工艺技术_先进制造工艺技术概述

1 1 第三章第三章第三章第三章 先进制造工艺先进制造工艺先进制造工艺先进制造工艺 机电工程学院机电工程学院机电工程学院机电工程学院工业工程系工业工程系工业工程系工业工程系 2 本章主要内容本章主要内容本章主要内容本章主要内容 先进制造工艺技术概述先进制造工艺技术概述先进制造工艺技术概述先进制造工艺技术概述 超高速加工技术超高速加工技术超高速加工技术超高速加工技术 2 2 2 1 1 1 4 4 4 精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术 5 5 5 3 3 3 微型机械加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术 快速原型制造技术快速原型制造技术快速原型制造技术快速原型制造技术 3 机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺机械制造工艺: : : :指指指指在生产过程中，改变生产在生产过程中，改变生产在生产过程中，改变生产在生产过程中，改变生产 对象的形状、尺寸、性能及相互位置关系的方对象的形状、尺寸、性能及相互位置关系的方对象的形状、尺寸、性能及相互位置关系的方对象的形状、尺寸、性能及相互位置关系的方 法和过程，也称机械制造工艺过程。法和过程，也称机械制造工艺过程。法和过程，也称机械制造工艺过程。法和过程，也称机械制造工艺过程。 先进制造工艺技术概述先进制造工艺技术概述先进制造工艺技术概述先进制造工艺技术概述 1 1 1 一、机械制造工艺的一、机械制造工艺的一、机械制造工艺的一、机械制造工艺的定义定义定义定义及内涵及内涵及内涵及内涵 4 1.1.1.1.机械制造工艺的定义及机械制造工艺的定义及机械制造工艺的定义及机械制造工艺的定义及内涵内涵内涵内涵 5 1.1.1.1.机械制造工艺的定义及机械制造工艺的定义及机械制造工艺的定义及机械制造工艺的定义及内涵内涵内涵内涵 ?材料准备材料准备材料准备材料准备根据后续工艺要求准备相应原材料。根据后续工艺要求准备相应原材料。根据后续工艺要求准备相应原材料。根据后续工艺要求准备相应原材料。 ?机械加工机械加工机械加工机械加工将各类原材料加工成半成品和成品。将各类原材料加工成半成品和成品。将各类原材料加工成半成品和成品。将各类原材料加工成半成品和成品。 ?热处理热处理热处理热处理及表面处理及表面处理及表面处理及表面处理通过改变材料整体或表面的通过改变材料整体或表面的通过改变材料整体或表面的通过改变材料整体或表面的 成分和组织，对材料进行改性处理。成分和组织，对材料进行改性处理。成分和组织，对材料进行改性处理。成分和组织，对材料进行改性处理。 ?机械机械机械机械装配装配装配装配把零件按一定的关系和要求连接在一把零件按一定的关系和要求连接在一把零件按一定的关系和要求连接在一把零件按一定的关系和要求连接在一 起起起起，组成，组成，组成，组成部件和整台机械产品，包括零件的固定、部件和整台机械产品，包括零件的固定、部件和整台机械产品，包括零件的固定、部件和整台机械产品，包括零件的固定、 连接、调整、平衡、检验和试验等工作。连接、调整、平衡、检验和试验等工作。连接、调整、平衡、检验和试验等工作。连接、调整、平衡、检验和试验等工作。 6 机械加工方法按成型机械加工方法按成型机械加工方法按成型机械加工方法按成型原理分原理分原理分原理分： 受迫成形受迫成形受迫成形受迫成形在特定边界和外力在特定边界和外力在特定边界和外力在特定边界和外力约束下约束下约束下约束下 成形，如铸造、锻压、粉末冶金和成形，如铸造、锻压、粉末冶金和成形，如铸造、锻压、粉末冶金和成形，如铸造、锻压、粉末冶金和 注射成形等；注射成形等；注射成形等；注射成形等； 去除成形去除成形去除成形去除成形将将将将材料材料材料材料从基体中从基体中从基体中从基体中分离分离分离分离出去出去出去出去 成形，如车、铣、刨、磨、电火花成形，如车、铣、刨、磨、电火花成形，如车、铣、刨、磨、电火花成形，如车、铣、刨、磨、电火花 、激光切割；、激光切割；、激光切割；、激光切割； 堆积成形堆积成形堆积成形堆积成形将材料有序地将材料有序地将材料有序地将材料有序地合并堆积合并堆积合并堆积合并堆积成成成成 形，如快速原形制造、焊接等。形，如快速原形制造、焊接等。形，如快速原形制造、焊接等。形，如快速原形制造、焊接等。 生长成型生长成型生长成型生长成型利用利用利用利用材料材料材料材料的的的的活性活性活性活性进行成型进行成型进行成型进行成型 的方法。如生物个体的发育。的方法。如生物个体的发育。的方法。如生物个体的发育。的方法。如生物个体的发育。 2 7 去除成形去除成形去除成形去除成形堆积成形堆积成形堆积成形堆积成形 生成成形生成成形生成成形生成成形受迫成形受迫成形受迫成形受迫成形 8 先进制造工艺技术是传统机械制造工艺不断优化先进制造工艺技术是传统机械制造工艺不断优化先进制造工艺技术是传统机械制造工艺不断优化先进制造工艺技术是传统机械制造工艺不断优化 和发展后所形成的，包括常规工艺经优化后的工艺，和发展后所形成的，包括常规工艺经优化后的工艺，和发展后所形成的，包括常规工艺经优化后的工艺，和发展后所形成的，包括常规工艺经优化后的工艺， 以及不断出现和发展的新型加工方法。以及不断出现和发展的新型加工方法。以及不断出现和发展的新型加工方法。以及不断出现和发展的新型加工方法。 二、先进制造工艺的技术体系二、先进制造工艺的技术体系二、先进制造工艺的技术体系二、先进制造工艺的技术体系 概述概述概述概述 1 1 1 主体技术主体技术主体技术主体技术 先进成型技术先进成型技术先进成型技术先进成型技术 精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术 超高速加工技术超高速加工技术超高速加工技术超高速加工技术 微细加工技术微细加工技术微细加工技术微细加工技术 特种加工技术特种加工技术特种加工技术特种加工技术 快速原型制造技术快速原型制造技术快速原型制造技术快速原型制造技术 表面工程技术等表面工程技术等表面工程技术等表面工程技术等 9 ? 采用模拟技术，优化工艺设计采用模拟技术，优化工艺设计采用模拟技术，优化工艺设计采用模拟技术，优化工艺设计 三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向 ? 毛坯成型向近无余量及近无毛坯成型向近无余量及近无毛坯成型向近无余量及近无毛坯成型向近无余量及近无“缺陷缺陷缺陷缺陷”的方向发展的方向发展的方向发展的方向发展 应用模拟技术应用模拟技术应用模拟技术应用模拟技术，在，在，在，在计算机上虚拟显示材料热加工工艺过计算机上虚拟显示材料热加工工艺过计算机上虚拟显示材料热加工工艺过计算机上虚拟显示材料热加工工艺过 程，预测工艺结果，并可以对参数进行优选，提高制造质程，预测工艺结果，并可以对参数进行优选，提高制造质程，预测工艺结果，并可以对参数进行优选，提高制造质程，预测工艺结果，并可以对参数进行优选，提高制造质 量和效率。量和效率。量和效率。量和效率。 毛坯毛坯毛坯毛坯成型从接近零件形状向直接制成工件的成型从接近零件形状向直接制成工件的成型从接近零件形状向直接制成工件的成型从接近零件形状向直接制成工件的精密成形精密成形精密成形精密成形或称或称或称或称 净成形净成形净成形净成形（无余量）的方向发展。（无余量）的方向发展。（无余量）的方向发展。（无余量）的方向发展。 成形方法成形方法成形方法成形方法： 传统方法：传统方法：传统方法：传统方法：铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制。铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制。铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制。铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制。 先进方法：先进方法：先进方法：先进方法：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲熔模精密铸造、精密锻造、精密冲熔模精密铸造、精密锻造、精密冲熔模精密铸造、精密锻造、精密冲 裁、精密焊接和精密切割等。裁、精密焊接和精密切割等。裁、精密焊接和精密切割等。裁、精密焊接和精密切割等。 10 ? 机械加工向超精密、超高速方向发展机械加工向超精密、超高速方向发展机械加工向超精密、超高速方向发展机械加工向超精密、超高速方向发展以超精密、超以超精密、超以超精密、超以超精密、超 高速加工为代表高速加工为代表高速加工为代表高速加工为代表 ? 特种加工方法和应用领域不断拓展特种加工方法和应用领域不断拓展特种加工方法和应用领域不断拓展特种加工方法和应用领域不断拓展以激光加工技术以激光加工技术以激光加工技术以激光加工技术 为代表为代表为代表为代表 加工精度进入纳米加工时代加工精度进入纳米加工时代加工精度进入纳米加工时代加工精度进入纳米加工时代 加工速度成为克服难加工材料加工困难的一条途径加工速度成为克服难加工材料加工困难的一条途径加工速度成为克服难加工材料加工困难的一条途径加工速度成为克服难加工材料加工困难的一条途径 加工工艺加工工艺加工工艺加工工艺将电、热、光、声、磁作为能源施加到将电、热、光、声、磁作为能源施加到将电、热、光、声、磁作为能源施加到将电、热、光、声、磁作为能源施加到 被加工部位，形成特种加工工艺。被加工部位，形成特种加工工艺。被加工部位，形成特种加工工艺。被加工部位，形成特种加工工艺。 加工对象加工对象加工对象加工对象超硬材料、超塑材料、高分子材料等的超硬材料、超塑材料、高分子材料等的超硬材料、超塑材料、高分子材料等的超硬材料、超塑材料、高分子材料等的 加工。加工。加工。加工。 加工方法加工方法加工方法加工方法激光、电子束、离子束、高压水射流等激光、电子束、离子束、高压水射流等激光、电子束、离子束、高压水射流等激光、电子束、离子束、高压水射流等 新方法。新方法。新方法。新方法。 三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向 11 ? 采用自动化技术，实现加工过程的优化控制采用自动化技术，实现加工过程的优化控制采用自动化技术，实现加工过程的优化控制采用自动化技术，实现加工过程的优化控制 ? 绿色制造工艺的研究与应用绿色制造工艺的研究与应用绿色制造工艺的研究与应用绿色制造工艺的研究与应用 单机自动化单机自动化单机自动化单机自动化 系统自动化系统自动化系统自动化系统自动化 刚性自动化刚性自动化刚性自动化刚性自动化 柔性自动化柔性自动化柔性自动化柔性自动化 综合自动化综合自动化综合自动化综合自动化 工艺过程和工艺参数得到实时优化，提高加工效率和工艺过程和工艺参数得到实时优化，提高加工效率和工艺过程和工艺参数得到实时优化，提高加工效率和工艺过程和工艺参数得到实时优化，提高加工效率和 质量。质量。质量。质量。 研究原则研究原则研究原则研究原则在不牺牲质量、成本、可靠性、功能或在不牺牲质量、成本、可靠性、功能或在不牺牲质量、成本、可靠性、功能或在不牺牲质量、成本、可靠性、功能或 能量利用率的前提下，采用能减轻对环境产生有害影能量利用率的前提下，采用能减轻对环境产生有害影能量利用率的前提下，采用能减轻对环境产生有害影能量利用率的前提下，采用能减轻对环境产生有害影 响的制造过程。响的制造过程。响的制造过程。响的制造过程。 主要分类主要分类主要分类主要分类节约资源的工艺技术，节省能源的工艺节约资源的工艺技术，节省能源的工艺节约资源的工艺技术，节省能源的工艺节约资源的工艺技术，节省能源的工艺 技术，环保型的工艺技术。技术，环保型的工艺技术。技术，环保型的工艺技术。技术，环保型的工艺技术。 三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向 12 ? 加工与设计趋于集成和一体化加工与设计趋于集成和一体化加工与设计趋于集成和一体化加工与设计趋于集成和一体化以快速原型制以快速原型制以快速原型制以快速原型制 造为代表造为代表造为代表造为代表 返回返回返回返回 CAD/CAMCAD/CAMCAD/CAMCAD/CAM、 CECECECE、 FMSFMSFMSFMS、CIMSCIMSCIMSCIMS、快速原型制、快速原型制、快速原型制、快速原型制 造造造造(RPM )(RPM )(RPM )(RPM )等的提出，淡化了设计与加工的界限，使之等的提出，淡化了设计与加工的界限，使之等的提出，淡化了设计与加工的界限，使之等的提出，淡化了设计与加工的界限，使之 趋于集成和一体化。冷热加工之间、加工过程、物流趋于集成和一体化。冷热加工之间、加工过程、物流趋于集成和一体化。冷热加工之间、加工过程、物流趋于集成和一体化。冷热加工之间、加工过程、物流 过程、检测过程、装配过程之间的界限也趋于消失。过程、检测过程、装配过程之间的界限也趋于消失。过程、检测过程、装配过程之间的界限也趋于消失。过程、检测过程、装配过程之间的界限也趋于消失。 概述概述概述概述1 1 1 三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向 3 13 一、一、一、一、精密、超精密加工的概念精密、超精密加工的概念精密、超精密加工的概念精密、超精密加工的概念 精密加工是指在一定的发展时期，加精密加工是指在一定的发展时期，加精密加工是指在一定的发展时期，加精密加工是指在一定的发展时期，加 工精度和表面质量达到较高程度的加工工工精度和表面质量达到较高程度的加工工工精度和表面质量达到较高程度的加工工工精度和表面质量达到较高程度的加工工 艺；超精密加工是指加工精度和表面质量艺；超精密加工是指加工精度和表面质量艺；超精密加工是指加工精度和表面质量艺；超精密加工是指加工精度和表面质量 达到最高程度的加工工艺。达到最高程度的加工工艺。达到最高程度的加工工艺。达到最高程度的加工工艺。 精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术 2 2 2 14 二、精密、超精密加工等级划分二、精密、超精密加工等级划分二、精密、超精密加工等级划分二、精密、超精密加工等级划分( (当前技术条件下当前技术条件下当前技术条件下当前技术条件下) )： 精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术 2 2 2 Ra 0.005Ra 0.0050.010.01 mm高于高于高于高于0.10.10.010.01 mm超精密加工超精密加工超精密加工超精密加工 Ra100米/秒*秒(10g)最大加速度最大加速度2 2 F TF TF ，车轮被，车轮被，车轮被，车轮被 “ “抱死抱死抱死抱死” ”，此时，此时，此时，此时， 轮胎与地面间只轮胎与地面间只轮胎与地面间只轮胎与地面间只 有滑动摩擦，没有滑动摩擦，没有滑动摩擦，没有滑动摩擦，没 有滚动摩擦。有滚动摩擦。有滚动摩擦。有滚动摩擦。 ?T=FT=FT=FT=F，“ “锁死点锁死点锁死点锁死点” ”。 F T F T MM制 制制制 149 ? 军事及航空航天领域军事及航空航天领域军事及航空航天领域军事及航空航天领域微型飞行器微型飞行器微型飞行器微型飞行器可用于战地侦可用于战地侦可用于战地侦可用于战地侦 查，搜索目标，检测化学、核、生物武器，甚至作查，搜索目标，检测化学、核、生物武器，甚至作查，搜索目标，检测化学、核、生物武器，甚至作查，搜索目标，检测化学、核、生物武器，甚至作 为攻击武器，为攻击武器，为攻击武器，为攻击武器，微型卫星和小卫星微型卫星和小卫星微型卫星和小卫星微型卫星和小卫星在此领域也完成了在此领域也完成了在此领域也完成了在此领域也完成了 许多情报搜集工作。利用许多情报搜集工作。利用许多情报搜集工作。利用许多情报搜集工作。利用微型感测器微型感测器微型感测器微型感测器和微型仪器，和微型仪器，和微型仪器，和微型仪器， 监测石油输送情况。监测石油输送情况。监测石油输送情况。监测石油输送情况。 5. MEMS5. MEMS 的具体应用的具体应用的具体应用的具体应用 ?资讯仪器领域资讯仪器领域资讯仪器领域资讯仪器领域利用扫描隧道显微镜利用扫描隧道显微镜利用扫描隧道显微镜利用扫描隧道显微镜STMSTMSTMSTM可将可将可将可将 1Mbit1Mbit1Mbit1Mbit的资讯储存在的资讯储存在的资讯储存在的资讯储存在1 1 1 1 mmmm的晶片上。微磁头、微打的晶片上。微磁头、微打的晶片上。微磁头、微打的晶片上。微磁头、微打 印头可以完成资讯的输人、输出及传递工作。印头可以完成资讯的输人、输出及传递工作。印头可以完成资讯的输人、输出及传递工作。印头可以完成资讯的输人、输出及传递工作。 150 美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄 电池外，全由硅片构成，直径仅电池外，全由硅片构成，直径仅电池外，全由硅片构成，直径仅电池外，全由硅片构成，直径仅15cm15cm15cm15cm 5. MEMS5. MEMS 的具体应用的具体应用的具体应用的具体应用 26 151 （1 1 1 1）基础性理论研究）基础性理论研究）基础性理论研究）基础性理论研究 微型机械加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术 4 4 4 二、二、二、二、MEMS MEMS 的关键技术的关键技术的关键技术的关键技术 随着随着随着随着 MEMSMEMSMEMSMEMS尺寸的缩小，许多物理现象与尺寸的缩小，许多物理现象与尺寸的缩小，许多物理现象与尺寸的缩小，许多物理现象与 宏观世界有很大差别。很多原来的理论基础都会宏观世界有很大差别。很多原来的理论基础都会宏观世界有很大差别。很多原来的理论基础都会宏观世界有很大差别。很多原来的理论基础都会 发生变化，如发生变化，如发生变化，如发生变化，如尺度效应尺度效应尺度效应尺度效应、微结构的、微结构的、微结构的、微结构的表面效应表面效应表面效应表面效应、微微微微 观摩擦机理观摩擦机理观摩擦机理观摩擦机理等等。等等。等等。等等。 152 微观世界绝对不是人们所习惯的微观世界绝对不是人们所习惯的微观世界绝对不是人们所习惯的微观世界绝对不是人们所习惯的 宏观世界的比例缩小！宏观世界的比例缩小！宏观世界的比例缩小！宏观世界的比例缩小！ 尺度效应尺度效应尺度效应尺度效应 微型机械加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术 4 4 4 153 假设，巨人身长是普通人的假设，巨人身长是普通人的假设，巨人身长是普通人的假设，巨人身长是普通人的12121212倍倍倍倍 ? ?臂膀重量是普通人的臂膀重量是普通人的臂膀重量是普通人的臂膀重量是普通人的12121212 3 3 3 3 =1728=1728=1728=1728倍；倍；倍；倍； ? ?举起臂膀时其重心升高的距离是普通人的举起臂膀时其重心升高的距离是普通人的举起臂膀时其重心升高的距离是普通人的举起臂膀时其重心升高的距离是普通人的12121212倍；倍；倍；倍； ? ?巨人肌肉的牵引力是普通人的巨人肌肉的牵引力是普通人的巨人肌肉的牵引力是普通人的巨人肌肉的牵引力是普通人的12121212 2 2 2 2 =144=144=144=144倍；倍；倍；倍； ? ?肌肉的牵引距离是普通人的肌肉的牵引距离是普通人的肌肉的牵引距离是普通人的肌肉的牵引距离是普通人的12121212倍；倍；倍；倍； ? ?做功的能力是普通人的做功的能力是普通人的做功的能力是普通人的做功的能力是普通人的121212123 3 3 3 = 1728 = 1728= 1728= 1728倍。倍。倍。倍。 ? ? “巨人巨人巨人巨人”大到一定的程度，根本就举不起自己的臂膀！大到一定的程度，根本就举不起自己的臂膀！大到一定的程度，根本就举不起自己的臂膀！大到一定的程度，根本就举不起自己的臂膀！ ? ? “巨人巨人巨人巨人”将会虚弱不堪！将会虚弱不堪！将会虚弱不堪！将会虚弱不堪！ ? ? 事实上，其做功能力只有普通人的事实上，其做功能力只有普通人的事实上，其做功能力只有普通人的事实上，其做功能力只有普通人的1/121/121/121/12。 如果这样按比例放大的话：如果这样按比例放大的话：如果这样按比例放大的话：如果这样按比例放大的话： 154 千万不要以为大事物千万不要以为大事物千万不要以为大事物千万不要以为大事物 是小事物的比例放大是小事物的比例放大是小事物的比例放大是小事物的比例放大 千万不要以为小事物千万不要以为小事物千万不要以为小事物千万不要以为小事物 是大事物的比例缩小是大事物的比例缩小是大事物的比例缩小是大事物的比例缩小 155 （1 1 1 1）基础性理论研究）基础性理论研究）基础性理论研究）基础性理论研究 ? ? 在微尺度上，固体甚至不再具有确定的在微尺度上，固体甚至不再具有确定的在微尺度上，固体甚至不再具有确定的在微尺度上，固体甚至不再具有确定的“表面表面表面表面”。 ? ? “均匀连续均匀连续均匀连续均匀连续”、“各向同性各向同性各向同性各向同性”以及以及以及以及“线性化线性化线性化线性化”等假等假等假等假 设，在设，在设，在设，在微尺度上将不再微尺度上将不再微尺度上将不再微尺度上将不再成立。成立。成立。成立。 ? ? 一些一些一些一些宏观的物理量宏观的物理量宏观的物理量宏观的物理量, , , ,如弹性模量、摩擦系数、密度、如弹性模量、摩擦系数、密度、如弹性模量、摩擦系数、密度、如弹性模量、摩擦系数、密度、 温度等，已失去意义，或者需要重新定义。温度等，已失去意义，或者需要重新定义。温度等，已失去意义，或者需要重新定义。温度等，已失去意义，或者需要重新定义。 二、二、二、二、MEMS MEMS 的关键技术的关键技术的关键技术的关键技术 156 （2 2 2 2）微）微）微）微系统设计技术系统设计技术系统设计技术系统设计技术 ? ? 系统建模技术系统建模技术系统建模技术系统建模技术 ? ? 微结构微结构微结构微结构的有限元和的有限元和的有限元和的有限元和边界分析边界分析边界分析边界分析 ? ? CAD/CAMCAD/CAMCAD/CAMCAD/CAM仿真与模拟仿真与模拟仿真与模拟仿真与模拟技术等技术等技术等技术等 （3 3 3 3）微细加工技术）微细加工技术）微细加工技术）微细加工技术 （4 4 4 4）微装配工艺）微装配工艺）微装配工艺）微装配工艺 粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术等。粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术等。粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术等。粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术等。 （5 5 5 5）微系统测量技术）微系统测量技术）微系统测量技术）微系统测量技术 微结构微结构微结构微结构材料材料材料材料性能测试、微小力学、电学等性能测试、微小力学、电学等性能测试、微小力学、电学等性能测试、微小力学、电学等物理量物理量物理量物理量的测的测的测的测 试、微器件、微系统试、微器件、微系统试、微器件、微系统试、微器件、微系统性能测试性能测试性能测试性能测试技术等。技术等。技术等。技术等。 二、二、二、二、MEMS MEMS 的关键技术的关键技术的关键技术的关键技术 27 157 ? 微细加工微细加工微细加工微细加工（MicroMicroMicroMicro- - - -fabricationfabricationfabricationfabrication）起源于半导体）起源于半导体）起源于半导体）起源于半导体 制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加 工方式。在微机械研究领域中，它工方式。在微机械研究领域中，它工方式。在微机械研究领域中，它工方式。在微机械研究领域中，它是微米级，亚是微米级，亚是微米级，亚是微米级，亚 微米级乃至纳米级微细加工的通称微米级乃至纳米级微细加工的通称微米级乃至纳米级微细加工的通称微米级乃至纳米级微细加工的通称。 ? 广义上广义上广义上广义上的微细加工技术，还涉及了现代的微细加工技术，还涉及了现代的微细加工技术，还涉及了现代的微细加工技术，还涉及了现代特种加工特种加工特种加工特种加工、 高能束加工高能束加工高能束加工高能束加工等加工方式。等加工方式。等加工方式。等加工方式。 微型机械加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术 4 4 4 三、三、三、三、微细微细微细微细加工技术加工技术加工技术加工技术 158 （1 1 1 1）大机器制造小机械，小机器制造微机械。）大机器制造小机械，小机器制造微机械。）大机器制造小机械，小机器制造微机械。）大机器制造小机械，小机器制造微机械。 微细机械加工技术微细机械加工技术微细机械加工技术微细机械加工技术（日本为代表）（日本为代表）（日本为代表）（日本为代表） 微型机械加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术 4 4 4 三、三、三、三、微细微细微细微细加工技术加工技术加工技术加工技术 如用如用如用如用小型精密机床小型精密机床小型精密机床小型精密机床或或或或电火花电火花电火花电火花、高能束流高能束流高能束流高能束流等特等特等特等特 种加工方法制作精密微器件。种加工方法制作精密微器件。种加工方法制作精密微器件。种加工方法制作精密微器件。 159 图示，为日本图示，为日本图示，为日本图示，为日本FanucFanucFanucFanuc公司生产的加工微型零件的公司生产的加工微型零件的公司生产的加工微型零件的公司生产的加工微型零件的 微型五轴联动加工中心微型五轴联动加工中心微型五轴联动加工中心微型五轴联动加工中心（具有车、铣、磨及电火花加（具有车、铣、磨及电火花加（具有车、铣、磨及电火花加（具有车、铣、磨及电火花加 工功能），以及在这台加工中心上用微型工功能），以及在这台加工中心上用微型工功能），以及在这台加工中心上用微型工功能），以及在这台加工中心上用微型单晶金刚石单晶金刚石单晶金刚石单晶金刚石 立铣刀加工出的人像浮雕。立铣刀加工出的人像浮雕。立铣刀加工出的人像浮雕。立铣刀加工出的人像浮雕。 （1 1 1 1）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术 160 图示，是用图示，是用图示，是用图示，是用塑性成型法塑性成型法塑性成型法塑性成型法加工的微小螺钉和某加工的微小螺钉和某加工的微小螺钉和某加工的微小螺钉和某 大学研制的大学研制的大学研制的大学研制的微型超塑挤压机微型超塑挤压机微型超塑挤压机微型超塑挤压机，螺钉螺纹部分直径，螺钉螺纹部分直径，螺钉螺纹部分直径，螺钉螺纹部分直径 2020202050505050 mmmm。 （1 1 1 1）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术 161 日本某大学校日本某大学校日本某大学校日本某大学校研制的研制的研制的研制的微型微型微型微型 工厂工厂工厂工厂，内有车床，加工中，内有车床，加工中，内有车床，加工中，内有车床，加工中 心，冲床，装配机等。这心，冲床，装配机等。这心，冲床，装配机等。这心，冲床，装配机等。这 个微型工厂能遥控监测操个微型工厂能遥控监测操个微型工厂能遥控监测操个微型工厂能遥控监测操 作，整个工厂体积为作，整个工厂体积为作，整个工厂体积为作，整个工厂体积为625 625 625 625 mmmmmmmm490 mm490 mm490 mm490 mm380 380 380 380 mmmmmmmm，重量，重量，重量，重量 约约约约34kg34kg34kg34kg。 微型零件装配用的微型零件装配用的微型零件装配用的微型零件装配用的热敏驱热敏驱热敏驱热敏驱 动微型夹持器动微型夹持器动微型夹持器动微型夹持器 （1 1 1 1）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术 162 激光在钛合金管上切的槽激光在钛合金管上切的槽激光在钛合金管上切的槽激光在钛合金管上切的槽激光在头发上刻的字激光在头发上刻的字激光在头发上刻的字激光在头发上刻的字 （1 1 1 1）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术 28 163 图示为图示为图示为图示为电火花加工电火花加工电火花加工电火花加工的的的的 5 5 5 5 mmmm微孔和微孔和微孔和微孔和微型汽车模微型汽车模微型汽车模微型汽车模 具具具具及采用注射成型的及采用注射成型的及采用注射成型的及采用注射成型的微型塑料汽车微型塑料汽车微型塑料汽车微型塑料汽车。 （1 1 1 1）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术 164 电火花加工电火花加工电火花加工电火花加工是利用工件和工具电极之间的脉冲性火是利用工件和工具电极之间的脉冲性火是利用工件和工具电极之间的脉冲性火是利用工件和工具电极之间的脉冲性火 花放电产生瞬间高温使工件材料熔化或汽化，从而完花放电产生瞬间高温使工件材料熔化或汽化，从而完花放电产生瞬间高温使工件材料熔化或汽化，从而完花放电产生瞬间高温使工件材料熔化或汽化，从而完 成蚀除加工，以获得一定形状和尺寸的加工方法。成蚀除加工，以获得一定形状和尺寸的加工方法。成蚀除加工，以获得一定形状和尺寸的加工方法。成蚀除加工，以获得一定形状和尺寸的加工方法。 （1 1 1 1）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术）微细机械加工技术 165 （a a a a）加工通孔）加工通孔）加工通孔）加工通孔; ; ; ;（b b b b）加工模具形腔）加工模具形腔）加工模具形腔）加工模具形腔; (c) ; (c) ; (c) ; (c) 加工环形内腔加工环形内腔加工环形内腔加工环形内腔; ; ; ; (d) (d) (d) (d) 加工弯孔加工弯孔加工弯孔加工弯孔; (e); (e); (e); (e)切割板料切割板料切割板料切割板料; (f) ; (f) ; (f) ; (f) 磨拉丝模内表面磨拉丝模内表面磨拉丝模内表面磨拉丝模内表面 电火花加工举例电火花加工举例电火花加工举例电火花加工举例 166 （2 2 2 2）硅微细加工技术（美国为代表）硅微细加工技术（美国为代表）硅微细加工技术（美国为代表）硅微细加工技术（美国为代表） 三、三、三、三、微细微细微细微细加工技术加工技术加工技术加工技术 包括：光刻加工技术、体硅微细加工包括：光刻加工技术、体硅微细加工包括：光刻加工技术、体硅微细加工包括：光刻加工技术、体硅微细加工 技术及表面硅微细加工技术。技术及表面硅微细加工技术。技术及表面硅微细加工技术。技术及表面硅微细加工技术。 167 ? 硅是最基本的微细加工材料，微细加工技术一般要硅是最基本的微细加工材料，微细加工技术一般要硅是最基本的微细加工材料，微细加工技术一般要硅是最基本的微细加工材料，微细加工技术一般要 涉及涉及涉及涉及硅材料硅材料硅材料硅材料。 ? 硅微细加工技术所用的硅微细加工技术所用的硅微细加工技术所用的硅微细加工技术所用的典型加工工艺典型加工工艺典型加工工艺典型加工工艺为：为：为：为：去除去除去除去除（刻（刻（刻（刻 蚀、激光加工、机械钻孔等）和蚀、激光加工、机械钻孔等）和蚀、激光加工、机械钻孔等）和蚀、激光加工、机械钻孔等）和添加（添加（添加（添加（ 沉积绝缘体、沉积绝缘体、沉积绝缘体、沉积绝缘体、 金属等）。金属等）。金属等）。金属等）。 (a)(a)(a)(a)在衬底上在衬底上在衬底上在衬底上“去除去除去除去除”的悬臂梁的悬臂梁的悬臂梁的悬臂梁(b)(b)(b)(b)在衬底上在衬底上在衬底上在衬底上“添加添加添加添加”的悬臂梁的悬臂梁的悬臂梁的悬臂梁 三、三、三、三、微细微细微细微细加工技术加工技术加工技术加工技术 （2 2 2 2）硅微细加工技术（美国为代表）硅微细加工技术（美国为代表）硅微细加工技术（美国为代表）硅微细加工技术（美国为代表） 168 （2 2 2 2）硅微细加工技术）硅微细加工技术）硅微细加工技术）硅微细加工技术 光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术 光刻加工技术是制造半导体集成电路的基础技光刻加工技术是制造半导体集成电路的基础技光刻加工技术是制造半导体集成电路的基础技光刻加工技术是制造半导体集成电路的基础技 术，是应用照相复印的方法，将光刻掩膜上的电路图术，是应用照相复印的方法，将光刻掩膜上的电路图术，是应用照相复印的方法，将光刻掩膜上的电路图术，是应用照相复印的方法，将光刻掩膜上的电路图 案转移到硅基片上的技术。案转移到硅基片上的技术。案转移到硅基片上的技术。案转移到硅基片上的技术。 硅晶片氧化硅晶片氧化硅晶片氧化硅晶片氧化涂胶涂胶涂胶涂胶曝光曝光曝光曝光显影显影显影显影腐蚀腐蚀腐蚀腐蚀去胶去胶去胶去胶 光刻加工工艺过程为光刻加工工艺过程为光刻加工工艺过程为光刻加工工艺过程为： 29 169 光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术 腐蚀溶液 或离子束 腐蚀溶液 或离子束 5. 腐蚀 （去除SiO 5. 腐蚀 （去除SiO2 2） 6. 去胶 （去除光致抗蚀剂） 4. 显影、坚膜 （形成窗口） 6. 去胶 （去除光致抗蚀剂） 4. 显影、坚膜 （形成窗口） 窗口窗口 3. 曝光 （投影或扫描） 3. 曝光 （投影或扫描） 光刻 掩膜 电子束 1. 硅片氧化 SiO 光刻 掩膜 电子束 1. 硅片氧化 SiO2 2氧化膜氧化膜 硅晶片硅晶片 2. 涂胶 （光致抗蚀剂） 光刻胶 2. 涂胶 （光致抗蚀剂） 光刻胶 170 光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术 湿法刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀：是是是是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化 学反应，将被刻蚀物质学反应，将被刻蚀物质学反应，将被刻蚀物质学反应，将被刻蚀物质剥离下来。剥离下来。剥离下来。剥离下来。缺点缺点缺点缺点是：只能进行是：只能进行是：只能进行是：只能进行 各向同性各向同性各向同性各向同性刻蚀。刻蚀。刻蚀。刻蚀。 1 1 1 1）各向同性刻蚀各向同性刻蚀各向同性刻蚀各向同性刻蚀是在任何方向上是在任何方向上是在任何方向上是在任何方向上刻蚀速度均等刻蚀速度均等刻蚀速度均等刻蚀速度均等的加工的加工的加工的加工 2 2 2 2）各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向异性刻蚀是是是是与被刻蚀晶片的结构方向有关的一与被刻蚀晶片的结构方向有关的一与被刻蚀晶片的结构方向有关的一与被刻蚀晶片的结构方向有关的一 种刻蚀方法，它种刻蚀方法，它种刻蚀方法，它种刻蚀方法，它在特定方向上刻蚀速度在特定方向上刻蚀速度在特定方向上刻蚀速度在特定方向上刻蚀速度大，其它方向大，其它方向大，其它方向大，其它方向 上几乎不发生刻蚀上几乎不发生刻蚀上几乎不发生刻蚀上几乎不发生刻蚀。如纵向大，横向小。如纵向大，横向小。如纵向大，横向小。如纵向大，横向小。 刻蚀（腐蚀）工艺分类：刻蚀（腐蚀）工艺分类：刻蚀（腐蚀）工艺分类：刻蚀（腐蚀）工艺分类： 171 ?离子束刻蚀离子束刻蚀离子束刻蚀离子束刻蚀 具有一定动能的离子斜射到工件表面时，用离子的撞具有一定动能的离子斜射到工件表面时，用离子的撞具有一定动能的离子斜射到工件表面时，用离子的撞具有一定动能的离子斜射到工件表面时，用离子的撞 击效应和溅射效应将工件表面的原子撞击出来。分为击效应和溅射效应将工件表面的原子撞击出来。分为击效应和溅射效应将工件表面的原子撞击出来。分为击效应和溅射效应将工件表面的原子撞击出来。分为 离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀、反应离子束刻蚀反应离子束刻蚀反应离子束刻蚀反应离子束刻蚀、等离子体刻蚀等等离子体刻蚀等等离子体刻蚀等等离子体刻蚀等。 干法刻蚀：干法刻蚀：干法刻蚀：干法刻蚀：是利用高能束或某些气体对基体进行去除材是利用高能束或某些气体对基体进行去除材是利用高能束或某些气体对基体进行去除材是利用高能束或某些气体对基体进行去除材 料的加工，被刻蚀表面精细，刻蚀效果好，但对工艺条料的加工，被刻蚀表面精细，刻蚀效果好，但对工艺条料的加工，被刻蚀表面精细，刻蚀效果好，但对工艺条料的加工，被刻蚀表面精细，刻蚀效果好，但对工艺条 件要求较高件要求较高件要求较高件要求较高，加工加工加工加工工艺工艺工艺工艺主要包括主要包括主要包括主要包括离子束刻蚀和离子束刻蚀和离子束刻蚀和离子束刻蚀和激光刻蚀、激光刻蚀、激光刻蚀、激光刻蚀、 电子束刻蚀电子束刻蚀电子束刻蚀电子束刻蚀等。等。等。等。 光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术 刻蚀（腐蚀）工艺分类：刻蚀（腐蚀）工艺分类：刻蚀（腐蚀）工艺分类：刻蚀（腐蚀）工艺分类： 172 ?电路版图由设计师在电脑上完成，并将数据传送给电路版图由设计师在电脑上完成，并将数据传送给电路版图由设计师在电脑上完成，并将数据传送给电路版图由设计师在电脑上完成，并将数据传送给 电子束电子束电子束电子束图形发生器图形发生器图形发生器图形发生器。 ?电子束图形发生器电子束图形发生器电子束图形发生器电子束图形发生器将图形缩小将图形缩小将图形缩小将图形缩小到和元件尺寸相同，到和元件尺寸相同，到和元件尺寸相同，到和元件尺寸相同， 根据电路图信息对类似于根据电路图信息对类似于根据电路图信息对类似于根据电路图信息对类似于照相底片照相底片照相底片照相底片的的的的硬质铬版硬质铬版硬质铬版硬质铬版进行进行进行进行 选择性选择性选择性选择性曝光曝光曝光曝光，得到，得到，得到，得到母掩模版母掩模版母掩模版母掩模版，再经过，再经过，再经过，再经过复印复印复印复印得到批量得到批量得到批量得到批量 生产所用的生产所用的生产所用的生产所用的工作掩模版工作掩模版工作掩模版工作掩模版。 ?掩模版的掩模版的掩模版的掩模版的衬底衬底衬底衬底料都是高平整度的制版料都是高平整度的制版料都是高平整度的制版料都是高平整度的制版玻璃玻璃玻璃玻璃。 光刻掩膜版制作：光刻掩膜版制作：光刻掩膜版制作：光刻掩膜版制作： 光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术 ?掩膜版掩膜版掩膜版掩膜版相当于相当于相当于相当于集成电路版图集成电路版图集成电路版图集成电路版图和和和和硅晶片硅晶片硅晶片硅晶片之间的一之间的一之间的一之间的一个个个个接口接口接口接口 173 X射线光刻X射线光刻 激光光刻激光光刻 光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术光刻加工技术 174 体硅微细加工工艺体硅微细加工工艺体硅微细加工工艺体硅微细加工工艺是针对整块材料如单晶硅基片通过是针对整块材料如单晶硅基片通过是针对整块材料如单晶硅基片通过是针对整块材料如单晶硅基片通过刻蚀刻蚀刻蚀刻蚀等等等等 去除部分基体或衬底材料去除部分基体或衬底材料去除部分基体或衬底材料去除部分基体或衬底材料，从而得到所需元件的体构形。在，从而得到所需元件的体构形。在，从而得到所需元件的体构形。在，从而得到所需元件的体构形。在 体微机械加工技术中，关键的步骤是体微机械加工技术中，关键的步骤是体微机械加工技术中，关键的步骤是体微机械加工技术中，关键的步骤是刻蚀工艺。刻蚀工艺。刻蚀工艺。刻蚀工艺。 体硅微机械加工工艺体硅微机械加工工艺体硅微机械加工工艺体硅微机械加工工艺 体硅微细加工技术体硅微细加工技术体硅微细加工技术体硅微细加工技术 30 175 表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术 表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术是以硅为基片在上面沉是以硅为基片在上面沉是以硅为基片在上面沉是以硅为基片在上面沉 积多层薄膜，（磷硅玻璃、多晶硅、二氧化硅等）积多层薄膜，（磷硅玻璃、多晶硅、二氧化硅等）积多层薄膜，（磷硅玻璃、多晶硅、二氧化硅等）积多层薄膜，（磷硅玻璃、多晶硅、二氧化硅等） 通过选择性腐蚀，去掉不需要的薄膜层，在通过选择性腐蚀，去掉不需要的薄膜层，在通过选择性腐蚀，去掉不需要的薄膜层，在通过选择性腐蚀，去掉不需要的薄膜层，在硅衬硅衬硅衬硅衬 底上形成底上形成底上形成底上形成所需形状的方法。所需形状的方法。所需形状的方法。所需形状的方法。 （2 2 2 2）硅微细加工技术）硅微细加工技术）硅微细加工技术）硅微细加工技术 176 在单晶硅基片上沉积一层磷在单晶硅基片上沉积一层磷在单晶硅基片上沉积一层磷在单晶硅基片上沉积一层磷 硅玻璃，作为硅玻璃，作为硅玻璃，作为硅玻璃，作为牺牲层牺牲层牺牲层牺牲层。 光刻。光刻。光刻。光刻。 在牺牲层上再沉积一层多晶在牺牲层上再沉积一层多晶在牺牲层上再沉积一层多晶在牺牲层上再沉积一层多晶 硅作为硅作为硅作为硅作为结构层结构层结构层结构层。 第二次第二次第二次第二次光刻光刻光刻光刻摹制。摹制。摹制。摹制。 用湿腐蚀法去除牺牲层，释用湿腐蚀法去除牺牲层，释用湿腐蚀法去除牺牲层，释用湿腐蚀法去除牺牲层，释 放出结构层。放出结构层。放出结构层。放出结构层。 表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术 牺牲层Si牺牲层Si3 3N N4 4 硅基片硅基片 多晶硅多晶硅 工艺流程：工艺流程：工艺流程：工艺流程： 177 牺牲层技术牺牲层技术牺牲层技术牺牲层技术是是是是表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术的一种重要工艺。的一种重要工艺。的一种重要工艺。的一种重要工艺。 采用表面牺牲层工艺制备的世界上 第一个MEMS器件微型静电马达 采用五层多晶硅工艺制备的 微型传动结构 采用表面牺牲层工艺制备的世界上 第一个MEMS器件微型静电马达 采用五层多晶硅工艺制备的 微型传动结构 表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术表面硅微细加工技术 178 ? LIGALIGALIGALIGA是德文是德文是德文是德文 L