电子束加工技术

电子束加工王国庆电子束加工简介一加工原理二加工装置三应用五加工特点四要点概览发展前景六电子束加工简介电子束加工（ElectronBeamMachining，简称EBM)是利用能量密度很高的高速电子流，在一定真空度的加工舱中使工件材料熔化、蒸发和汽化而去除的高能束加工。随着微电子技术，计算机技术等的发展，大量的元件需要进行微米、亚微米以及纳米加工，目前比较适合的加工方法是电子束加工，主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光化学加工。电子束加工简介图示：电子束加工工件电子束加工简介发展历程：1948年，德国物理学家SteigerwaldK.H发明了第一台电子束加工设备(主要用于焊接)。1949年，德国首次利用电子束在厚度为0．5mm的不锈钢板上加工出直径为60．2mm的小孔。开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机，其优良的焊接质量引起人们广泛重视。电子束加工简介20世纪60年代初期，人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中，促进了尖端技术的发展。扫描电子束曝光机研制成功并在20世纪70年代进入市场，使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于0.5μm。目前电子束加工技术在核工业、航空宇航工业、精密加工业及重型机械等工业部门应用。世界上电子束加工技术较先进的家是德国、日本、美国以及法国等电子束加工在中国的发展：我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺，经过多年的实践，在该领域也取得了一定成果。（1）大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，采用电子束对材料表面进行照射，研究其对材料表面的改性。郝胜志等以纯铝材为基础研究材料，深入研究不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律，进而获得强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制。简介电子束加工吴爱民等以H13和D2模具钢为基材，通过脉冲电子束直接淬火和电子束表面合金化等方法进行表面改性处理试验。（2）吉林大学关庆丰教授带领的科研小组，对于强流脉冲电子束作用下金属材料微观组织结构的形成与性能进行研究。张万金教授对于采用电子束辐照对新型质子交换膜的合成及性能的影响进行研究等。简介虽然电子束加工目前已在仪器仪表、微电子、航空航天和化纤工业中得到应用,电子束打孔、切槽、焊接、电子束曝光和电子束热处理等也都陆续进入生产,但从电子束加工技术现状及新的发展趋势可以看出,我国在该领域的研究与世界先进水平差距很大,今后的任务还很艰巨。电子束加工简介二加工原理如图5.9所示为电子束加工原理示意图控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，可以达到不同的加工目的。（1）使材料局部加热可进行电子束热处理（2）使材料局部熔化可进行电子束焊接（3）提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，可以进行打孔、切割等加工（4）使用低能量密度的电子束轰炸高分子材料时产生化学变化的原理，进行电子束光刻加工二加工原理二加工原理根据电子束产生的效应：（1）电子束热加工（2）电子束非热加工两种二加工原理电子束热加工二加工原理图示为利用电子束热效应进行的各种加工。低功率密度时，电子束中心部分的饱和温度存熔化温度附近，这时熔化坑较大，可作电子束熔凝处理。中等功率密度照射时，出现熔化、汽化和蒸发，可用于电子束焊接。电子束热加工二加工原理高功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度远远超过蒸发温度，使材料从电子束的入口处排除出去，并有效地向深度方向加工，这就是电了束打孔加工。高功率密度电子束除打孔、切槽外，在集成电路薄膜元件制作中。利用蒸发可获得高纯度的沉积薄膜。电子束热加工二加工原理高功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度远远超过蒸发温度，使材料从电子束的入口处排除出去，并有效地向深度方向加工，这就是电了束打孔加工。高功率密度电子束除打孔、切槽外，在集成电路薄膜元件制作中。利用蒸发可获得高纯度的沉积薄膜。电子束热加工电子束非热加工是基于电子束的非热效应，利用功率密度比较低的电子束和电子胶（电子抗蚀剂，由高分子材料构成）相互作用，产生的辐射化学或物理效应。当用电子束流照射这类高分子材料时，由于入射电子和高分子相互碰撞，使电子胶的分子链被切断或重新聚合而引起分子量的变化以实现电子束曝光。将这种方法与其他处理工艺联合使用，就能在材料表面进行刻蚀细微槽和其他几何形状。二加工原理电子束热加工其工作原理如图5.11所示。该类工艺方法广泛应用于集成电路、微电子器件、集成光学器件、表面声波器件的制作，也适用于某些精密机械零件的制造。通常是在材料上涂覆一层电子胶（称为掩膜），用电子束曝光后，经过显影处理，形成满足一定要求的掩膜图形，而后进行不同后置工艺处理，达到加工要求，其槽线尺寸可达微米级二加工原理电子束非热加工二加工原理三加工装置1234电子枪系统抽真空系统电子束控制系统工作台系统（电源系统四大系统各系统作用三加工装置电子束加工装置是由以下几个部分组成的（1）电子枪系统用来发射高速电子流并加以初步聚焦（2）真空系统保证真空室内需要的真空度（3）控制系统控制电子束的大小和方向（4）工作台系统电子束的偏转（或移动），只能在数毫米范围之内，移动过大则降低加工精度，故电子束的偏转与工作台的纵横向移动是相互配合使用的。（电源系统供给稳压电源及高压电源）加工装置示意图三加工装置三加工装置电子枪系统如图6-2所示，电子枪是用来发射高速电子流，完成电子的预聚焦和强度控制的装置。工作过程是：加热的发射阴极3发射出电子束，电子束在阳极光栅较阴极为正的高电压下加速，当速度达到2/3光速时通过阳极。加到控制栅极4上的是较阴极为负的偏压，可以控制电子束的强弱，还可对电子束进行初步对焦。阴极一般用纯钨或纯钽制成，在工作时损耗大，每10-30h更换1次，加热时温度达到数千摄氏度三加工装置抽真空系统抽真空系统一般由机械旋转泵（初级）和油（或水银）扩散泵两级组成。机械泵先把真空抽至1.3—0.13pa的抽真空系统三加工装置三加工装置抽真空系统三加工装置电子束控制系统电子束加工装置的控制系统包括：（1）束流聚焦控制（2）束流位置控制（3）束流强度控制三加工装置电子束控制系统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束斑，它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。聚焦方法有两种，一种是利用高压静电场使电子流聚焦成细束;另一种是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。后者更为安全可靠。所谓电磁透镜，实际上是电磁线圈，通电后它产生的轴向磁场与电子束中心线平行，径向磁场则与中心线垂直。根据左手定则，电子束在前进运动中切割径向磁场时产生圆周运动，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三加工装置电子束控制系统的合成运动为一半径愈来愈小的空间螺旋线而聚焦交于一点。根据电子光学的原理，为了消除像差和获得更细的焦点，常进行二次聚焦。束流位置控制是为了改变电子束的方向，可用电磁偏转来控制电子束焦点的位置。如果是偏转电压或电流按一定程序变化，电子束焦点变按预订的轨迹运动束流强度控制通过加在阴极上的负高压（50-150kv）来实现三加工装置工作台系统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，因此在大面积加工时，需要用伺服电动机控制工作台移动。一般情况下，电子束的偏转与工作台的纵横向移动是相互配合使用的。电源电子束加工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。加工装置结构示意图三加工装置加工装置实物示意图三加工装置四加工特点电子束加工的特点是：(1)功率密度高电子束能够极其微细地聚焦(束径可达微米级)，且在微小面积上可达到很大的功率密度，因此在轰击点处的瞬时温度高达数千度高温足以使任何材料熔化或气化。由此可知，电子束可用来加工任何材料的微孔或窄缝、半导体电路等，是一种精密微细加工方法。(2)工件变形小电子束的瞬时热能是作用在极微小面积上，所以加工部位的热影响区很小，在加工过程中无机械力作用，故加工后不产生受力变形；此外电子束加工也不存在工具消耗问题。所以它的加工精度高、表面质量也好。四加工特点(3)电子束的强度、位置、聚焦进行直接控制位置控制的准确度可达0．1微米左右，强度和束斑的大小控制误差也易达到1％以下。通过磁场或电场几乎可以无惯性，无功率的控制电子束，便于采用计算机控制，实现加工过程自动化。(4)真空环境下加工点不受杂质污染加工点处能保持原来材料的纯度。适合于加工易氧化的金属及合金材料，特别是要求纯度极高的半导体材料。(5)电子束加工需要一套价格昂贵的．专用设备，加工成本高。五应用电子束加工按功率密度的能量注入时间的不同，主要应用于：（1）打孔（2）焊接（3）蚀刻（4）热处理五应用电子束的应用范围对应的不同电子束功率密度及能量注入时间五应用打孔电子束打孔已在生产中实际应用。目前，电子束打孔的最小直径已达1μm。孔径在0．5～0．9mm时，其最大孔深已超过10mm，即孔深径比大于15:1。打孔的速度主要取决于板厚和孔径，通常每秒可加工几十至几万个孔，而且有时还可以改变孔径。在喷气发动机燃烧室罩、机翼的吸附屏、化纤喷丝头、人造革透气孔、塑料上的孔，不但用电子束来加工，而且效率高。五应用打孔例一：喷气发动机燃烧室罩孔。某喷气发动机燃烧室罩，其材料为钢CrNiCoMoW，厚度1.1mm。共有3478个直径为0．8lmm的圆孔分布在外侧球面上，孔径公差±0.03mm，所有孔中心轴与零件底面垂直。用K12一Q11P型电子束打孔机加工，零件置于真空室中，安装在夹具上作连续转动。加工时以200ms的单脉冲方式工作，脉冲频率1Hz例二：零件材料为钴基耐热合金，厚度4.3—6.3mm。共有11766个直径为0.81mm的化纤喷丝头通孔，孔径公差±0.03mm。零件置于真空室中，安装在夹具上作连续转动。加工时以16ms的单脉冲方式工作，脉冲频率5Hz。打孔过程中电子束随工件同步偏转，每打一个孔，电子束跳回原位。加工一件只需要40min，而用电火花加工则需要30h，用激光加工也要3h才能完成，而且公差要优于激光加工五应用打孔五应用打孔例三：电子束加工在人造革上的应用。现在人造革已很普及，但人造革透气性很差，穿着很不舒服。用电子束在人造革上打孔可以达到相当好的效果。如以天然革穿着的舒适度为100，微孔聚氨酯革只有55，而用电子束打孔的PVC革可达85。电子束打孔成本比天然革成本低，可替代天然革。加工时，用一组钨杆将电子枪产生的单个电子束分割为200个孔，效率非常高。因为对孔型无严格要求，人造革在滚筒上旋转时，电子束无须随之转动。如1.5mm厚革加工时，脉冲频率为25Hz，打孔速率为5000／s，滚筒转速为6r／min。五应用打孔图8.6所示电子束加工的喷丝头异型孔截面的一些实例如图8.7所示利用磁场对电子束方向进行偏转，控制合适的曲率半径，从而得到所需的弯孔或弯缝五应用打孔电子束打孔的主要特点概括如下：（1）可以加工出各种金属和非金属材料。但加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性材料时，由于在加工部位的附近有很大的温差，容易引起变形甚至破裂，所以在加工前或加工时，需用电阻炉或电子束进行预热。（2）生产率极高，其他加工方法无可比拟。（3）能加工各种异形孔(槽)、斜度孔、锥孔，以及弯孔等。五应用打孔五应用打孔五应用焊接电子束焊接(ElectronBeamWelding)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轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔融，在电子束连续不断地轰击下，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束相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一条焊缝。它也是电子束加工技术中发展最快、应用最广的一种，已成为工业生产中不可缺少的焊接方法。五应用焊接（1）航空航天工业登月舱的铍合金框架和制动引擎中的64个零部件都采用了电子束焊接。波纹管组合件是航天发动机产