第九章 精密和超精密加工的支撑环境

第九章

精密和超精密加工的支撑环境本章内容空气环境和热环境振动环境噪声环境其它环境精密和超精密加工的环境设施支撑环境空气、热、振动、声、光、电场、电磁环境等第一节

空气环境和热环境

空气环境（洁净度、气流速度、压力和有害气体等）热环境洁净室分层次的局部环境空气环境控制空气洁净度即减少空气中的尘埃含量

半导体工业的发展需要提高空气洁净度，被控制微粒的直径：–

0.5µm-›

0.3µm-›

0.1µm

-›0.01µm热环境包括温度、湿度对加工精度的影响温度的影响包括：√设备几何精度√工件加工精度√测量精度（标准温度：20ºC）√测量误差：ΔL=L[α量(θ量-20)-α工(θ工-20)]L：被测件长度；α量、α工：量具、工件线膨胀系数；θ量、θ工：量具、工件温度电机、轴承、齿轮、油泵等工件、刀具、切屑、切削液气温、室温变化、热、冷风等热源切削热摩擦热外部热源内部热源环境温度热辐射日光、照明、暖气、体温等工艺系统的热源工件均匀受热车镗轴套类零件圆柱面，长度及径向受热变形。若在受热时测量达到规定尺寸，冷却后尺寸变小，可能出现尺寸超差。工件不均匀受热铣、刨、磨平面等，工件单面受热产生弯曲变形；磨削细长轴时工件温升逐渐增加热变形对加工精度的影响刀具热变形对加工精度的影响τ

1—刀具加热至热平衡时间τ

2 —刀具加热至热平衡时间τ

0 —刀具间断切削至热平衡时间机床热变形对加工精度的影响•减少发热和采取隔热•强制冷却，均衡温度场•从结构上采取措施减少热变形•控制环境温度。热变形的控制热环境---温度

恒温精度等级：0.2（±0.2ºC）、0.5、1、2级现要求±0.01ºC甚至更高的恒温要求精密恒温需要:√普通恒温精度√设备浸入恒温油槽√加工区加保温罩√恒温油局部淋浇等热环境---湿度

相对湿度：空气中水蒸汽分压力和同温度下饱和水蒸汽分压力的比值。（35%-45%，波动范围：±10%、±5%、±2%，半导体工业：±1%）湿度>50%，设备易锈蚀，光学镜头出现霉斑湿度>55%，冷却水管结露，电路系统有安全隐患

湿度高使水分子将尘埃化学吸附在硅片表面；湿度高<30%，材料变脆、易燃、静电力增加，某些半

导体材料易击穿。湿度对尘埃粘附的影响洁净室

定义:将室内空气中尘埃微粒、温度、湿度、压力流速和气流分布形式及形状等控制在一定范围内的房间。基本要求空气过滤器气流组织正压控制温度和湿度控制基本要求发尘量小：√不带入、不产生尘埃及时除尘：√不易带静电材料，局部排气供给洁净空气：√HEPA过滤器保证洁净空气供给高效过滤器（HEPA--HighEfficiency

Particulate

Air

）高效过滤器材料：玻璃纤维过滤纸和合成纤维过滤纸过滤对象：尘粒<1

μm阻力：≤250Pa计数效率(对于0.3μm的粉尘):>99.97%空气过滤器参数:效率、阻力、容尘量、风速、滤速

过滤效率：额定风量下，过滤器捕捉的尘埃量与过滤前进入过滤器尘埃量的百分比。阻力：用压力降表示高效过滤器空气过滤器

风机，初效过滤网、送风静压箱、高效过滤器和均流板。带有风速可调器。

净化级别出风口可达千级。在工作台面可达到万级洁净级别（即1ft3空气中≥0.5um颗粒约在1万颗左右）

采用可变风量风机系统，多档调速，逐档选用，保证局部工作区风速始终处于理想状态气流组织作用:√快速有效排除已有尘埃，√阻止尘埃进入气流组织的形式√乱流形式√层流形式乱流形式的气流组织

特点：净化空气自顶向下，近地面处回气，气流与尘埃下降方向一致。优点：√建设,运行费用小缺点：√受送/回风口布置和结构限制，√洁净度为：1000~100000乱流形式的气流组织层流形式的气流组织特点：气流几乎平行，匀速运动优点：√净化空气直接冲洗作业区，√洁净度可达100级或更高，√响应速度快；缺点：建设运行费用高层流形气流组织形式垂直层流方式√顶棚安装高效过滤器，地面布满回风口√洁净空气以匀速将尘埃迅速压下而排走。水平层流方式√侧面安装高效过滤器，另一面布满回风口√要考虑气流方向与尘埃沉落方向不一致，风速应较大。层流方式垂直层流方式和水平层流方式垂直层流方式水平层流方式正压控制送入风量>排出风量，保证室内洁净度和温度、湿度，防止外界空气渗入，

过大会影响过滤器寿命和增加能量消耗。正压控制因温差产生的开放部气流（左：有污染；右：无污染）温度和湿度控制

加工能量转化和操作人员身体散热，室内外温度不一致引起的热传递。

用空气调节系统实现对洁净室内温度、湿度的实时控制。

空气加热、冷却、加湿、减湿设备。如空气加热器，固体吸湿剂以及空气与其它介质的热湿交换设备。分层次的局部环境

逐层提高洁净度，超精密环境外的多层保护提高安全性、可靠性，同时可降低费用。安排物流：√一般环境—精密环境，避免物流交叉；√对某些加工，可采用局部恒温和净化措施。第二节

振动环境振动环境的干扰振动干扰的消除隔振器的隔振原理隔振元器件振动环境的干扰

振动影响加工精度和表面质量，需要积极预防、实现隔振、消振。振动的来源：√室内：人员走动、设备振动、物料搬运、辅助设施等；√室外：交通运输、工厂生产、建设施工、辅助设备等；√自然界：常时微动以及风等；振动干扰的消除内部干扰的消除（防振）√提高回转零件的动平衡精度√减少设备传动系统的振动干扰√减少液压系统的干扰√提高设备的抗振性外界干扰的消除（隔振）√远离振源√隔振地基和隔振元件隔振原理机器运转时产生不平衡力，若机器直接安装在基座上，这种不平衡力将传给基座。为了减小这种不平衡力的传递，常在机器和机座之间安装上弹簧和阻尼器（弹簧、橡皮、毛毡等垫料这种措施成为隔振。隔振可以分为主动隔振和被动隔振。其中，主动隔振是指对于本身是振源的设备，为了降低它对周围设备的影响，将它与支承（地基）隔离开来，减少它传给支承的力，并使设备本身的振动减小隔振器的隔振原理

外界干扰频率小于系统固有频率，振动干扰力全部通过减振器传给设备，无减振作用。

干扰频率等于系统固有频率，系统发生共振。

干扰频率大于系统固有频率，减振器起到减振作用。隔振原理通过隔振器传到支承上的力幅P与激振力幅P0之比为：ε——隔振效率η——隔振系数λ

——频率比隔振器的隔振原理单自由度隔振系统振动传动曲线η>1时才有减振作用

λ>√2,一般取3隔振元器件（隔振垫层和隔振器）刚度：产生与振动干扰位移成正比的恢复力阻尼：产生与振动干扰速度成正比的阻尼力

隔振要求：作用在地基上的恢复力和阻尼力的矢量和应尽量小，则设备振动时的惯性力部分抵消外界振动干扰，实现积极隔振。隔振垫层隔振器有源控制器隔振垫层

选择合适的弹性材料、截面积或垫层厚度对一定质量设备进行隔振。常用材料：橡皮、橡胶、软木、玻璃纤维以及泡沫塑料等。隔振器具有确定形状和隔振功能的弹性元件。

弹簧隔振器：承载力强，静载压缩量大，固有频率低，性能稳定可靠，便宜

橡胶隔振器：承载力、静载压缩量、固有频率小，阻尼大，高频隔离性能好，安装方便，便宜

弹簧与橡胶组合隔振器：结合两者优点，有串联和并联两种形式

空气隔振器：固有频率很低，载荷变化时固有频率不变，可隔离高频微振，结构复杂，昂贵金属弹簧隔振器由钢丝、钢板或钢条制成。是目前国内外应用较广泛的低频隔振器，尤其应用于静态压缩量大于5cm或环境条件不允许采用橡胶材料的地方。具有弹性好、耐高温、耐油、耐腐蚀、寿命长、承载能力高等优点。缺点是本身阻尼小，共振时传递率大，高频隔振性能差。弹簧隔振器44橡胶隔振器适合于中小型设备，具有良好的隔振缓冲和隔声性能，形状可自由选择，不会产生共振

激增现象，可承受压缩、剪切或剪切-压缩力，但不能承受拉力。由于橡胶成型容易，也易于与金属牢

固地粘接，因此可以设计制造出各种形状的隔振器，而且重量轻、体积小、价格低、安装方便。其缺点

是易老化，耐高、低温性能差，不耐油污，承载能

力也较低。橡胶隔振器有源控制器

通过位移传感器获得控制量信息，由控制器以该信息为基础输出相映控制信号使执行器产生附加控制力，达到减振的目的；可实现3轴控制，价格昂贵，减振设备重量受到一定限制无源隔振有源隔振空气隔振垫隔振原理气源减压阀充排气阀胶囊主气室可调阻尼孔辅助气室隔振垫1隔振垫2隔振垫3第三节

噪声环境噪声及其影响噪声源噪声控制噪声及其影响

噪声由不同频率和声强声音杂乱组合，使人烦恼，对工作有妨碍的声音。

按使人烦恼情绪分：极安静、较安静、稍嫌吵闹、比较吵闹和及吵闹；

按集中精神影响率、动作准确性高影响率和工作速度高影响率对工作效率的影响；

对综合通讯的干扰分：清楚、稍困难、困难和不可能；噪声源

空气动力：空气流动时压力突变引起的空气振动

机械噪声：零件受外力引发的固体振动

电磁噪声：电机、电器内部空隙交变应力相互作用固体噪声：来自物体间传递的弹性波噪声控制

控制噪声源：设备低速，低噪声；控制空调系统中的气流速度；电器设备优良；远离外界强噪声源等隔声：阻碍噪声的传播方式

吸声：采用吸声材料将声波转化为热能

消声：用阻尼、抗性、共振性、复合性等消声原理阻尼减噪在摩擦损耗等作用下，其振动能量就被转化成热能从而被有效地加以抑制吸音材料显微结构第四节

其它环境光环境静电环境光环境洁净室照明方式：√一般照明；√局部照明；√混合照明；照度：单位面积上接受的光通量（300~500Lx最好），最好是天然光源辅助人工光源

眩光：照明质量的衡量指标，眩光引起人的不舒适。静电环境产生和积聚大量静电的危害：√使人受电击导致动作失误，产生二次伤害√静电放电使元器件击穿√静电放电发光使胶片不正常感光，产生的热使易燃物起火和爆炸，产生的电磁波干扰仪器√静电使微粒吸附表面污染制品减少静电产生和静电积聚静电消除措施防静电地板防静电腕带离子风机防静电衣第五节

精密和超精密加工的环境设施

精密和超精密加工支撑环境的明确目标为：√必须满足加工作业的严格要求；√追求经济性；√考虑对操作者安全及周围环境的污染；√应满足制造工艺不断变化的要求等层流洁净室的剖面设计l.双梁结构法2.方便起吊净化装置的构件3.低噪音型洁净单