的不断提高，在减小器件模间尺寸的同时，也需要相应地减小其纵向尺寸。激光退火适合于超浅结工艺加工，正好满足了这一要求。

3）对表面加热可以高度定域。激光退火只有退火相关区域才受到高温冲击，其余区域都处于低温甚至室温状态。因此激光退火不会使片子产生小变形，这会提高 VLSI 的成品率。

4）可以提高器件性能。激光退火可以使掺杂浓度超过固溶度，可以做成超浅结，还可以使掺杂原子的电激活率近于 100%，这些都对器件性能的改进大有好处。

5）可以提高集成密度、成品率和可靠性。 如果采用微米甚至亚微米焦斑直径的激光束扫描，实现计算机控制的定域退火，就可以更加精密、灵活地达到微电子和光电子器件制造的严格要求，使集成密度与器件性能都得以提高。用脉冲激光对注入离子的薄膜多晶 Si 进行激光退火，可以按要求精确控制杂质扩散，排除多晶 Si 热退火中出现的晶粒界隙导敖的远距离扩散的困扰，加上形成结的

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时候膜衬底不遭受高温冲击，激光退火对一些多晶 Si 薄膜器件的研制有特殊 的应用价值。

用激光退火处理离子注人的 GaAs 不需要任何表面保护膜，就可以实现很好的单晶再生长，而且样品的电性能可以大大超过热退火。

激光退火还可以用来消除衬底近表层由工艺过程引人的缺陷，由于掺杂浓度可以超过平衡溶解度，薄层电阻可以相应降低，这在一些半导体器件的研制中有明显的应用价值。

利用激光退火技术，只需常规的真空沉积设备在单晶硅基片上做成非晶硅淀积膜，然后再用脉冲激光退火，就可使非晶 Si 再生长转变成为单晶 Si 的外延膜。

(11）激光辅助加工技术

激光辅助加工技术主要包括激光辅助刻蚀技术和激光辅助沉积技术。 1）激光辅助刻蚀技术 激光辅助进行化学刻蚀（ LCE 或 LACE）是指激光光照对局部化学刻蚀反应产生的强化作用。该强化作用来自基体加热对化学反应的热活化作用，也可以是光刻胶分解产生的活性抗蚀剂。刻蚀过程中，底部加热 产生的热催化剂和刻蚀剂在光或热分解过程中产生活性物质，这种活性物质是反应强化的主要因素。众所周知的用氯气对硅刻蚀的方法现已用于各种 MEMS 器件的加工。

2）激光辅助沉积技术 激光辅助沉积技术包括烧蚀溅射（AS）和激光化学气相沉积 (PCVD）。烧蚀溅射也叫脉冲激光沉积（ PLD）， 指在真空中材料被脉冲激光烧蚀从目标物上脱落下来，然后沉积在工件上。与大多数激光加工工艺不同，PLD 类似于传统的射频溅射（RF） 或磁电管溅射，薄膜在工件表面均匀沉积，没有选择性。该技术尤其适用于其他方法很难沉积的高熔点材料或多组分材料。在 MEMS 加工中，该技术主要用于压电执行器 PZT 和薄膜形状记忆合金的加工。LCVD 是利用激光辐射激发气相反应，产生固相产物沉积于工件表面从而实现薄膜沉积。如用激光辐射使有机金属化合物分解，从而进行金属薄膜的沉积。若反应更复杂一些，可用 LCVD 沉积化合物薄膜，如氧化物和氮化物。虽然 LCVD 可以加工独立的三维结构，但它主要还是用于沉积薄膜。此外，LCVD 只是在照明区域加工，这一特点与激光辅助刻蚀相似。LCVD 可直接通过平板印刷术在平坦的基体上实现图形传递，不过它在 MEMS 中的应用主要还是在非平坦表面选择性沉积薄膜。如集成了触觉传感器的智能导尿管的加工。

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（12）三维微细结构加工

近来激光加工也开始向加工微三维结构方向发展。光成形加工首先利用一种紫外光硬化树脂作为被加工材料，当树脂受到紫外线照射时可由液态变为固态，控制曝光方式，即可形成各种三维结构。

图6.2-90 所示为一激光成形微细加工装置和加工原理示意图。聚焦的紫外光斑依靠（X，Y , Z) 3 坐标工作台的运动扫描硬化一层树脂，然后 Z 向运动调节光斑聚焦位置，扫描硬化相邻层树脂。三维结构的成形由这样一层层的二维 形状堆叠而成。成形尺寸和精度主要取决于光硬化树脂的光敏分辨率、光源聚焦精度、机械结构( X,Y ,Z ）方向的运动控制精度以及液态树脂的粘性等。以树脂结构为模具，可进一步电铸金属结构。

图 6.2-90 激光成形微细加工

光成形微细加工具有许多工艺方法无可比拟的特点：可以加工成形树脂或金属材料的高深宽比三维结构、无需工具或掩膜版制作、成形快捷等。但聚焦光斑大小应与扫描间隔匹配，光斑大于扫描间隔时结构容易断裂，反之影响成形尺寸精度。

图6.2-91 所示为一白光纤阵列组成的激光成形批量制作微细加工系统示意图。该系统设计以简单易于微小型化的光学系统实现安全、低成本、高效率的高深宽比三维结构成形。

通常光成形微细加工方法难以制作自组装的可动结构，新近研究开发出的点聚焦扫描加工三维成形方法在制作可动结构方面有所突破。一般光成形加工时树脂感光即硬化，而点聚焦成形方法是使树脂硬化仅限于紫外光聚焦点上。这就使

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其加工成形可以不使用基板，加工分辨率取决于光聚焦点的大小，可直接制作出自组装可动结构，并消除了液体树脂粘役和表面张力的不利影响。图6.2-92 所示是利用点聚焦成形加工出的外径为50m的可动窗轮。图6.2-93 为激光加工的微三维结构。

图 6.2-91 光纤阵列批量加工系统

图 6.2-92 外径为50μm的可动齿轮

德国海德尔堡器械为基数公司的 Peter Heyl 等人开发了微三维结构高精密激光加工机床4，用波长 355nm 的紫外线在陶瓷等高硬度材料上用分层去除的方法，得到了如图 6.2-94 所示的微三维结构。每次去除深度为 1.3μm，结构总深度为150μm。得到的表面质量可以和电火花加工相媲美，但它不受材料物理特性的限制。

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13.2 微细电子束加工

电子束加工（Electron Beam Machining,简称 EBM）是近年来得到较大发展的一种新兴特种做细加工技术。电子束微细加工主要用于打孔、窄缝、焊接和大规模集成电路的光刻化学加工，在精密微细加工、尤其是在微电子学领域中得到了广泛的应用。

(1）电子束加工的原理

如图 6.2-95 所示 ，电子束加工是在真空条件出下，利用聚焦后能量密度极高(106~109W/cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在很短的时间（几分之一微秒）内，其大部分能量转变为热能，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 材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。

(a)激光微细加工的微通道 (b)激光微细加工齿轮

(c)激光微细加工文字

图 6.2-93 激光加工的微三维结构

控制电子束能量密度的大小和能量注人时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加、热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可进行打孔和

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切割加工；利用较低能量密度 的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原 理，即可进行电子束光刻加工。

图 6.2-94 激光加工的微三维结构

图 6.2-95 电子束加工原理

1-工件 2-电子束 3-偏转线圈 4-电磁透镜

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(2）电子束微细加工的特点电子束在微细加工中得到广泛的应用，是由电子束加工所具有的如下特点决定的：

1）束径微小。由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到 0.1μm，其能量高度集中，功率密度可达 109 W/cm 量级。因此即使是高熔点、微小尺寸的材料也可加工，是超小型元件或分子器件等微细加工的有效加工方法。此外，最 小直径的电子束长度可这该电子束当时断面直径的几十倍以上，故能适用于深孔加工。

2） 可加工材料的范围广，由于电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时时燕发，是一种非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。而且由于电子束可进行骤热骤冷（脉冲状加工），所以对非加工部分的热影响极小，提高了加工精度，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。

3）加工效率高。电子束的能量密度高，因而加工生产象很撞。例如，每秒钟可以在2.5mm 的钢板上钻到个直径为 0.4nm 的孔，而且热影响范圈可以很小。

4）控制性能好。可以通过磁场或电场对电子束的强度位置聚焦等进行直接控制。电子束作为一种加工工具，其控制性能是十分优越的，而且控制时其变速度之快也是其他来法无法比拟的。特别是在电号束曝光中，从加工位置找准到加工圆形的扫描，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异形孔，实现幽面弧形切割。

5）电子束加工温度容易控制，通过控制电子来的电压和电流值可改变其功率密度，迸而控制加工温度，既可作高能电子束的热加工，又可作低能电子束的化学加工（也称冷加工）。另外， 通过控制电路还可使电子束瞬时通断．进行骤热骤冷操作。

6） 由于电子束加工是在真空中进行的，因而污染少，加工表面不会氧化。特别适用于加工易氧化的金属及合金材料、以及纯度要求极高的半导体材料。

电子束加工的缺点是必须在真空中进行，需要一整套专用设备和真空系统，价格校货，生产应用有一定局限位。

(3）电子束加工装置

电子束加工装置的基本结构如图 6.2-96 所示，主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。

1） 电子 电子枪是在得电子束的装置。它主要包括电子发射阴模 、控制

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栅极和加速阳极等，如图 6.2-97 所示。阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜聚 焦而在工件表面形成很小的电子束束斑。

图 6.2-96 电子束加工装置的结构示意图

1-工作台系统 2-偏转线圈 3-电磁透镜 4-光阑 5-加速阳极

6-发射电子的阴极 7-控制栅极 8-光学观察系统 9-带窗真空室门 10-工件

发射阴极一般用钨或钮制成，小功率时用钨或祖做成丝状阴极，如图 6.2-97a 所示；大功率时用钮做成块状阴极，如图 6.2-97b 所示。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能将控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。加速阳极通常接地，而阴极接很高的负电压。通过上述装置，完成电子的发射、加速、聚焦，形成可满足工业应用的电子束流。

图 6.2-97 电子枪

1-发射电子阴极 2-控制栅极 3-加速阳极 4-工件

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2）真空系统 真空系统是为了保证在电子束加工时维持

（1.33102~1.33104）Pa 的真空度。因为只有在高真空中，电子才能高速运 动。此外，加工时产生的金属蒸气也会影响电子发射，造成不稳定现象．因此，也需要不断地把加工中生产的金属蒸气抽出去。

真空系统一般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 （1.4～0.14) Pa，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至（ 0.014～0.00014) Pa 的高真空度。

3）控制系统和电源

电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束

流位置控制、束流强度控制及工作台位移控制等。

束流聚焦控制是为了提高电子束的能量密度，使电子束聚焦成很小的柬斑，它基本上决定了加工点的孔径或缝宽。聚焦方法主要有两种：－是利用高压静电场使电子流聚焦成细束；二是利用电磁透镜的磁场聚焦。所谓电磁透镜，实际上为一电磁线圈，通电后它产生的轴向磁场与电子束中心线相平行，端面的径向磁场则与中心线相垂直。根据左手定则电子束在前进运动中切割径向磁场时将产生圆周运动，而在圆周运动时在轴向磁场中又将产生径向运动，所以实际上每个电子的合成运动为一半径愈来愈小的空间螺旋线而聚焦于一点。为了消除像差和获得更细的焦点，常再进行第二次聚焦。

束流位置控制是为了改变电子束的方向常用电磁偏转来控制电子束焦点的位置。如果使偏转电压或电流按一定程序变化电子束焦点便按预定的轨迹运动。

工作台位移控制是为了在加工过程中控制工作台的位置。因为电子束的偏转距离只能在数毫米之内，过大将增加像差和影响线性，因此在大面职加工时需要控制工作台移动并与电子束的偏转相配合。

电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用稳压设备，这是因为电子束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系。

(4）电子束微细加工的应用根据功率密度和能量注入时间的不同，电子束加工可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。归纳起来电子束在微细细工领域中的应用分为两大类：电子束热微细加工和电子束化学微细加工。

第一类为电子束热微细加工，电子束的能量较大（30 keV ～几百 keV），又称为高能量密度电子束加工，它是利用电子束的热效应，将电子束的动能在材料表面转换成热能而对材料实施加工的。高能量密度电子束加工因工件表面束流斑点的功率密度的不同又分为几种不同的加工方法：当束流斑点功率密度为

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（10～10) W/mm 时，工件表面不熔化，主要用于电子束热处理；当束流斑点功率密度为（102~105) W/mm2 时，工件表面熔化，也有少量气化，主要用于电子束焊接和熔炼；当束流斑点的功率密度为（105~108) W/mm2 时，工件产生气化，主要用于电子束打孔、刻槽、切缝、镀膜和雕刻。

第二类为电子束化学微细加工，电子束的能量较小，一般小于 30 keV，主要用于 LSI 和 VLSI 复杂图形的制备以及光刻掩膜图形的制备。它利用电子束流的非热效应，功率密度较小的电子束流与电子胶（又称电子抗蚀剂) 相互作用，电能转化为化学能，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子链被切断或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。包括电子束扫描曝光和电子束投影曝光。电子束曝光微细加工技术，已经成为生产集成电路元件的关键性加工手段。

1）电子束打孔、切割 目前电子束打孔的最小直径已经可达 0.001mm 左右，而且还能进行深小孔加工，如孔径在 0.5～0.9 mm 时，其最大孔深已超过1O mm，即孔的深径比大于15:1。

与其他微孔加工方法相比，电子束的打孔效率极高，通常每秒可加工几十至几万个孔。电子束打孔的速度主要取决于板厚和孔径。当孔的形状复杂时还取决 于电子束扫描速度（或偏转速度） 以及工件的移动速度。利用电子束打孔速度快的特点，可以实现在薄板零件上快速加工高密度孔，这是电子束徽细加工的一个非常重要的特点。电子束打孔已在航空航天、电子、化纤，以及制革等工业生产中得到实际应用。

在航空发动机部件上的小孔种类很多，有扭曲孔、斜孔和高密度小孔等。这些小孔的加工正是电子束微细加工的特色，也是其他特种加工较难办到的。例如喷气发动机套上的冷却孔、机翼上吸附屏的孔等，不仅孔的密度可以连续变化、 孔数达数百万个，而且有时还可改变孔径，最宜用电子束高速打孔。高速打孔可在工件运动中进行例如在 0.1 mm 厚的不锈钢上加工直径为 0.2mm 的孔，速度可达 3000 个/s

在人造草、塑料上用电子束打大量微孔 ，可使其具有如真皮那样的透气性。现在生产上已出现了专用塑料打孔机，将电子枪发射的片状电子束分成数百条小电子束同时打孔，其速度可达到 50000 孔／s、孔径 40～120μm 可调。

利用电子束还可以加工异形孔。电子束扫描加工时即为电子束切割加工，可以用来切割各种复杂型面。为了使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气性好，啧丝头的孔形一般都是特殊形状的。图6.2-98 是电子束加工的啧丝头异形孔截

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面的一些实例。出丝口的窄缝宽度为（0.03 ～0.07) mm，长度为 0.80 mm，喷丝板厚度为 0.6μm。

图 6.2-98 电子束加工的异形孔

离心过滤机、造纸化工过滤设备中钢板上的小孔为上小下大的锥孔，这样既可防止堵塞，又便于反冲清洗。用电子束在 1 mm 厚的不锈钢板上加工0.13mm 的锥孔,每秒可加工400个；在 3 mm 厚的不锈钢板上加工1的锥形孔，每秒加工20个。

利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转，还可以利用电子束加工弯孔和曲面。控制电子速度和磁场强度，就可以控制曲率半径，加工出弯曲的孔；如果同时改变电子束和工件的相对位置，就可进行曲面切割和开槽。 因6.2-99a 是对长方形工件施加磁场之后，若一面用电子束轰击，一面依箭头方向移动工件，就可在得如实线所示的曲面。经图6.2-99a 所示加工后，改变磁场极性再进行加工，就可获得图 6.2-99b 所示的工件。同样原理，可加工出图6.2-99c 所示的弯缝。如果工件不移动 ，只改变偏转磁场的极性进行加工，则可获得图6.2-99c 所示的人口为一个而出口有两个的弯孔。

2） 电子束微细焊接 电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。当高能量密度的电子束连续轰击得件表面时焊件接头处的金属迅速熔融，形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的熔池。如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电 子 作相对移动，则接缝上的熔池由于电于束的离开而重新凝固，形成致密的完

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整焊缝。

图 6.2-99 电子束加工曲面弯孔

1-工件 2-工件运动方向 3-电子束

电子束焊接具有以下的工艺符点：

① 焊接深宽比高。由于电子束斑尺寸小，能量密度高，因而能实现高深宽比焊接。电子束能可输送到很深的区域从而实现狭缝厚材料的深焊。

② 焊接速度高。由于能量集中，熔化和凝固过程快，所以焊接速度快、易于实现高速自动化。

③ 热变形小。由于能量集中，使得热影响区极小，工件变形和产生裂纹的可能性相应减少。

④ 焊缝物理性能好。由于焊速快，避免了晶粒粗大，使延展性增加；同时由于高温作用时间短，碳和其他合金元素析出少，焊缝抗蚀性好。

⑤ 工艺适应性强。电子束焊接具有广泛的适应性．能进行变截面焊接。 ⑥ 焊接材料范围广。除了可焊接普通的碳钢、合金钢、不锈钢外，更有利于焊接高熔点金属 （如钮、钥、钨、钦及其合金等）和活泼金属（如错、妮等），还可焊接异种金属材料和半导体材料及陶瓷和石英材料等。

由于电子束焊接对焊件的热影响小、变形小，可以在工件精加工后进行焊接，又由于它能够实现异种金属焊接，所以就有可能将复杂的工件分成几个零件，这些零件可以单独地使用最合适的材料，采用合适的方法来加工制造，最后利用电子束焊接成一个完整的零部件，从而可以获得理想的技术性能和显著的经济效益。电子束焊接在航空航天工业等取得了广泛的应用。如航空发动机某些构件 （高压涡轮机匣、高压承力轴承等）可通过异种材料组合，使发动机在高速运转时，利用材料线膨胀系数不同，完成主动间隙配合，从而达到提高发动机性能、增加发动机推重比、节省材料、延长使用寿命等。电子束焊接还常用于传感器及

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电器元器件的连接和封装，尤其一些耐压、耐腐蚀的小型器件在特殊环挽工作 时，电子束焊接有其很大优越性。

3） 电子束热处理

电子束热处理也是把电子束作为热源．但适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。电子束热处理与激光热处理类同，但电子束的电热转换效率更高，可达 90% ，而激光的转换效率只有（7%～1O %）。 电子束热处理主要包括金属热处理（如表面淬火、表面合金化、表面非晶态处理和薄极退火等）和半导体材料的退火和掺杂。电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之一秒。奥氏体晶粒来不及长大，从而能在得一种超细粒组织，可使工件在得用常规热处理难以达到的硬度，硬化深度可这 0.3～0.8 mm。

如果用电子束加热金属达到表面熔化，可在熔化区加入添加元素，使金属表而形成一层很薄的新的含金层，从而获得更好的物理力学位能。

4） 电子束光刻 电子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射称为电致抗蚀剂的高分子材料，由人射电子与高分子相碰撞，使分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化这一步骤称为电子柬曝光，如图6.2-1OOa 所示。如果按规 定图形进行电子束曝光，就会在电致抗蚀剂中留下潜像。然后将它浸入适当的溶剂中，则由于分子量不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来如图 6.2-1OOb 所示。将光刻与离子束刻蚀或蒸镀工艺结合，见图 6.2-1OOc、d，就能在金属掩模或材料表面上制出图形来，见图6.2-1OOe、f。

图 6.2-100 电子束曝光加工过程

由于可见光的波长大于 0.4μm，故曝光的分辨率较难小于 1μm，用电子束光刻曝光最佳可达到 0.25μm 的线条宽度的图形分辨率。

电子束曝光可以用电子来扫描，即将聚焦到小于 1μm 的电子束斑在大约

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0.5～5μm 的范围内按程序扫描，可曝光出任意图形。另一种“面曝光”的方法是使电子束先通过原版，这种原版是用别的方法制成的比加工目标的回形大几倍的模板。再以 1/5～1/10 的比例缩小投影到电子抗蚀剂上进行大规模集成电路图形的曝光。它可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。 13.3 微细离子束加工

离子束加工（Ion Beam Machining，简称 IBM)也是近年来得到较大发展的一种新兴特种微细加工技术，其加工尺度可达分子、原子量级，是现代纳米加工技术的基础工艺之一。它首先在微电子铸件制造中获得应用，是目前微细加工和精密加工领域中极有发展前途的加工方法。

(1） 离子束加工的原理及分类

离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法。它的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是：在离子束微细细工时，加速的物质是带正 电的离子而不是电子，其质量比电子大数千、数万倍，如氢离子的质量是电子的7.2 万倍，所以一旦当离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是通过离子撞击工件材料时引起的破坏、分离或直接将离子注入加工表 面等机械作用进行加工的，而电子束加工则主要是在热效应进行加工。

离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定动能的离子斜射到工件材料（靶材）表面时,可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。如果将工件直接作为离 子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀（也称为离子铁削）；如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜；如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时离子就会 钻进工件表面，这就是离子的注入效应 。

离子束加工按照其所利用的物理效应所达到目的的不同，可以分为四类，即利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀、离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注人。图 6.2-101 是几种典型的离子束加工示意图。

离子刻蚀的原理如图 6.2-95a 所示，它是用能量为（0.5～ 5) keV 的氩离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，其实质是一种原子尺度的切削加工，所以又称离子铣削；离子溅射沉积的原理如图 6.2-95b 所示，它也是采用能量为 (0.5～5) keV 的氢离子，轰击某种材料制成的靶，离子将把材原子击出，

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沉职在靶材附近的工件上，使工件表面镶上一层薄膜，是一种镀膜工艺：离子镀也称离子溅射辅助沉积，其原理如图 6.2-95c 所示，是用 （0.5 ～5) keV 的氢离子．与离子溅射沉积不同的是在镀膜时同时轰击靶材和工件表面，以增强膜材与工件基材之间的结合力，也可将靶材高温蒸发．同时进行离子镀；离子注入的原理如图 6.2-95d 所示，是采用（5 ～50）keV 能量的离子束，直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻进被加工材料的表面层，工件表面层含有注入离子后，就改变了成分，从而改变了工件表团层的机械物理性能，根据不同的目的，可选用不同的注入离子，如磷、硼、碳、氮等。

图 6.2-101 各类离子加工示意图

1-离子液 2-吸极（吸收电子、引出离子） 3-离子束 4-工件 5-靶料

(2） 离子荣徽细加工的特点

1） 加工精度高，易于精确控制。由于离子束可以通过电子光学系统进行精确的聚焦扫描,其束流密度及离子能量可以精确控制，离子束轰击材料是逐层去除原子，因此离子刻蚀可以达到纳米级的加工精度。离子镀膜可以控制在亚微米级精度。离子注入的深度和浓度也可被精确地控制。因此，离子束加工是目前所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代纳米加工技术的基础技术之一。

2） 可加工的材料范围广泛。由于离子束加工是利用力效应原理，因此对脆性材料、半导体材料、高分子材料等均可加工。由于加工是在真空环绕下进行的，污躲小，故尤其适于加工易氧化的金属，合金和离纯度半导体材料。

3） 加工表面质量高。由于离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用．宏观压力很小。所以加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合子对各种材料和低刷度零件的加工。

4） 离子束加工设备费用贵、成本高、加工效率较低，因此应用范围受到一

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定限制。

(3）离子束加工装置

离子束加工装置与电子柬加工装置类似，主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分，主要的不同点表现在离子源系统。化学离子源用以产生离子束流。产生离予束流的基本原理和方法是使原子电离。具体办法是把要电离的气态原子（如氩等惰性气体或金属蒸汽 ）注入电离室，经离频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击，使气态原子电离为等离子体束（即正离子数和负电子数相等的混合体）。用个相对于等离子体为负电位的电极（吸极），就可从等离子体中引出离子束流，而后使其加速射向工件或靶材。

离子束徽细加工技术通常有掩膜和聚焦两种利用方式，这与电子束曝光技术中的扫描曝光（骤焦方式）和投影曝光 （掩膜方式） 相类似。聚焦离子束（ Focused Ion Beam，简称FIB）技术是一种十分灵活、用途广泛的微细、超徽细加工聚焦方式无需掩膜，但生产效率低：掩膜材料方式存在掩膜制造的困难和掩膜与加工嫌容性之空间的矛盾但生产效率高。在聚焦离子束加工方式中采用液态金属离子源是很理想的，其优点是亮度高、束径小（近似于点发射）。而掩腹方式离下必须采用平行离子束源，因此多采用固体源和气体源。聚焦离子束加工原理如图 6.2-102 所示，系统大体上可以分为三个主要部分：离子源、离子束聚焦、扫描系统和样品台。离子源位于整个系统的顶端，离子经过抽取、加速并通过位于离子柱腔体内的静电透镜、四极偏转透镜以及八极偏转透镜，形成很小的离子束斑，袭击位于样品台上的样品。

图 6.2-102 聚焦离子束加工原理图

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(4） 离子束微细加工的应用

离子束加工技术作为一种微细加工手段 ，首先在徽电子器件制造中获得应用，而且离子束加工的应用范围正在日益扩大、不断创新。目前常用的离子束微细加工技术主要有离子束刻蚀、镀膜、注入、退火 、打孔 、切割、净化等。 1） 离子束刻蚀

刻蚀（又称为蚀刻、腐蚀）是独立于光刻的重要的一类

微细加工技术，但刻蚀技术经常需要曝光技术形成特定的抗性剂膜，而光刻之后一般也要靠刻蚀得到基体上的微细图形或结构，所以刻蚀技术经常与光刻技术配对出现。微细加工中的刻蚀技术分为两类：一类是湿法刻蚀技术，包括湿法化学刻蚀和湿法电解刻蚀；另一类是干法刻蚀技术，干法刻蚀是利用高能束对基体进行去除材料的加工，包括以物理作用为主的离子束糖射刻蚀，以化学反应为主的等离子体刻蚀，以及兼有物理、化学作用的反应离子束刻蚀等。

① 离子束溅射刻蚀 离子束溅射刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量越过了原子间的键合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，从而达到逐个蚀除工 件表面原子的目的。为了避免人射离子与工件材料发生化学反应，必须用惰性元素的离子。氢的原子序数高，而且价格便宜，因此通常使用氢离子进行轰击刻蚀。由于离子直径很小，可以认为离子束刻蚀的过程是逐个原子剥离的，但刻蚀速度很低，剥离速度大约每秒一层到几十层原子。

离子束溅射刻蚀根据从离子源引出的离子束是否聚焦又可分为聚焦方式离子束溅射刻蚀和掩膜方式离子束溅射刻蚀两类。聚焦离子束溅射刻蚀也称为无掩膜离子刻蚀．其特点是可以在精密控制下，驱动被聚焦到一定束斑尺寸的离子束进行无掩膜刻蚀加工。其缺点是刻蚀速度慢，并且整体设备复杂、昂贵。掩膜方式离子束溅射刻蚀不将离子束聚成细束，而使其投射在较广阔的加工面上，对工件进行一次性溅射刻蚀。当然，这种溅射刻蚀必须要有掩腹。投射离子荣比聚焦离子束溅射刻蚀装置简单很多。掩膜方式离子束溅射的最大缺点是掩膜和被刻蚀区可能同时遭到刻蚀剥离。

影响离子束刻蚀的因素有很多，如靶材料、离子束种类、离子束能量、离子束入射角及工作室的气氧和压强等。

离子束刻蚀不存在工具磨损、加工过程中无需润滑剂、也不需要冷却液，已经在高精度加工、表面抛光、图形刻蚀、电镜试样制备以及石英晶体振荡器、集成光学、各种传感器件的制作等方面发挥了重要作用。离子束刻蚀用于加工陀螺

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仪空气轴承和动压电机上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。加工非球面透镜能达到其他方法难以达到的精度。图 6.2-103 是离子束加工非球面透镜的原理圆，为了达到预定的要求，加工过程中透镜不仅要沿自身轴线回转，而且要 作摆动运动。可用精确计算值来控制整个加工过程，或利用激光干涉仪在加工过程中边测量边控制形成闭环系统。由波导、锅合器和调制器等小型光学元件组合制成的光路称为集成光栅，离子束刻蚀已开始用于制作集成光筒中的光栅和波 导。用离子束轰击己被磨光的玻确表面时，能改变其折射率分布，使之具有偏光作用。玻璃纤维用离子束轰击后，可变为具有不同折射率的光导材科。离子束加工还能使太阳能电池表面具有非反射纹理表面。离子束刻蚀应用的另一个主要方面是刻蚀高精度的图形。如在集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形的加工中，往往要在基片表面加工出线宽不到 3μm 的图形，并且要求线条侧壁光滑陡直，这目前只能采用离子束刻蚀。离子束刻蚀可以加工出小于 1Oμm 的细线条，深度误差可以控制到 5 mm。

图 6.2-103 离子束加工非球面透镜原理图

1-回转轴 2-离子束 3-工件 4-离子束 5-摆动轴 6-回转轴

离子束刻蚀的主要优点在于 ：

a）分辨率高，适于刻蚀精细图形。其刻蚀图形的精度仅仅取决于光刻和掩膜。国外实验室里已能刻蚀出 8nm 线宽的 Au-Pa 图形。

b）无侧向腐蚀,图形边界清晰。离子束刻蚀是各向异性的，其垂直方向的刻蚀速率要比水平方向的大得多。离子柬刻蚀大多是垂直轰击基片，一般不会产生

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侧向腐蚀现象。

c）能够刻蚀金属、合金、绝缘体、有机物等各种材料。

d）刻蚀图形壁角可以控制。用调节入射角和旋转基片的方法，可以刻蚀出各种坡度的壁角和各种形状的糟底。

e）离子束能量、束流密度、入射角和工作压强都可以单独控制。这使刻蚀工艺具有很大的灵活性，能够适应各种要求。

但离子荣刻蚀也存在诸如效率较低、刻蚀机价格比较昂贵等缺馅，应视具体情况合理选用。 ① 反应离子束刻蚀

反应离子束刻蚀（ Reantive ton Etching，简称

RIE ） 是一种物理化学反应的刻蚀方法。它将一束反应气体的离子束直接引向工件面，发生反应后形成一种即易挥发又易靠离子动能而加工的产物，同时通过反应气体 离子束溅射作用达到刻蚀的目的，是一种亚微米级的加工技术。

③ 等离子体刻蚀 等离子体刻蚀（Plasma Etching ）是一种以化学反应为主的刻蚀工艺 （兼有物理作用和化学反应的反应离子束束刻蚀也属于等离子体刻蚀范畴）。

等离子体刻蚀是集成电路制造中的关键工艺之一 ，其目的是完整地将掩膜图形复制到硅片表面，其范围涵盖前端 CMOS 栅极（ Gate）大小的控制，以及后端金属铝的刻蚀。刻蚀设备的投资在整个芯片厂的设备投资中约占（10%～ 12% ), 它的工艺水平将直接影响到最终产品质量及生产技术的先进性。

2） 离子溅射镀膜

离子溅射镀膜的原理是使真空室内的剩余气体电离。电离后的离子在电场作用下向阴极靶加速运动，入靶离子将靶材料的原子或分子溅射出靶表面。然后这种被溅射出的原子或分子以从把中退出的能量淀积在基片（阳极）上形成薄膜。 因此离子溅射镀膜过程分为三步即离子的产生、离子对靶的轰击溅射、靶材料溅射位子对基片的淀积。

离子溅射镀膜是基于离子溅射效应的一种镀膜工艺，不同的溅射技术所采用的放电方式是不同的。如直流二极溅射利用直流辉光放电；三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；而磁控溅射则是利用环状磁场控制下的辉光放电。直流二极 溅射和三极溅射由于生产率低、等离子体区不均匀等原因，难以在实际生产中大量应用。磁控溅射与其他溅射技术相比，具有高速、低温、低损能等优点，即镀腹速度快、基片温升小、没有高能电子轰击基片所造成的损伤。

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离子溅射镀膜工艺适用于含金膜和化合物膜等的镀制。在各种镀膜技术中，联别沉积最适合于镀制合金膜，具体方法有三种：多靶溅射、镶嵌靶溅射和合金靶溅射。这些方法均采用直流溅射，且只适合于导电的靶材。化合物膜通常是指 由金属元索的化合物镀成薄膜镀膜方法包括直流溅射、射频溅射和反映溅射等三种。 离子溅射镀膜的应用举例如下： 用磁控溅射在高速钢刀具上镀氮化钛（TiN)硬质膜，可以显著提高刀具的寿命。由于氮化钛具有良好的导电性，可以采用直流溅射，直流磁控溅射的镀膜速度可达 300nm/min。镀膜过程中，氮化钛膜的色泽逐渐由金属光泽变成明亮的金黄色。

在齿轮的齿面和轴承上可以采用离子溅射镀制二硫化钼（MoS2 ）润滑膜，其厚度为（0.2 ～0.6μm，摩擦因数 0.04。溅射时，采用直流溅射或射频溅射，靶材是用二硫化钼粉末压制成形。 但为得到晶在薄膜，必须严格控制工艺参数。

离子溅射还可用以制造薄壁零件，其最大特点是不受材料限制，可以制成陶瓷和多元合金的簿壁零件。例如某零件是直径为 15μm的管件，壁厚 63.5μm，材料为 1O 元合金其成分为(Fe-Ni42%-Cd4%-Ti2.4 %-Al0.65%-Si0.5%-Mn4%- Cu0.05%-C0.02%-S0.008%)。先用铝捧车成芯轴，而后镀膜。镀膜后，用氢氧化n钠的水溶液将铝芯全部湾蚀，即可取下零件 。

3） 离子镀

离子键是在真空镀膜和溅射镀膜的基础上发展起来的一种镀膜技术。离子镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子，还同时受到离子的轰击，这使离子镀具有许多独特的优点。

离子镀膜附着力强、膜层不易脱落。这首先是由于镀膜前离子以足够高的功能冲击基体表面，清洗掉表面的沾污和氧化物，从而提高了工件表面的附着力。其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅射出来的基材原子，有一部分会与工件周围气氛中的原子和离子发生碰撞而返回工件。这些返回工件的原子与镀膜的膜材原子同时到达工件表面 ，形成了膜材原子和基材原子的共混膜层。而后，随膜层的增厚，逐渐过渡撞到单纯由膜材原子构成的膜层。混合过渡层的存在，可以减少由于膜材与基材两者膨胀系数不同而产生的热应力，增强了两者的结合力，使膜层不易脱落，膜层组织致密，针孔气泡少用离子镀的方法对工件镀膜时，其绕射性好，使基板的所有暴露的表面均能被镀覆。这是因为蒸发物质或气体在等离子体区离解而成为正离子，这些正离子能随电力线而终止在负偏压基片的所有边。离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，

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各种合金、化合物 、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料均可镀覆。离子镀技术己用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。如离子镀装饰膜用于工艺美术品的首饰、景泰蓝、以及金笔套、餐具等的修饰上，其膜厚仅( 1.5～2) µm。

用离子镀膜代替镀硬铬，可减少镀铬公害。(2 ～3)µm 厚的氮化钛膜可代替（20～25）µm的硬铬镀层。用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用度。试验表明，在高速铜刀具上用离子镀氮化铁， 刀具耐用度可提高(1～2）倍。也可用离子镀方法处理齿轮滚刀、铣刀等复杂刀具。

离子镀种类很多，常用的离子镀是以蒸发镀膜为基础的即在真空中便被蒸发物质气化，在气体离子或被蒸发物质离子冲击作用的同时把蒸发物蒸镀在基上。图 6.2-104 是空心阴极放电离子镀装置示意图。它是应用空心阴极放电技术，采用低电压（几十伏）、大电流（100 A 左右）的电子射入坩埚，加热蒸镀材料并使蒸发原子电离，把蒸镀材料的蒸发与离子化过程结合起来，便离子化率高达 22%～40% ，是一种镀膜效率高、膜层质量好的方法。

图 6.2-104 空心阴极放电离子镀装置示意图

1-电子束 2-电子枪 3-空心阴极 4-基板台 5-基板 6-蒸发物

4）离子注入

离子注入是将工件放在离子注入机的真空靶中，在几十至几百千伏的电压下。把所需元素的离子直接注入工件表面。它不受热力学限制，可以注入任何离

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子，且注入量可以精确控制 。注入的离子被固溶在工件材料中 ，含量可达10%～40%，注入深度可达 1µm 甚至更深。

离子注入工艺比较简单，主要工序为:开动离子注入机，调节参数以得到所需离子种类及价态稳定的离子束流，并使其具有足够的束流强度。再将工件固定在靶室内，将靶室抽到 1.3³10-4 Pa 以上的真空度，然后打开注入机与靶室之间的阀门，将调好的离子束流均匀地入射到工件表面。离子注入工艺所需控制的参数主要有：靶室真空度、束流强度、注入时间（由注入时间和流束强度可算出注入剂量）、离子种类和价态、注入机所加的电压及注入时工件的温度等。

由于离子注入本身属于一种非平衡技术，它可以形成与溶解度及扩散性无关的表面合金，可方便地制备出具有确定成分的表面合金。因此，离子注入可作为分析检验合金表面状态与各种合金成分关系的研究方法。不管基体性能如何，它 可使表面性能优化，而且可以在低温注入而不产生明显的尺寸改变。利用离子注入制造的表面合金没有粘着问题。离子注人的一个根本性缺点在于它是一个直线轰击表面的过程，不适合处理复杂的凹人的表面样品。离子注入的优点主要体现在：可超过固溶浓度的极限、可制备与扩散无关的合金、可在常温过程中使用、不牺牲整体性能、没有显著的尺寸变化、可控制注入离子的浓度与深度、可重复性好。但其也存在着诸如穿透浅、需要瞄准，以及设备与工艺费用较贷等局限性。

常规的离子注入是用带能离子本身打进材料表面的。近年来还发展出了几种新的工艺方法，如图 6.2-105 所示。反冲注入法先将希望引进的元素镀在基片上．然后用其他离子轰击镀层、使镀层元素反冲到基体中去，如图 6.2-105a 所示轰击扩散镀层与前种相似，但附有加热装置、可以同时有热扩散效应，使离子渗入更深．如图6.2-105b 所示。动态反冲法是一面将元素溅射到基片表面，一面用离子轰击镀层，如图6.2-105c 所示。离子束混合是将元素 A 和 B 预先交替镀在基片上，组成多层薄膜（每层约 10μm），而后用 Xe 离子轰击，使其混合成均匀膜层，如图6.2- 105d 所示，用此方法可以制造非晶态含金 。

图 6.2-105 几种变异的离子束注入方法

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离子注人在实际中的应用很多，如离子注入掺杂技术、离子注入成膜技术等。 离子注入掺杂技术是将需要作为掺杂元素的原子转变为离子，并将其加速到一定能量之后，注入到半导体晶片表面，以改变晶片表面的物理化学性质。实际上，这是利用具有一定能量的掺杂离子束对晶片表面进行轰击，从而在晶片表面 非常薄的一层表面层内产生离浓度的空位，使掺杂离子进行快速扩散，形成所需的杂质掺杂区域。离子注入掺杂技术广泛应用于半导体制造方面，它是用硼、磷等“杂质” 离子注入半导体， 用以改变导电型式（ P型或 N型）和制造 PN 结， 以及制造一些通常用热扩散难以获得的各种特殊要求的半导体器件。由于离子注入的数量、PN 结的含量、注入的区域都可以精确控制，所以成为制作半导体器件和大面积集成电路生产中的重要手段。

离子注入成膜技术是在离子注入掺杂技术的基础上发展起来的一种新型的薄膜制备徽细加工技术。当注入到固体的离子浓度很大以致接近基片物质的原子密度时，由于受到基片物质本身固溶度的限制，将有过剩的原子析出来。这时在 注入离子将和基片物质元素发生化学反应，形成化合物薄膜。离子注入成膜技术已在微电子技术等领域中获得应用。

离子注入改善金属表面性能方面的应用正在形成一个新兴的领域。利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，可以制得新的合金，从而改善金属表面的抗腐蚀性能、抗疲劳性 、润滑性能和耐磨性能等。如将 W 注入到低温的 Cu 靶中，可得到 W-Cu 合金；把 Cr 注入 Cu，能得到一种新的亚稳态的表面相，从而改善了材料耐腐蚀性能；在低碳钢中注入 N 、B, Mo 等，则在磨损过程中，表面局部温升形成温度梯度，使注入离子向衬底扩甜，不断在表面形成硬化层，从而提高了材料的耐磨性；在纯铁中注入 B，其显微硬度可提高20%以上；把 C+ , N+ 注入碳化钨中，可显著改善材料的润滑性能，从而大大延长其工作寿命。

14 微细超声加王

14.1 微细超声加工机理和特点

微细超声加工在原理上与常规的超声加工相似。典型的超声加工系统由振动头、悬浮液供给单元和机床本体所组成。超声加工是一种纯粹的磨蚀过程。在超声加工过程中，振动头以超过 20 kHz 的超声频率做高频振动，并将磨料颗粒挤 人脆硬材料工件中引起压痕、微裂纹而最终去除材料。Those 总结了详细的材料去除机理包括：

1) 由磨料粒子锤击工件表面引起的机械冲蚀；

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2） 由磨料粒子自由运动产生的微切屑； 3） 悬浮液的空化作用；

4） 与所用液体发生的化学反应。通过调整输入参数，实际材料的去除过程可以是上述机理之一，也可以是几种机理的复合作用。

在超声加工过程中有大量输入参数对加工的效率、表面质量、形状精度和工具损耗都有影响。这些工艺参数如下：

1) 姐声振动参数：越声援幅、超声频率。

2） 悬浮液性能参数：磨料类型、磨料粒度、悬浮液浓度、基液种类、基液的化学活性。

3） 运动参数：轴向静载荷、进给速度、工具转速。

4） 工具性能参数：工具材料、工具韧性、工具的直径和长度。 5） 工件性能参数：工件硬度、工件韧性、工件厚度、工件表面粗糙度。 微细超声加工是通过减小工具直径、磨抖粒度和超声振幅来实现的。减小工具直径也会给加工带来一些困难。首先，制作 5～300μm 这样细小的工具既非易事，也难以在超声头上安装和找正。其次，使用这么细小的工具，很容易发生损坏。最后，工具在长度方向的损耗变大，故得到固定的加工深度是很困难的。而且对于细小工具来说，加工载荷变得太小将很难设置和检测。除此之外，由于毛细效应使得悬浮液进入到工具端部与工件之间的狭小加工区域变得十分难。所 有这些因素都影响着工艺的稳定性、加工的表面质量和加工效率以及所能达到的形状精度。所以，需要一些新的理念来避免这些缺点而实现稳定的微细超声加工。

与光刻加工相比，微细超声加工既可加工出深宽比大的三维结构，又能以较小的投入进行生产，这决定了超声加工在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面的优势。超声加工除了加工尺寸微小外，与传统超声加工有相同的原理和特 征。由于传统超声加工所需振幅一般在 0.01～0.10 mm 之间，而压电或磁致伸缩的变形量很小(0.005～0.019 mm），因此必须通过变幅杆将振幅扩大。而对于微细超声加工、压电或磁致伸缩产生的振幅己能满足徽细加工的要求，因而不再 需要变幅杆。日本东京大学增泽隆久等人用超声激振的工作方式在工程陶链材料上加工出了直径最小为 5μm 的微孔。微细超声加工一般分为两步，先用线电极或块电极电火花磨削工艺制备工具，再用该工具对工件进行加工。图 6.2- 106a 是用电火花加工工艺制备的工具，图 6.2-106b 是用该工具加工的微三维结构。

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图 6.2-106 用电火花加工工艺制备的工具和微三维结构

14.2 超声加工应用

(l） 型孔、型应加工

超声加工且前在各工业部门中主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等，如图6.2-107 所示。

图 6.2-107 超声加工的型腔、型孔类型

(2） 切割加工

用普通机械加工切割脆硬的半导体材料是很困难的，采用超声切割则较为有效。图 6.2-108 为用超声加工法切割单晶硅片示意图。用锡焊或铜焊将工具 （薄钢片或磷青铜片） 焊接在变幅杆的端部。加工时喷注磨料液，一次可以切割 10～ 20 片。

图 6.2-109 所示为成批切块刀具，它采用了一种多刃刀具，即包括一组厚度为 0.127 mm 的软钢刃刀片，间隔 1.14 mm，铆合在一起，然后焊接在变幅杆上。刀片伸出的高度应足够在磨损后可作几次重磨。在最外边的刀片应比其它刀片高出 0.5 mm 切割时插入坯料的导槽中，起定位作用。 （3） 超声电解复合加工

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图 6.2-110 为超声电解复合加工小孔和深孔的示意图。工件 5 接直流电源 6 的正极，工具 3（钢丝、钨丝或铜丝）接负极，工件与工具间施加6～18 V 的直流也压，采用钝化性电解波混加磨料作电解液，被加工表面在电解液中产生阳极溶解，电解产物阳极钝化膜被超声频振动的工具和磨料破坏，由于超声振动引起的空化作用加速了钝化膜的破坏和磨料电解液的循环更新，从而使加工速度和质量大大提高。

图 6.2-108 超声切割单晶硅

1-变幅杆 2- 工具（薄钢片）3-磨料液 4-工件（单晶硅）

图 6.2-109 成批切槽（块）刀具

1-变幅杆 2-焊缝 3-铆钉 4-导向片 5-软钢刀片

(4） 超声电火花复合加工

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图 6.2-110 超声电解复合加工小孔

1-换能器 2-变幅杆 3-工具 4-电解液和磨料 5-工件 6-直流电源 7-超声发生器

超声与电火花复合加工小孔、窄缝及精微异形孔时，可获得较好的工艺效果。其方法是在普通电火花加工时引入超声波，使电极工具端面作超声振动。其装置与图 6.2-6 类似，超声声学部件夹固在电火花加工机床主轴头下部，电火花加 工用的方波脉冲电源（ RC 线路脉冲电源也可） 加到工具和工件上（精加工时工件接正极），加工时主轴作伺服进给，工具端面作超声振动。当不加超声时电火花精加工的放电脉冲利用率为 3% ～5% ，加上超声振荡后，用火花精加工时的有较放电脉冲利用率可提高到 50% 以上，从而提高生产率 2～20倍，愈是小面积、小用量加工，相对生产率的提高倍数愈多。随着加工面积和加工用量（脉宽、峰值电流、峰值电压）的增大工艺效果即逐渐不明显，与不加超声时的指标 相接近。超声电火花复合精微加工时，超声功率和振幅不宜大，否则将引起工具端面和工件瞬时接触频繁短路，导致电弧放电。

(5） 超声抛光及电解超声复合抛光

超声振动还可用于研磨抛光电火花或电解加工之后的模具表面、拉丝模小孔等，可以改善表面粗糙度。超声研磨抛光时，工具与工件之间最好有相对转动或往复移动。

在光整加工中，利用导电油石或镶嵌金刚石颗粒的导电工具，对工件表面进行电解超声复合抛光加工，更有利于改善表面粗糙度。如图6.2- 111 所示，用一套声学部件使工具头产生超声振动，并在超声变幅杆上接直流电源的阴极，在被加工工件上接直流电源阳极。电解波由外部导管导人工作区，也可以由变幅杆内的导管流入工作区。于是在工具和工件之间产生电解反应，工件表面发生电化

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学阳极溶取，电解产物和阳极钝化膜不断地被高频振动的工具头刮除并被电解液冲走。这种方法由于有超声波的作用，使泊石的自砺性好，电解液在超声波作用下的空化作用，使工件表面的钝化膜去除加快，这相当于增加了金属表面性，使金属表面凸起部分优先溶解，从而达到了平整的效果。工件表面的粗糙度可达到

Ra0.1~0.5m。

图 6.2-111 手携式电解超声复合抛光原理图

1-超声发生器 2-压电陶瓷换能器 3-变幅杆 4-导电油石

5-电解喷嘴 6-工具手柄 7-直流电源

15.1 光刻加工基本过程

光刻加工又称光刻蚀加工或刻蚀加工，简称刻蚀。当前，光刻加工技术主要应用于制作集成电路、微型机械等高精度微细线条所构成的高密度微细复杂形，是纳米加工的一种重要加工手段。光刻加工的原理近似于照相制版，其关键技术是原版制作、曝光和刻蚀。

光刻加工可分为两个阶段，第一阶段为原版制作，生成微细复杂图形的工作原版或工作掩膜，为光刻加工时用；第二阶段为光刻。

(1）工作原版制作

原版制作过程如图 6.2-112 所示．其主要工序如下。

1） 原图绘制 根据设计图样，在绘图机上，用刻图刀在一种叫红膜的材料上刻成，一般要比最终要求的图像放大几倍到几 百倍。红膜是在透明或半透明的聚酶薄膜表面上涂敷一层可剥离的红色醋酸乙烯树脂保护膜而制成。刻图刀将

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保护膜刻透后，剥去不需要的那一部分保护艘，即可形成所需红色图像构成的原图。

2）缩版、殖版制作将原因图用缩图机缩成规定的尺寸，即成缩版。缩版视原图放大倍数有时要多次重复缩小才能得到。如果要大量生产同一形状制品，可用缩图在分步重复照相机上制成多个相同图形排列的殖版。

3）工作原版或工作掩膜制作 缩版、殖版可直接用于光刻加工，但一般都作为母板保存，而是从母板复印形成复制版，成为光刻加工时的原版，称工作原版或工作掩膜（版）。

原版的制作是光刻加工技术的关键，其尺寸精度、图像对比度、照片的浓淡、深浅等都将直接影响光刻加工的质量。

图 6.2-112 原版制作过程

(2）光刻

光刻过程如图 6.2-113 所示，其主要工序如下 1）涂胶

把光致抗蚀剂（俗称光刻胶） 涂敷在半导体基片的氧化膜上的

过程称为涂胶。在涂胶之前，对基片表面进行清洗和干燥是必不可少的。光刻胶负性胶，反之为正性肢。涂胶要求薄厚均匀常用的涂胶方法有旋转（离心）甩涂、浸溃、喷涂和印刷等 ，每种方法都有专门的设备。目前应用最广泛的还是甩涂，甩胶是利用芯片的高速旋转，将多余的胶甩出去，而在芯片上留下一层均匀的胶层，通常这种方法可以获得优于 ±2% 的均匀性（边缘除外）。胶层的厚度由下式决定

FT13 （6.2-3）

2t 121

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式中，FT 为胶层厚度，ω 为角速度， 为平衡时的粘度， 为胶的密度，t 为时间。由式 (6.5-3）可见，胶层厚度和转速、时间、胶的特性都有关系，此外旋转时产生的气流也会有一定的影响。甩胶的主要缺陷有：气泡、彗星（胶层上存在的一些颗粒 、条纹、边缘效应等，其中边缘效应对于小片和不规则片尤为明显。

预处理 脱脂 抛光 酸洗 水洗 涂胶 甩胶 （浸渍） （喷涂）（印刷） 曝光 电子束 （X射线） 离子束 显影 烘片 刻蚀 （化学） 离子束 （电解） 剥离 检查 图 6.2-113 光刻过程

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2）曝光 利用光源发出的光束，经工作掩膜在光致抗蚀剂涂层上成像，即为曝光。这种曝光为投影曝光，又称为复印。从投影方式上可分为接触式、接近式、反射式等。上述的原版就是用投影曝光的。

还有一种曝光是将光束聚焦形成细小东斑，通过数控扫描，在光致抗蚀剂涂层上绘制图形，称为扫描曝光，又称为写图。这种曝光不需预制工作原版，但要设计编制扫描轨迹程序。上述两种曝光方式统称为曝光。

随着电子工业的发展，对精度要求更高的精细图形进行光刻时，其最细的线条宽度要求到 1μm以下，紫外光已不能满足要求，需采用电子束、远紫外线（准分子激光）、离子束或 X 射线等曝光新技术。电子束曝光可以刻出宽度为 0.25 μm的细线条，表 6.2-19 为不同曝光方式的比较。

表 6.2-19 不同曝光方式的比较

曝光方式 分辨率 光源 波长 接触式 1μm 汞灯 436nm/405nm/365nm 光刻胶 UV光刻胶 步进投影式 130nm 准分子激光器 248nm/193nm /157nm DUV或 VUV光刻胶 掩膜 深度光刻 铬/石英 正胶 100μm 负胶 100μm 价格（美元） 10～20 万 100～500万 装置为 700万 存储环为 2000万 200～500万 X射线光刻胶 或UV光刻胶 电子束光刻胶或UV光刻胶 直接写 表面光刻 直接写 表面光刻 X射线 可达 50nm 同步辐射源 0.1～30nm 电子束 可达 20nm 电子束 离子束 可达 20nm 离子束 铬/石英（4:1） 钨、坦、氮化硅 表面光刻 500μm 左右

3）显影与烘片 ① 显影

曝光后的光致抗蚀剂，其分子结构产生化学变化，在特定溶剂或

水中的溶解度也不同，利用曝光区和非曝光区的这一差异，可在特定溶剂中把曝光图形呈现出来，这就是显影。

② 烘片

有些光致抗蚀剂在显影干燥后要进行 200℃～300℃的高温处

理，使它发生热聚合作用，以提高强度，成为烘片。

③ 刻蚀

利用化学或物理方法，将没有光致抗蚀剂部分的氧化膜去除，称

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之为刻蚀。刻蚀的方法很多，有化学刻蚀、离子刻蚀、电解刻蚀等。其中常用的是化学刻蚀法，即采用化学溶液对带有光致抗蚀剂层的衬底表面进行腐蚀。常用 的化学腐蚀液见表 6.2-20。

表 6.2-20 常用的化学刻蚀

被刻蚀材料 铝(Al) 金（Au） 铬（Cr） 二氧化硅（SiO2) 硅（Si） 铜（Cu） 镍铬合金 氧化铁 刻蚀液成分 质量分数在80%的磷酸 碘化铵加入少量碘 高锰酸钾：氢氧化钠 ：水=3g：1g：100mL 氢氟酸：氟化铵：去离子水=3mL：6g：100mL 发烟硝酸：氢氟酸：冰醋酸：水=5;3:5:0.06(体积比） 三氯化铁溶液 硫酸铈：硝酸：水=1g：1mL：10mL 磷酸+铝（少量） 刻蚀温度/℃ ≈80 常温 ≈60 ≈32 ≈0 常温 常温 常温

刻蚀不仅是沿厚度方向，而且也可以沿横向进行，称之为侧面刻蚀，如图 6.2-114 所示。若以表示侧面刻蚀量 ，以h表示刻蚀深度，则刻蚀系数

Cfh/。侧面刻蚀越小，刻蚀系数越大，制品尺寸精度就越高，精度稳定性也越好。由于有侧面刻蚀现象，使刻蚀成的窗口比光致抗蚀剂窗口大，因此在设计时要进行修正。

双面刻蚀比单面刻蚀的侧面刻蚀量明显减小，时间也短，当光刻贯通窗口时多采用双面刻蚀（图 6.2-114b）。

图 6.2-114 侧面刻蚀现象

5）剥膜与检查

① 剥膜 用剥膜液去除光致抗蚀剂的处理称为剥膜。

② 检查 剥膜后，将工件洗净、修整，进行外观、线条只寸、间隔尺寸、断

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丽形状、物理性能、电学性能等质量检查。 15.2 紫外光刻

目前占光刻技术主导地位的仍然是紫外光刻，接波长可分为紫外、深紫外和极紫外光刻。按曝光方式可分为接触／接近式光刻和投影式光刻。接触／接近式光刻通常采用汞灯产生的孤5～436nm 的紫外波段，而投影式光刻通常采用准分子激光器产生的深紫外（248nm）和极紫外光 (193nm 和 157nm）。

(1） 接触／接近式光刻 接触／接近式光刻是发展最早，也是最常见的曝光方式。它采用 1:1 方式复印掩膜版上的图形，这类光刻机结构简单,价格便宜，发展也较成熟，缺点是分辨率不高，通常最高可达 1μm 左右。此外由于掩膜板直接和光刻胶接触，会造成掩膜版的沾污。

(2） 投影式光刻 投影式光刻机在现代光刻中占主要地位，据调查显示，投影式光刻机约占整个光刻设备市场份额的 70% 以上。其主要优点是分辨率高，不沾污掩膜版，重复性好，但结构复杂，价格昂贵。投影式光刻机又分为扫描式初步进式，扫描式采用 1 :1 光学镜头，由于扫描投影分辨率不高，约 1μm 左右 ，加之其掩膜制备困难．因此20世纪80年代中期后就逐步被步进投影光刻机所取代。步进投影光刻机采用缩小投影镜头，一 般有4:1、5:1、10:1 等。 15.3 粒子束光刻

常见的粒子束光刻主要有 X 射线、电子束和离子束光刻。 (1) X 射线光刻

X 射线光刻技术同光学曝光相比，X 射线有着更短的波长，因此有可能获得分辨率更高的图形，目前被认为是 100nm 线条以下半导体器件制造的主要工具。它具有以下优点：①景深容易控制；②视场大 可达到 50mm x 50 mm）；③X 射 线对光刻工艺中的尘埃不敏感，因此成品率较高。

由于 X 射线的波长很短 （通常为 0.1～30μm），曝光时的衍射和散射几乎可以忽略不计，因此可得到较高分辨率的图形。X 射线穿透力很强，目前多数的光学系统不能对它进行反射或折射，因此多采用接近式曝光。X 射线光刻要进入实用化还有大量实用技术问题需要解决 ，如 X 射线源、曝光机、掩膜、抗蚀剂、工艺、放大倍率校正等。在现有的 X 射线源中，同步辐射提供了最高的功率输出，是目前应用较菁遍的X 射线源，但同步辐射源建造成本高昂。

(2） 电子束光刻 电子束曝光技术是迄今为止分辨率最高的一种曝光手段，电子束光刻的优点是：①分辨率高；②不需要掩腹；③不受像场尺寸限制④真空

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内曝光，无污染：⑤囱计算机控制，自动化程度高。

目前已研制出多种电子束纳米曝光技术，如扫描透射电子显微镜 （STEM）、扫描隧道显微镜（STM）、圆形束、成形束、投影曝光、微电子光柱等。其中STM 的空间分辨率最高，横向可达 0.1nm，纵向优于 0.01nm ，但由于电子束入射光 刻胶和衬底后会产生散射，因而限制了实际的分辨率（即邻近效应）。目前电子束曝光技术中的主导加工技术为圆形电子束和成形电子束曝光。成形电子束目前 最小分辨率一般大于 100nm，圆形电子束的最高分辨率可达几个纳米。电子束光刻采用直接写的技术，在掩膜版的制备过程中占主要地位。

(3） 离子束光刻

离子束光刻和电子束光刻较类似，也是采用直接写的技术，由于离子的质量比电子重得多， 因此只在很窄的范围内产生很慢的二次电子，邻近效应可以忽，可以得到更高分辨率的图形（可达 20nm）。同样能量下，光刻胶对离子的灵敏度也要比电子高数百倍，因此比电子束更实用于作光刻工具。但离子束也有一些缺点，如不能聚焦得像电子束一样细，此外，由于质量较重，使得曝光深度有限，一般不越过 0.5μm。

离子束光刻目前主要应用于版的修复，光学掩膜在制作过程中难免会产生一些缺陷，特别是现在的线条越来越细，这些缺陷就更是不可避免。利用聚焦离子束的溅射功能可将版上多余的错斑去掉，也可在离子束扫描过程中，通人一定的化学气体，将碳或鸽沉秧在版上，修补版上不必要的选光斑，提高版的成品率。此外离子束光刻引人的离子注入效应又带来一些新的未知因数，离子束光刻目前还处于研究当中。 15.4 光刻胶

光刻胶呈现多面化发展的趋势，以适应不同应用的需要，如常规的 UV 光刻胶、深紫外光刻胶、X 射线光刻胶、电子束光刻胶及用于深度光刻的光刻胶等。但有一个共同的局势就是分辨率和灵敏度越来越高。

光刻胶分为正胶和负胶，一般认为负胶的分辨率较差，但现在有一些负胶采用碱性显影液也可复印出与正胶有相似精度的亚微米图形而不产生脏的膨胀。而通常正腔比负胶的灵敏度低，所需的曝光量是负胶的若干倍。预计光刻胶的灵敏 度极限约为 10 µJ/cm2 极限分辨率可达 10nm。

(1) UV 光刻胶

UV 光刻脏的发展已非常成熟，通常正胶比负胶分辨率高，而负胶比正胶的

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灵敏度高。现有多种规格的正胶或负胶供选择，常见的如 AZ 系列、PMWA、SU-8、TOK PMER P-LA900PM、Ship-key的 U/SP 系列等。其中，SU-8 胶是一种化学放大负胶，对紫外透明，曝完光后会产生一种酸性物质。显影前需要进行烘烤，烘烤过程中，由于酸性物质的催化作用，使得胶层的溶解特性发生改变，因此该胶具有很高的灵敏 ，常用于深度光刻。

(2) DUV 和 VUV 光刻胶

普通的光刻胶对深紫外和极紫外光不敏感，因此需要专用的深紫外或极紫外光刻胶，一般准分子激光器的输出功率较低，仅为10～20 W（汞灯功率一般为几百瓦．甚至可达一千瓦），这对光刻胶的灵敏度也提出了更高的要求。目前采用 248nm 光源的步进光刻机应用比较广泛，光刻胶也较成熟；193nm 的光刻胶也正处于发展阶段；而 157nm 的光学系统、掩膜和光刻胶都还有很多问题需要解决，目前尚处于研究阶段。

(3）其它光刻胶

X射线光刻既可采用普通的 UV 光刻，如 PMMA 等，也可采用专门的 X 射线光亮刻胶，日本 NTT公司研制的 X 射线负胶的灵敏度已做到 120µJ/cm2，正胶做到 90µJ/cm2。虽然普通光学抗蚀剂也对电子敏感，但它的分辨率和灵敏度对于电子束光刻来说并不理想，电子束光刻胶要求很高的分辨率和灵敏度，目前 PMMA 电子束光刻胶灵敏度可达几十µJ/cm2。 15.5 深度光刻技术

深度光刻也是目前研究比较热门的一项技术，以前的光刻都只限于表面光刻，胶层厚度仅 为 1 间，左右，现在由于一些特殊的应用，如离子刻蚀，剥离，三维微机械和 LIGA 工艺等，需要制备几十甚至几百微米厚的胶层。由于焦探的原因，深度光刻通常都采用接触／接近式光刻。 光源目前主要为紫外光和 X 射线，紫外光目前正胶可做到 100μm左右厚度，再厚就很难曝透。负胶灵敏度高甚至可以做出 600μm，50μm 宽的图形，只是曝光时间较长。X 射线是今后深度光刻发展的方向，用于深度光刻的 X 射线一般需采用 0.1～0.4nm 范围内的硬 X 射线，这个波段的硬 X 射线穿透力较强，可使深层的光割胶感光，X 射线可光刻出 500μm 左右厚度的图形，曝光时间也较长。此外硬 X 射线穿透力较强，对掩膜的吸收层厚度也有定要求。

深度光刻对分辨率的要求不高，通常只要求做到却 20～ 50 µm 左右的分辨率，但要求较高的深宽比。如果既要求一定的厚度，又要求较高的分辨率，这

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在工艺中是很难实现的，例如要在 10μm 厚的胶层上刻出 0.2μm 的线条，就相当于要在 1µm 厚的胶层上刻出 0.2μm 的线宽。

16 LIGA 和准 LIGA 工艺

16.1 LIGA 工艺特点

LIGA 是德语 Lithograph Galavnformung Abformung的简称，LIGA 技术是用同步辐射 X 光源进行 X 射线深层光刻、微电铸和微复制，用三种工艺来加工三维徽结构，LIGA 就是这三种工艺的德文缩写。LIGA 技术目前被认为是微机械加工的一个极为重要的发展方向，有着良好的发展前景。用 LIGA 技术可制成为有自由振动及转动或具有其他动作功能的微结构。因此，它已经变成生产微机械、微流体和微光学元件最有前途的微制造技术。国际上十分重视 LIGA 技术的研究。欧洲、美国及亚洲等均开展了大量的研究工作，特别是欧洲对 LIGA 技术投入了相当强的力量，取得很大进展并继续保持领先地位。威斯康星麦迪逊大学电气工程学教授 Henfy Guckel 很早也展开了 LIGA 技术方面的研究，研制出直径 (50- 200）μm、厚度（200～300）μm的镍质齿轮组，并组装到一起形成了齿轮系。目前应用 LIGA 技术已经研制出了微喷嘴、微电机、微型光谱仪及光纤联接器等。其中，直流电机、光纤联结器等已形成产品并批量生产。我国自 92 年 开始开展 LIGA 工艺技术的研究，几年来已取得了显著成果。

与传统微细加工方法相比，用 LIGA 技术进行超微结构的微细加工具有如下特点。

(1） 可以制作具有很大纵横比的微结构、精度离。

由于 UGA 技术所使用的同步辐射 X 射线的穿透为极强，因此可以制作具有很大纵横比的微结构，纵向尺寸可达数百微米，最小横向尺寸为 1μm；由于同步辐射 X 射线的波长短、分辨率高，因此制作精度极高 ，尺寸精度可达亚微米 级：由于同步辐射 X 射线的高指向性，LIGA 技术适合于制作垂直结构。所加工结构在整个高度上可保持极高的宽度一致性，结构侧壁平行度在亚微米级，这样的结构用其他的方法是难以实现的，这样的精度也为后续的塑铸工艺的脱模提供 了良好的保证。

(2） 取材广泛

LIGA 技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，可以制造由各种金属材料如镍、铜、金、镍钴合金以及塑料、玻璃、陶瓷等材料制成的微机械。因此，较硅材料的加工技术有了一个很大的飞跃。

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(3） 可以制作任意复杂的图形结构

由于结合了掩膜转印技术 ，因此 LIGA 技术适合于制作平面图形复杂的三维结构。这一特点是硅微细加工技术所不具备的，因为硅微细加工采用各向异性刻蚀，硅晶体沿晶轴不同方向的溶解速度不同，从而在硅晶体中生长的结构不可能是任意的，用 LIGA 制作的微结构，其二维平面内的图形可以任意设计，徽结构的形状只取决于所设计的掩膜。

(4） 可重复复制，具有大批量生产的特性由于结合了模具成形技术，LIGA 技术为微结构的廉价制造提供了可能，具有大批量生产的特性，成本低，价格便宜。 16.2 LIGA 的基本工艺过程

LIGA 技术是一种使用 X 射线的深度光刻与电铸相结合，实现高深宽比的微细构造的成形方法。UGA 技术主要包括深层 X 射线光刻、电铸成形和塑注成形三个工艺过程。下面结合图6.2-115 简介 LIGA 的基本工艺过程。

图 6.2-115 LIGA技术的典型工艺

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(1) 深层同步辐射 X 射线光刻

LIGA 技术之所以能实现高深宽比的三维微结构，其关键是深层光刻技术。深 X 射线光刻是 LIGA 工艺的第一步，即在基片上显影成一层厚度为几百微米的 X 射线抗蚀剂层（一般为使聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA，其是正性光刻胶，有很好的透光性），在其上方遮蔽一片由吸收 X 射线的物质制成的掩膜。利用同步辐射 X 射线透过掩膜对固定于金属基底上的抗蚀荆层进行曝光。然后将其显影制成初级模饭。由于被爆光过的抗蚀剂将被显影除去，所以该模板即为掩覆盖下的未曝光部分的抗蚀荆层，它具有与掩膜图形相同的平面几何图形。

为了实现高深宽比、纵向尺寸达到数百微米的深度刻蚀，并且侧壁垂直、光滑，一方面需要高强度、平行性很好的光源，这样的光源只有用同步加速辐射的方法才能得到，即同步辐射 X 光；另一方面要求用于 LIGA 技术的抗蚀剂必须 有良好的分辨力、机械强度、低应力，同时还要与基片粘附性好。然而 PMMA 有其本身的吸收性和热学特性的局限，其低灵敏度是一个尤其严重的问题 这将影响生产效率。因此需要尽可能地增大同步加速器的辐射能量。为了减小光刻过程 的成本费用，主要方法是使用具有更高能量的质子，达到 MeV 量缀。由于增加了 X 光的穿透能力，同样的时间内可以使更多的光刻胶曝光。另一个减小光刻成本的方法就是用开发使用灵敏度更高的光刻胶。

采用微电极沉积等技术可在电绝缘的光刻胶缝隙中制造一个如铜、金、镍及镍合金等材料的互补金属结构。在这一步骤中，无论是树底本身还是金属层均可作为金属沉积的导电底板。光刻胶去除后，电铸的金属结构本身既可作为是终产 品使用，也可作为批量产品的铸塑模具。在制造铸塑模具时，金属的沉积直到金属层扩展到光刻胶结构的上方为止，形成延续层及将所有脆弱微结构结合在一起的固态板。采用铸塑模具，通过铸塑、反应塑铸或热模压加工的方法可制造出无 数的塑料复制品。这些微结构具有较高的精度和较低的成本。这种复制技术除可使用 PMMA 外，还可使用 POM 、PEEK 、PVDF 、PSU 和 PC 等聚合物材料。

(2） 电铸成形

电铸成形是根据电镀原理，在胎模上沉积相当厚度金属以形成零件的方法。胎模为阴板，要电铸的金属作阳极。

按照电铸的电流方式可为直流和脉冲电铸两类。与直流电铸相比，脉冲电铸能改变金属离的电沉积过程，脉冲电铸可通过控制波形、频率、通断比及平均电流密度等参数，使电沉积过程在很宽的范围内变化，从而在某种镀液中获得具有

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一定将性的镍层。

在 LIGA 技术中，在初级模板（抗蚀剂结构）模腔底面上利用电镀法形成一层镍或其他金属层，形成金属基底作为阴极，所要成形的微结构金属的供应材料 （如 Ni，Cu ,Ag）作为阳极。进行电铸，直到电铸形成的结构刚好把抗蚀剂模板的型腔填满。而后将它们整个浸入剥离溶剂中。对抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥离，剩下的金属结构即为所需求的微结构件，该结构件即为注塑成形的二级模板。用闸板将模版覆盖，闸板有穿透的喷射孔，以便注入聚合物到排空的容器内。喷射孔位于结构自由空间的上方，低粘滞度的聚合物充满模板内的小空间。待聚合物变硬后，塑性结构与闸板在喷射孔处形成牢固的连接，使得塑性结构可以从模板中提出。按此方法可重新制作塑性结构。

(3） 注塑成形

将塑性材料注入电铸制成的金属微结构二级模板的模腔，形成微结构塑性件，从金属模中提出。也可用形成的塑性件作为模板再进行电铸， 利用 LIGA 技术进行三维微结构件的批量生产。 16.3 准LIGA 技术

LIGA 技术虽然具有突出的优点，但是它的工艺步骤比较复杂，成本费用昂贵。为了获得 X 光源，需要复杂而又昂贵的同步加速器，而这只能在一些大的研究机构里才能得到，用于 X 光光刻的掩膜板本身就是 3D 徽结构。需要先用 LIGA 技术制备出来，费时又复杂；可用的光刻胶种类少。这使得 LIGA 技术的发展在一定程度上受到限制，阻碍了它工业化应用的进程。为此，人们开展了

系列准 UGA 技术 （又称为 UGA 技术的变体） 的研究，即在取代昂贵的X 光

源和特制掩膜板的基础上开发新的三维微加工技术，其中有紫外光（UV) LIGA、深等离子体刻蚀、 激光 LIGA 等。例如用紫外光光刻方法代替同步辐射 X 射线深层光刻，然后进行后续的微电铸和注塑过程，不需要昂贵的同步辐射光源和特殊的 LIGA 掩膜饭。又如用感应调会等离子体( ICD:Inductively Coupled Plasma） 刻蚀设备进行高深宽比塑料或硅刻蚀后，从硅片上直接进行微电铸，得到金属模具后，再进行微复制工艺，就可实现微机械器件的大批量生产。利用此技术既可制造非硅材料高深宽比的微结构，又有与微电子技术更好的兼容性。

与 UGA 技术相比（见表 6.2-21 所示，准 LIGA 技术虽然能简化操作、大大降低成本费用，但却是以牺牲高准确度、大深宽比为代价；紫外光厚胶光刻可达到毫米量级，但深宽比不超过 20；等离子体刻蚀深宽比较大，但是一般深度

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不超过 300μm；激光LIGA 技术加工的准确度，在 一定程度上受聚焦光斑的影响。因此准 LIGA 只适用于对垂直度和深度要求不太高的微结构的加工。

( l ) UV-LIGA

该技术使用紫外光源对光刻胶曝光，光源来自于汞灯，所用的掩膜板是简单的铸掩膜板。其原理步骤如图 6.2-116 所示。

图 6.2-116 UV-LIGA工艺原理

图 6.2-21 LIGA与准LIGA技术的主要特点 特点 光源 掩膜版 光刻胶 高宽比 胶膜厚度 生产成本 生产周期 壁垂直度 最小尺寸 加工温度 加工材料 LIGA技术 同步辐射X光（波长为0.1～1nm) 以 Au 为吸收体的X射线掩膜版 常用聚丙烯丙烯酸甲酯（PMMA） 一般≤100，最高可达500 几十微米至1000μm 较高 较长 可大雨89.9° 亚微米 常温至50℃左右 多种材料、陶瓷及塑料等材料

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准LIGA技术 常规紫外光（波长为350～450nm） 标准 Cr 掩膜版 聚酰亚胺、正性和负性光刻胶 一般≤10，最高可达到30 几微米至几十微米。最高可达到300μm 较低，约为前者的1/100 较短 可达85° 1至数微米 常温至50℃左右 常温至50℃左右 133 西南科技大学城市学院课程设计

该工艺分为两个主要的部分：厚胶的深层 UV 光刻和图形中结构材料的电铸。其主要困难在于稳定、陡壁、高精度的厚脏模的形成。对于 UV-UGA 适用光刻胶的研究，做得较多的是 SU-8胶。SU-8 胶是一种负性胶，即曝光时，胶中含有的少量光催化剂（PAG）发生化学反应，产生一种强酸，能使 SU-8 胶发生热交联。SU-8 胶具有高的热稳定性，化学稳定性和良好的力学位能，在近紫外光范围内光吸收度低，整个光刻胶层可获得均匀一致的曝光量。因此，将 SU-8 胶用于 UV-LIGA 中，可以形成图形结构复杂、深宽 比大、侧壁陡峭的微结构。其不足之处是存在张应力，以及烘烤量大时在工艺的后段难以除去。

UV-LIGA 技术也可以采用了商品化的 AZ4562 光刻胶。该光刻胶粘性大、透过性好，涂胶厚度可以达到 10Oµm。厚胶的烘烤工艺要求很严格，它将决定结构图形的最小特征尺寸和最大深宽比。烘烤温度和时间取决于光刻胶的厚度。但是为了获得无龟裂的光亮刻胶，其温度一般不能超过 120℃。

镍铸塑模具可用 W 光刻技术加工，镍铸塑模具可用于热模压加工或注入成型制作的聚合物微结构的工艺中。对于使用者来说，这种工艺具有周期短和可用商积大的优点。铸塑模具的最大尺寸是：圆形 120mm ，矩形应用领域可

8585mm 涉及毛细流体器件、芯片实验室及光波导等。最终的铸塑模具的最小

结构分辨率为 5μm , 结构高度 10～100μm，最大纵横比为 3.5。

(2） 深等离子体刻蚀 （deep plasma etching)

深等离子体刻蚀一般是选用 Si 做为刻蚀微结构的加工对象，也即高深宽比硅刻蚀，它有别于 VLSI 中的硅刻蚀，因此又称为先进硅刻蚀工艺。它采用的感应耦合等离子体源系统，与传统的反应离子刻蚀 （RIE）、电子回旋共振（ECR) 等刻蚀技术相比，有更大的各向异性刻蚀速率比和更高的刻蚀速率，且系统结构简单。由于硅材料本身较脆，需要将加工了的硅微结构作为模具，对塑料进行模压加工，再利用塑料微结构进行微电铸后，才能用得到的金属模具进行微结构器件的批量生产。或者接步从硅片上进行微电铸，获得金属微复制模具。

(3） 激光 LIGA

此工艺是光刻胶直接用脉冲 UV 辐射刻蚀， 三维结构或者是在光刻胶表面使用扫描光束、或者是透射掩膜来形成。受激准分子激光器用的是气态卤化物，脉冲间隙为 10～15 ns，能够产生每平方厘米数百焦耳的光束。由于波长小于 250nm 时，光刻胶等有机物材料就可以被融化，故通常所用的两个激光波长是 248nm（氟化氪）和 193nm（氟化氩）。每一个激光脉冲可以腐蚀 0.1～0.2μm，

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无需重调镜头焦距系统，就可以剥离几百微米深。该方法有许多优点。首先，它 不象 UV 光刻那样在深度上受限制，因为曝光后的材料在下一个脉冲到来之前都被除去。其次，利用改变扫描速度和光束形状或者用在一个发射系统中的变速传动掩膜方法，可以在光刻胶中形成复杂的三维结构。第三，大范围的聚合体材料 可以剥离，增加了多级加工技术和与其它微工程 技术集成的可能性。 16.4 LIGA 和准 LIGA 微细加工应用

(1）移动掩膜 LIGA

从 LIGA 的工艺原理可以看出，用 X 射线制版法加工杭蚀剂所得到的深度取决于曝光盘，即取决于积聚的 X 射线能量的分布。在曝光的过程中，如果以一定的速度移动掩膜，就可以使抗蚀剂中各处积聚的 X 射线能量具有所要求的分布控制这种积聚能量的分布，就有可能得到任意倾斜的侧壁。侧壁的倾斜角度取决于掩膜相对于加工深度的振动幅度，因此，只要预先掌握了积聚能量的分布与加工深度之间的关系，就可以加工出所需要的倾斜角。图 6.2-117 绘出了掩膜在一个方向以一定速度作振动的例子。如果使掩膜作二维运动，并且改变移动的速度，就可以加工出曲面，从而制作出具有台形结构和锥形结构的制品。对该方法进行进一步的研究，就有可能制作出更加复杂的微三维结构。事实上，在实际应用中，为了便于把已经成型的塑料成品从模具中取出来。也需要有一定的锥度。因此，移动掩膜这种方法对于 LIGA 的实际应用具有十分重要的意义。

图 6.2-117 用移动掩膜 LIGA 进行深度加工的原理图

(2）平面图形—断面转印 （PCT)

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为了用 PLGA 技术制造出所希望的三维结构， 需要用到其 X 射线吸收层的平面图形同三维结构的断面形状相似的 X 射线掩膜。当进行 X 射线曝光时，可以使抗蚀剂层相对于此 X 射线掩膜沿一定方向移动，并且根据 X 射线掩膜上 X 射线吸收层图形的开口面积比的不同来选择不同的曝光量，以此来控制 X 射线在抗蚀剂层断面方向积聚能量的二维分布。把经过这种方式曝光的抗蚀剂显影以后，就可以得到具有所需断面形状的微结构。上述的这种加工方法叫做平面图形 一断面转印法（PCT: Planepattem to Cross-section Tranfer）。PCT 所使用的抗蚀剂是同 LIGA 中一样的PMMA。 PMMA 开始显影时的 X 射线积聚能量一般阈为〔1～2) kJ/cm3 ，而且此阈值界限分明，十分稳定，比较容易设计断面的形状。可以直接按照所需微结构的断面形状来设计 X 射线掩膜上的 X 射线吸收层的形状。如果在一个方向移动抗蚀剂层以后再转过卯。向着与之垂直的方向移动，进行二次曝光，就有可能得到自许多针状结构物排列起来的阵列。PCT 加工的典型特点，就在于能够预先在掩膜上设计出所希望的制品的断面结构。

(3）微齿轮制作

由于微小齿轮的结构相对简单，而且应用面极广，因此德国、美国等科学家在进行 LIGA 技术的基础研究时大多从微齿轮的制作开始。目前已可制作出能够相互啮合的渐开线齿形的齿轮。研究表明，LIGA 技术可以自由地进行二维设计， 并且在设计时能够进行计算机优化，精确度可以达到亚微米级。图 6.2-118是德国学者用 LIGA 和准 LIGA 技术制作的微齿轮系。

Karlsruhe 研究中心与 Sumitomo Industry 公司合作开发并制作了一个直径为 2nm 的微型摆线齿轮传动装置，它是由 UGA 技术多次曝光实现的。整个传动系统包括 1 个套管及 3 个垂直堆积的副盘和齿轮（图 6.2-119）。第一水平面高度为 40μm，由 UV 光刻制作；第 2 个与第 3 个平顶分别高度 195μm 和 250μm，由需要对准的深 X 射线光刻制作。测得的两个 DXL 层的对准误差为±5μm。在高度控制工艺中，表面机械加工的相对于 UV 光刻水平丽的结构高度偏差在 ±3μm 范围内，对 DXL 水平面偏差为 ±10μm

(4） 大纵横比微结构的制作

作为一种实用的微细加工手段，UGA 工艺的一大突出特性就是可以完成大纵横比微结构的制作。图 6.2-120 是日本学者用 UGA 技术完成的部分徽结构制作 ，其中图 6.2-l20a 是制作的 Ni 金属模具，它的离度为 15μm，线宽为 0.2μm，纵横比为 75 ，图 6.2- l20b 是用 LIGA 技术制 Ni 掩膜照片，其高

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度为 200μm，线宽为 2μm， 纵横比为 110；圈 6.2-120c是在 PMMA 上得到的 厚度为 200μm 微结构照片。

（a)用 LIGA 工艺

（b）用准 LIGA 工艺

图 6.2-118 用 LIGA 和用准 LIGA技术制作的齿轮轮系

(5）微传感、致动机构的制作

微传感器和微致动器的性能很大程度上取决于其敏感辑件的灵敏度，而敏感器件则大多为大纵横比的微悬臂结构，这正是 LIGA 技术的加工特长。图6.2-121是德国学者用 LIGA 技术制作的部分微传感器和微致动器结构。可以看出应用LIGA 技术已经能够制作除结构相当复杂的微系统结构。

(6）微动力装置的制作

LIGA 技术的实用化和普及应用，除了能制作大纵横比的微结构零件外，更为重要的将体现在与其他技术相结合戈如微装配技术、牺牲层技术等，从而制作出可动的微动力装置来。为此，包括中国在内的世界各国学者进行了大量的研究工作。如德国的卡尔斯鲁厄研究所制作的静电式微电机，其中心轴轴径为4.8μm，转子有 56 个齿，直径为 267μm。美国 Wisconsin 大学用牺牲层与 LIGA 技术

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相结合制作的电磁电机，6个电极中两个相对的电极的线圈相连组成德一相的定子线圈，其转子直径为 150μm，三个齿轮直径分别为 77μm 、100μm150μm，该微电机在空气中转动时，转速可达33000r/min。

图 6.2-119 由多次曝光的 X 射线光刻与UV光刻相结合而完成的

微型齿轮摆动传动系统

图 6.2-120 用LIGA制作的部分微结构

图 6.2-121 用LIGA制作的部分微传感器和微制动器

图 6.2-122a 是德国学者用准 LIGA 技术制作的磁力驱动微涡轮，其中心轴为 50μm 厚 Ni 材料，转子为厚度为 40μm，直径400μm NiCo 材料。图6.2-122b 是中国科技大学用 LIGA 结合微装配技术制作的金属 Ni 微流量计，其活动微齿 轮高 230μm、半径为200μm，中心轴半径为 80μm，间隙为 10μm。在气流作用下，齿轮能平稳地转动，其转速可以通过控制气流的大小来调节。微齿轮转速在 （30～60)r/min 时，可以平稳转动换算成流量量程为 15～3 µl。

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图 6.2- 123 是美国学者用准 LIGA 工艺在分布了简单的电路的硅片上制作的环形微陀螺仪。其制作过程为：在已图形化的导电牺牲层上涂上高密度、高透明度的光刻胶，光刻成模子，然后再电铸上金属 Ni 后，去掉光刻胶模和牺牲层，制成具有可动部分（环、支撑条） 和固定部分（电极、支撑点）的微陀螺仪结构。图 6.2- 123b 是光刻胶电铸模的部分放大照片。环的直径为 1mm，宽为 5μm，厚为 19μm。该陀螺仪的分辨率在带宽 1OHz 时为 0.5°/s，通过改进电路及所用的材料等措施，可望提高到带宽 50 Hz 时为 0.5°／s

图 6.2-122 用 LIGA 方法制作的部分微装置

图 6.2-123 用准 LIGA 方法制作的环形微陀螺仪

此外，LIGA 技术还在光纤通信等众多领域中开始进入应用阶段。如用 LIGA 技术制作的光纤夹可以使衬底上的对准结构的热膨胀系数因子和光纤央保持一致，从而可以减少热膨胀对对准精度的影响，提高藕合效率。事实上，数据传输系统多支光纤的网络中，需要用到多种无源器件，而其中的波导结构均可以用 LIGA 技术制作。

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(7) LIGA 与微细电火花加工技术结合制造纤金属微结构

微细电火花加工技术在金属材料的微细加工中发挥了重要作用，但微细电极，尤其是微小成型电极的制备却相当困难，一直是制约该技术广泛应用的瓶颈问题。由于 LIGA 技术的批生产特性，可以用其制作复杂形状金属成形电极，从而大大拓宽微细电火花加工技术的加工能力和应用领域。将两种或两种以上的微细加工技术进行有效的集成，充分发挥各自的技术特点，将是未来微细加工技术发展的必然趋势之一。

LICA 与微细电火花加工技术相结合的复合加工技术的基本过程为（如图6.2-24 所示）：

图 6.2-124 基于SU-8 光刻工艺准LIGA-Micro EDM 组合加工工艺路线 1) 利用具有所需图形的对光刻胶进行同步辐射深度曝光； 2） 显影，得到导电光刻胶基板上的微结构； 3） 在光刻胶微结构中电铸金属铜 ； 4） 表面磨抛后去胶，得到金属铜工具电极； 5） 利用该工具电极在电火花加工机床上加工工件。

图 6.2-125a 为中科院高能物理研究所用 LIGA 技术获得的 Y 字形金属铜电极，其厚度为 7309μm，线条宽 909μm，且侧壁陡直；

图 6.2-l25b 为在电火花成形加工机床上加工的厚度为 1509μm 的不锈钢

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工件。

图6.2-126 是日本学者用 LIGA 技术制作出电火花加工用的微细成形电极，然后再用制作出的电极进行微细电火花加工实例。由于在加工衬底一次制作出的是批电极，因此，用此电极一次就可以加工出一批工件。图 6.2-l26a、b 是用此制作出的 2020的圆柱电极阵列以及用此电板在厚为 509μm 的不锈钢片上加工出的微细阵列孔，每根电极的直径为 20μm，材料为铜，加工后孔的直径为30m~32m之间：图 6.2-l26c、d 是用此方法制作出的成形电极，以及用此成形电极加工出的工件照片。

图 6.2-125 LIGA 与 EDM 结合制造金属微结构

（a）LIGA制作的电机阵列 （b）加工为空这列 （c) LIGA制作的成形电机

（d）加工出的微小件

图 6.2-126 LIGA 与 EDM 结合批量制作微小结构

（8) UV-LIGA 技术在模具中的应用

上海交通大学微纳科学技术研究院应用 UV-LIGA 技术成功地制备出 SU-8

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胶双层齿轮模具和加金属镍双层齿轮模具，如图 6.2-127 所示，大齿轮厚度为 200μm，分度圆直径1.19 mm，齿数 20，模数 0.095 mm，小齿轮厚度为 300μm，分度圆直径 1.0 mm ，齿数 8，模数 0.125 mm。

（a）光刻胶双层为齿轮阴膜 （b）光刻胶双层微齿轮模具

（c）金属镍双层为齿轮模具 （d）金属镍双层为齿轮

图 6.2-127 光刻胶和金 图 6.2-127 光刻胶和金

属镍双层微结构电镜照片 属镍双层微结构电镜照片

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参 考 文 献

1 王润孝，史兴宽，康仁科，苑伟政等编著．先进制造技术导论．北京：科学出版社，2004

2 胡耀志编著．机电产品微细加工技术与工艺．广州：广东科技出版社 ，1993 3 苑伟政，马炳和编著．微机械与微细加工技术．西安：西北工业大学出版社，2000 4 王先遣主编．精密加工技术实用手册．北京： 机械工业出版社，2001 5 胡传主编．特种加工手册．北京：北京工业大 学出版社，2001 6 余承业等编著.特种加工新技术．北京国防工业出版社，1995 7 张建华主编．精密与特种加工技术．北京：机械工业出版社，2003 8 袁哲俊，王先遣主编. 精密和超精密加工技术．北京机械工业出版社，1999 9 王振龙主编．徽细加工技术．北京：国防工业出版社，2005

10 刘晋眷，赵家齐，赵万生主编．特种加工．北京：机械工业出版社，2004 11 罗均，谢少荣，龚振邦．面向MEMS的微细加工技术．电加工与模具，2001, 5:1～6 12 朱获．微米与纳米级加工技术．航空制造技术，2002, 6: 22～25。

13 朱获，王明环，明平美，张朝阳．微细电化学加工技术．纳米技术与精密工程，2005，3: 151～155

14 高智宏，高上品．微细电火花加工的应用．机电一体化，2003, 4: 6～9 15 孙燕华，沈明商．微细加工技术与应用．机械制造与自动化，2005， 34：64～66

16 狄士春，姜吉涛，黄瑞宁，迟关心．微小齿轮模具的微细电火花钱切割加工研究．电加工与模具，2004，6: 9～11

17 于同敏，富德海．微型模具制造技术研究与发展．中国机械工程，2005, 16: 179～183

18 李刚，赵万生．微细电火花拥工及其关键技术．机械工程师，2004，2: 3～6 19 张永华，丁桂甫，彭萃，蔡炳初. LIGA 相关技术及应用．传感器技术，2003, 22: 60～64

20 李永海，丁桂甫，毛海平，张永华. LIGA/ 准 UGA 技术微电铸工艺研究进展．电子工艺技术，2005，26：1～5

21 戴亚春，周建忠，王匀，马欣涛. MEMS 的徽细加工技术．机床与液压，2006，5：15～19

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22 魏守水，张玉林，崔大付．分析芯片微通道制作技术进展．中国工程科学，2004，6（10）: 90 -94

23 邹丽芸，杨大勇，吴洪波，伏金娟．复杂形状零件的微细电火花加工．航空制造技术，2006，1: 78～80

24 彭良强．基于 LIGA 技术的徽细电火花加工． 机械工人，2004, 1: 2628

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