特种加工技术

1、 电子束加工是以高能电子束流作为热源，对工件或材料实施特殊的加工，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。按照电子束加工所产生的效应，可以将其分为两大类：电子束热效应和电子束化学效应 电子束热效应是将电子束的动能在材料表面转化成热能，以实现对材料的加工。电子由电子枪的阴极发出，通过聚束极汇聚成电子束，在电子枪的加速电场作用下，电子的速度被提高到接近或达到光速的一半，具有很高的动能。电子束再经过聚焦线圈和偏转线圈的作用，汇聚成更细的束流。当电子束轰击材料时，电子与金属碰撞失去动能，大部分能量转化成热能，使材料局部区域温度急剧上升并且熔化，甚至气化而被去除，从而实现对材料的加工。 电子束化学效应是利

2、用电子束代替常规的紫外线照射抗蚀剂以实现曝光。电子束曝光原理是先在待加工材料表面，涂上具有高分辨率和高灵敏度的化学抗腐蚀涂层，然后通过计算机控制电子束成像电镜及偏转系统，聚焦形成高能电子束流，轰击涂有化学抗腐蚀涂层的材料表面，形成抗腐蚀剂图形，最后通过离子注入、金属沉淀等后续工艺将图形转移到材料表面。 1) 电子束精微加工。可完成打孔、切缝和刻槽等工艺, 这种设备一般都采用微机控制,并且常为一机多用； 2) 电子束焊接。与其他电子束加工设备不同之处在于,除高真空电子束焊机之外,还有低真空、非真空和局部真空等类型； 3) 电子束镀膜。可蒸镀金属膜和介质膜； 4) 电子束熔炼。包括难熔金属的精炼,

3、合金材料的制造以及超纯单晶体的拉制等； 5) 电子束热处理。包括金属材料的局部热处理以及对离子注入后半导体材料的退火等。电子束镀膜电子束镀膜 电子束焊接电子束焊接电子束熔炼电子束熔炼 电子束热处理电子束热处理 1）扫描电子束曝光，用电子束按所需的图形，以微机控制进行扫描曝光，其特点是图形变换的灵活性好，分辨率高； 2）投影电子束曝光，这是一种大面积曝光法，由光电阴极产生大面积平行束进行曝光，其特点是效率高，但分辨率较差； 3）软X射线曝光，软X射线由电子束产生，是一种间接利用电子束的投影曝光法。电子束化学加工方法是先在待加工材料表面涂上具有高分辨率和高灵敏度的化学抗腐蚀涂层,然后通过计算机控制

4、电子束成像电镜及偏转系统,聚焦形成高能电子束流,轰击涂有化学抗腐蚀涂层的材料表面,形成抗腐蚀剂图形,最后通过离子注入、金属沉淀等后续工艺将图形转移到材料表面。 1）高功率密度 属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应力变形，同时也不存在工具损耗问题。 2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。 3）环境污染少 适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。 4) 加工速度快，如在0.1毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达3000个，切割1毫米厚的钢板速度可达240毫米分。 5) 设备的使用具有高度灵活性 ,并可使用同一台设

5、备进行电子束焊接、 表面改善处理和其他电子束加工; 6) 电子束加工是在真空状态下进行 ,对环境几乎没有污染; 7) 对于各种不同的被处理材料 ,其效率可高达 75%98% ,而所需的功率则较低; 8. 能量的发生和供应源可精确地灵活移动 ,并具有高的加工生产率; 9) 可方便地控制能量束 ,实现加工自动化; 1） 由于使用高电压，会产生较强 X射线，必须采取相应的安全措施； 2） 需要在真空装置中进行加工； 3） 设备造价高等。电子束加工对设备和系统的真空度要求较高 ,使得电子束加工 价格昂贵 ,一定程度上限制了其在生产中的应用.。 由于电子束流具有以上特点 ,目前已被广泛地应用于高硬度、易

6、氧化或韧性材料的微细小孔的打孔,复杂形状的铣切,金属材料的焊接、熔化和分割,表面淬硬、光刻和抛光 ,以及电子行业中的微型集成电路和超大规模集成电路等的精密微细加工中。 电子束加工广泛用于焊接（见电子束焊），其次是薄材料的穿孔和切割。穿孔直径一般为0.031.0毫米，最小孔径可达0.002毫米。切割0.2毫米厚的硅片，切缝仅为0.04毫米，因而可节省材料。 最重要的是，这些特性具有高的分解力和长的电场深度,电场是由于高能电子的短波产生的。电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。 1)电子束表面改性技术 利用电子束的加热和熔化技术还可以对材料进

7、行表面改性。例如电子束表面淬火，电子束表面熔凝，电子束表面合金化，电子束表面熔覆和制造表面非晶态层。过改性后的材料表面组织结构得到改善，强度和硬度得到大幅提高，耐腐蚀性和防水性也相应地得到增强 2)电子束物理气相沉积(EBPVD)是电子束技术与物理气相沉积技术的有机结合，是利用高能电子轰击沉积材料，使其迅速升温气化而凝聚在基体材料表面的一种表面加工工艺。根据沉积材料的性质，可以使涂层具有优良的隔热、耐磨、耐腐蚀和耐冲刷性能，对基体材料产生一定的保护作用 3)电子束焊接 电子束焊接具有焊缝深宽比大，焊接速度快，工件热变形小，焊缝物理性能好，工艺适应性强等优点，并且能改善接头机械性能，减少缺陷，保

8、证焊接稳定性和重复性。因而具有极为广阔的应用前景 4)电子束打孔 用电子束对材料进行打孔加工时，要求电子束的能量密度需大于108Wcm2，每个电子束脉冲打一个孔，脉冲宽度一般只有几毫秒，脉冲的速率快，打孔的速度可以达到每秒几个到3000个孔。电子束脉冲的能量高，不受材料硬度的限制，没有磨损，可以对难熔、高强度和非导电材料进行打孔加工。并且电子束的束斑形状可控，能加工各种孔，加工效率高，加工材料的适应 范围广，加工精度高、质量好，无缺陷，一般不需要二次加工。 电子束加工装置：主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成控制系统：是由束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移的控制

9、等组成。束流聚焦控制是为了提高电子束的的能量密度，使电子束聚焦成很小的束流，它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。聚焦一种是利用高压静电场使电子流聚焦成细束；另一种比较可靠是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。 真空系统：是为了保证在电子束加工时达到1.33x10-21.33x10-4Pa的真空度。因为只有在高真空时，电子才能高速运动。为了消除加工时的金属蒸气影响电子发射，使其不稳定现象，需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽去。它一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两部分组成，先用机械旋转泵把真空室抽至1.40.14Pa的初步真空度，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.0140.00014的高真空度。 束流

10、强度控制：是为了使电流得到更大的运动速度，常在阴极上加上50150KV以上的负高压。加工时，为了避免热量扩散到不用加工的部位，常使用电子束间歇脉冲性地运动。工作台的移控制是为了在加式过程中控制工作台的位置。如果在大面积加工时有伺服电机控制工作台移动并与电子束的偏转相配合将减少像差和影响线性。 电子枪：是获得电子束的装置，它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。其中阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的正极，在飞向正极的过程中，经过加速，又通过电磁镜把电子束聚焦成很小的束流。加速阳极通常接地，而在阴极加以很高的负电压以驱使电子加速。电子束加工的工件电子束加工的工件 5.1我国电子束加工现状 60年代初，我国开始跟踪世界电子束加工技术的发展，并开始设备及工艺的研究工作。航空工业总公司北京航空工艺研究所是最早开展此项工作的单位之一。经过30多年的努力，我国的电子束加工技术取得了可喜的成果。5.2 我国电子束加工技术的发展纵观电子束加工技术现状及新的发展趋势，可以看出，我国虽经30多年的实践取得了一定成果，但差距很大，今后的任务还很艰巨，既要跟踪世界先进水平，又要赶超过去拉下的距离。今后的工作应从以下几方面展开： 1 电子束能量密度分布测试技术及束流品质自适应控制技术研究 2 高压电场分布及高压稳定技术研究； 3 电