電子束加工技術(shù)

電子束加工電子束加工簡(jiǎn)介一加工原理二

加工裝置三

應(yīng)用五

加工特點(diǎn)四要點(diǎn)概覽

發(fā)展前景六電子束加工簡(jiǎn)介電子束加工（ElectronBeamMachining，簡(jiǎn)稱EBM)是利用能量密度很高的高速電子流，在一定真空度的加工艙中使工件材料熔化、蒸發(fā)和汽化而去除的高能束加工。隨著微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，大量的元件需要進(jìn)行微米、亞微米以及納米加工，目前比較適合的加工方法是電子束加工，主要用于打孔、焊接等熱加工和電子束光化學(xué)加工。電子束加工簡(jiǎn)介圖示：電子束加工工件電子束加工簡(jiǎn)介發(fā)展歷程：1948年，德國(guó)物理學(xué)家SteigerwaldK.H發(fā)明了第一臺(tái)電子束加工設(shè)備(主要用于焊接)。1949年，德國(guó)首次利用電子束在厚度為0．5mm的不銹鋼板上加工出直徑為60．2mm的小孔。開辟了電子束在材料加工領(lǐng)域的新天地。1957年法國(guó)原子能委員會(huì)薩克萊核子研究中心研制成功世界上第一臺(tái)用于生產(chǎn)的電子束焊接機(jī)，其優(yōu)良的焊接質(zhì)量引起人們廣泛重視。

電子束加工簡(jiǎn)介20世紀(jì)60年代初期，人們已經(jīng)成功地將電子束打孔、銑切、焊接、鍍膜和熔煉等工藝技術(shù)應(yīng)用到各工業(yè)部門中，促進(jìn)了尖端技術(shù)的發(fā)展。掃描電子束曝光機(jī)研制成功并在20世紀(jì)70年代進(jìn)入市場(chǎng)，使得制造掩膜或器件所能達(dá)到的最小線寬已小于0.5μm。

目前電子束加工技術(shù)在核工業(yè)、航空宇航工業(yè)、精密加工業(yè)及重型機(jī)械等工業(yè)部門應(yīng)用。世界上電子束加工技術(shù)較先進(jìn)的家是德國(guó)、日本、美國(guó)以及法國(guó)等

電子束加工在中國(guó)的發(fā)展：我國(guó)自20世紀(jì)60年代初期開始研究電子束加工工藝，經(jīng)過多年的實(shí)踐，在該領(lǐng)域也取得了一定成果。

（1）大連理工大學(xué)三束材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，采用電子束對(duì)材料表面進(jìn)行照射，研究其對(duì)材料表面的改性。郝勝志等以純鋁材為基礎(chǔ)研究材料，深入研究不同參數(shù)的脈沖電子束轟擊處理對(duì)試樣顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律，進(jìn)而獲得強(qiáng)流脈沖電子束表面改性的一些微觀物理機(jī)制。

簡(jiǎn)介電子束加工吳愛民等以H13和D2模具鋼為基材，通過脈沖電子束直接淬火和電子束表面合金化等方法進(jìn)行表面改性處理試驗(yàn)。

（2）吉林大學(xué)關(guān)慶豐教授帶領(lǐng)的科研小組，對(duì)于強(qiáng)流脈沖電子束作用下金屬材料微觀組織結(jié)構(gòu)的形成與性能進(jìn)行研究。張萬金教授對(duì)于采用電子束輻照對(duì)新型質(zhì)子交換膜的合成及性能的影響進(jìn)行研究等。

簡(jiǎn)介雖然電子束加工目前已在儀器儀表、微電子、航空航天和化纖工業(yè)中得到應(yīng)用,電子束打孔、切槽、焊接、電子束曝光和電子束熱處理等也都陸續(xù)進(jìn)入生產(chǎn),但從電子束加工技術(shù)現(xiàn)狀及新的發(fā)展趨勢(shì)可以看出,我國(guó)在該領(lǐng)域的研究與世界先進(jìn)水平差距很大,今后的任務(wù)還很艱巨。電子束加工簡(jiǎn)介二加工原理如圖5.9所示為電子束加工原理示意圖控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，可以達(dá)到不同的加工目的。（1）使材料局部加熱可進(jìn)行電子束熱處理（2）使材料局部熔化可進(jìn)行電子束焊接（3）提高電子束能量密度，使材料熔化和氣化，可以進(jìn)行打孔、切割等加工（4）使用低能量密度的電子束轟炸高分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，進(jìn)行電子束光刻加工二加工原理二加工原理根據(jù)電子束產(chǎn)生的效應(yīng)：（1）電子束熱加工（2）電子束非熱加工兩種

二加工原理

電子束熱加工二加工原理圖示為利用電子束熱效應(yīng)進(jìn)行的各種加工。低功率密度時(shí)，電子束中心部分的飽和溫度存熔化溫度附近，這時(shí)熔化坑較大，可作電子束熔凝處理。中等功率密度照射時(shí)，出現(xiàn)熔化、汽化和蒸發(fā)，可用于電子束焊接。電子束熱加工二加工原理高功率密度照射時(shí)，電子束中心部分的飽和溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過蒸發(fā)溫度，使材料從電子束的入口處排除出去，并有效地向深度方向加工，這就是電了束打孔加工。高功率密度電子束除打孔、切槽外，在集成電路薄膜元件制作中。利用蒸發(fā)可獲得高純度的沉積薄膜。電子束熱加工二加工原理高功率密度照射時(shí)，電子束中心部分的飽和溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過蒸發(fā)溫度，使材料從電子束的入口處排除出去，并有效地向深度方向加工，這就是電了束打孔加工。高功率密度電子束除打孔、切槽外，在集成電路薄膜元件制作中。利用蒸發(fā)可獲得高純度的沉積薄膜。電子束熱加工電子束非熱加工是基于電子束的非熱效應(yīng)，利用功率密度比較低的電子束和電子膠（電子抗蝕劑，由高分子材料構(gòu)成）相互作用，產(chǎn)生的輻射化學(xué)或物理效應(yīng)。當(dāng)用電子束流照射這類高分子材料時(shí)，由于入射電子和高分子相互碰撞，使電子膠的分子鏈被切斷或重新聚合而引起分子量的變化以實(shí)現(xiàn)電子束曝光。將這種方法與其他處理工藝聯(lián)合使用，就能在材料表面進(jìn)行刻蝕細(xì)微槽和其他幾何形狀。二加工原理電子束熱加工其工作原理如圖5.11所示。該類工藝方法廣泛應(yīng)用于集成電路、微電子器件、集成光學(xué)器件、表面聲波器件的制作，也適用于某些精密機(jī)械零件的制造。通常是在材料上涂覆一層電子膠（稱為掩膜），用電子束曝光后，經(jīng)過顯影處理，形成滿足一定要求的掩膜圖形，而后進(jìn)行不同后置工藝處理，達(dá)到加工要求，其槽線尺寸可達(dá)微米級(jí)二加工原理電子束非熱加工

二加工原理三加工裝置1234

電子槍系統(tǒng)

抽真空系統(tǒng)

電子束控制系統(tǒng)工作臺(tái)系統(tǒng)（電源系統(tǒng)四大系統(tǒng)各系統(tǒng)作用三加工裝置電子束加工裝置是由以下幾個(gè)部分組成的（1）電子槍系統(tǒng)用來發(fā)射高速電子流并加以初步聚焦（2）真空系統(tǒng)保證真空室內(nèi)需要的真空度（3）控制系統(tǒng)控制電子束的大小和方向（4）工作臺(tái)系統(tǒng)電子束的偏轉(zhuǎn)（或移動(dòng)），只能在數(shù)毫米范圍之內(nèi)，移動(dòng)過大則降低加工精度，故電子束的偏轉(zhuǎn)與工作臺(tái)的縱橫向移動(dòng)是相互配合使用的。

（電源系統(tǒng)供給穩(wěn)壓電源及高壓電源）加工裝置示意圖三加工裝置三加工裝置電子槍系統(tǒng)如圖6-2所示，電子槍是用來發(fā)射高速電子流，完成電子的預(yù)聚焦和強(qiáng)度控制的裝置。工作過程是：加熱的發(fā)射陰極3發(fā)射出電子束，電子束在陽(yáng)極光柵較陰極為正的高電壓下加速，當(dāng)速度達(dá)到2/3光速時(shí)通過陽(yáng)極。加到控制柵極4上的是較陰極為負(fù)的偏壓，可以控制電子束的強(qiáng)弱，還可對(duì)電子束進(jìn)行初步對(duì)焦。陰極一般用純鎢或純鉭制成，在工作時(shí)損耗大，每10-30h更換1次，加熱時(shí)溫度達(dá)到數(shù)千攝氏度三加工裝置抽真空系統(tǒng)抽真空系統(tǒng)一般由機(jī)械旋轉(zhuǎn)泵（初級(jí)）和油（或水銀）擴(kuò)散泵兩級(jí)組成。機(jī)械泵先把真空抽至1.3—0.13pa的

抽真空系統(tǒng)三加工裝置三加工裝置抽真空系統(tǒng)

三加工裝置電子束控制系統(tǒng)電子束加工裝置的控制系統(tǒng)包括：（1）束流聚焦控制（2）束流位置控制（3）束流強(qiáng)度控制三加工裝置電子束控制系統(tǒng)束流聚焦控制是為了提高電子束的能量密度，使電子束聚焦成很小的束斑，它基本上決定著加工點(diǎn)的孔徑或縫寬。聚焦方法有兩種，一種是利用高壓靜電場(chǎng)使電子流聚焦成細(xì)束;另一種是利用“電磁透鏡”靠磁場(chǎng)聚焦。后者更為安全可靠。所謂電磁透鏡，實(shí)際上是電磁線圈，通電后它產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)與電子束中心線平行，徑向磁場(chǎng)則與中心線垂直。根據(jù)左手定則，電子束在前進(jìn)運(yùn)動(dòng)中切割徑向磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)，而在圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)在軸向磁場(chǎng)中又將產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)，所以實(shí)際上每個(gè)電子三加工裝置電子束控制系統(tǒng)的合成運(yùn)動(dòng)為一半徑愈來愈小的空間螺旋線而聚焦交于一點(diǎn)。根據(jù)電子光學(xué)的原理，為了消除像差和獲得更細(xì)的焦點(diǎn)，常進(jìn)行二次聚焦。束流位置控制是為了改變電子束的方向，可用電磁偏轉(zhuǎn)來控制電子束焦點(diǎn)的位置。如果是偏轉(zhuǎn)電壓或電流按一定程序變化，電子束焦點(diǎn)變按預(yù)訂的軌跡運(yùn)動(dòng)束流強(qiáng)度控制通過加在陰極上的負(fù)高壓（50-150kv）來實(shí)現(xiàn)三加工裝置工作臺(tái)系統(tǒng)工作臺(tái)位移控制是為了在加工過程中控制工作臺(tái)的位置。因?yàn)殡娮邮钠D(zhuǎn)距離只能在數(shù)毫米之內(nèi)，過大將增加像差和影響線性，因此在大面積加工時(shí)，需要用伺服電動(dòng)機(jī)控制工作臺(tái)移動(dòng)。一般情況下，電子束的偏轉(zhuǎn)與工作臺(tái)的縱橫向移動(dòng)是相互配合使用的。電源電子束加工對(duì)電源電壓的穩(wěn)定性要求較高，常用穩(wěn)壓設(shè)備，這是因?yàn)殡娮邮劢挂约瓣帢O的發(fā)射強(qiáng)度與電壓波動(dòng)有密切關(guān)系。加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖三加工裝置加工裝置實(shí)物示意圖三加工裝置四加工特點(diǎn)電子束加工的特點(diǎn)是：

(1)功率密度高電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(束徑可達(dá)微米級(jí))，且在微小面積上可達(dá)到很大的功率密度，因此在轟擊點(diǎn)處的瞬時(shí)溫度高達(dá)數(shù)千度高溫足以使任何材料熔化或氣化。由此可知，電子束可用來加工任何材料的微孔或窄縫、半導(dǎo)體電路等，是一種精密微細(xì)加工方法。(2)工件變形小電子束的瞬時(shí)熱能是作用在極微小面積上，所以加工部位的熱影響區(qū)很小，在加工過程中無機(jī)械力作用，故加工后不產(chǎn)生受力變形；此外電子束加工也不存在工具消耗問題。所以它的加工精度高、表面質(zhì)量也好。

四加工特點(diǎn)

(3)

電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦進(jìn)行直接控制位置控制的準(zhǔn)確度可達(dá)0．1微米左右，強(qiáng)度和束斑的大小控制誤差也易達(dá)到1％以下。通過磁場(chǎng)或電場(chǎng)幾乎可以無慣性，無功率的控制電子束，便于采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化。

(4)

真空環(huán)境下加工點(diǎn)不受雜質(zhì)污染加工點(diǎn)處能保持原來材料的純度。適合于加工易氧化的金屬及合金材料，特別是要求純度極高的半導(dǎo)體材料。

(5)電子束加工需要一套價(jià)格昂貴的．專用設(shè)備，加工成本高。五應(yīng)用電子束加工按功率密度的能量注入時(shí)間的不同，主要應(yīng)用于：（1）打孔（2）焊接（3）蝕刻（4）熱處理五應(yīng)用

電子束的應(yīng)用范圍對(duì)應(yīng)的不同電子束功率密度及能量注入時(shí)間五應(yīng)用打孔電子束打孔已在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。目前，電子束打孔的最小直徑已達(dá)1μm?？讖皆?．5～0．9mm時(shí)，其最大孔深已超過10mm，即孔深徑比大于15:1。打孔的速度主要取決于板厚和孔徑，通常每秒可加工幾十至幾萬個(gè)孔，而且有時(shí)還可以改變孔徑。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室罩、機(jī)翼的吸附屏、化纖噴絲頭、人造革透氣孔、塑料上的孔，不但用電子束來加工，而且效率高。五應(yīng)用打孔例一：噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室罩孔。某噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室罩，其材料為鋼CrNiCoMoW，厚度1.1mm。共有3478個(gè)直徑為0．8lmm的圓孔分布在外側(cè)球面上，孔徑公差±0.03mm，所有孔中心軸與零件底面垂直。用K12一Q11P型電子束打孔機(jī)加工，零件置于真空室中，安裝在夾具上作連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。加工時(shí)以200ms的單脈沖方式工作，脈沖頻率1Hz例二：零件材料為鈷基耐熱合金，厚度4.3—6.3mm。共有11766個(gè)直徑為0.81mm的化纖噴絲頭通孔，孔徑公差±0.03mm。零件置于真空室中，安裝在夾具上作連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。加工時(shí)以16ms的單脈沖方式工作，脈沖頻率5Hz。打孔過程中電子束隨工件同步偏轉(zhuǎn)，每打一個(gè)孔，電子束跳回原位。加工一件只需要40min，而用電火花加工則需要30h，用激光加工也要3h才能完成，而且公差要優(yōu)于激光加工五應(yīng)用打孔五應(yīng)用打孔例三：電子束加工在人造革上的應(yīng)用?，F(xiàn)在人造革已很普及，但人造革透氣性很差，穿著很不舒服。用電子束在人造革上打孔可以達(dá)到相當(dāng)好的效果。如以天然革穿著的舒適度為100，微孔聚氨酯革只有55，而用電子束打孔的PVC革可達(dá)85。電子束打孔成本比天然革成本低，可替代天然革。加工時(shí)，用一組鎢桿將電子槍產(chǎn)生的單個(gè)電子束分割為200個(gè)孔，效率非常高。因?yàn)閷?duì)孔型無嚴(yán)格要求，人造革在滾筒上旋轉(zhuǎn)時(shí)，電子束無須隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。如1.5mm厚革加工時(shí)，脈沖頻率為25Hz，打孔速率為5000／s，滾筒轉(zhuǎn)速為6r／min。五應(yīng)用打孔圖8.6所示電子束加工的噴絲頭異型孔截面的一些實(shí)例如圖8.7所示利用磁場(chǎng)對(duì)電子束方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，控制合適的曲率半徑，從而得到所需的彎孔或彎縫五應(yīng)用打孔電子束打孔的主要特點(diǎn)概括如下：（1）可以加工出各種金屬和非金屬材料。但加工玻璃、陶瓷、寶石等脆性材料時(shí)，由于在加工部位的附近有很大的溫差，容易引起變形甚至破裂，所以在加工前或加工時(shí)，需用電阻爐或電子束進(jìn)行預(yù)熱。

（2）生產(chǎn)率極高，其他加工方法無可比擬。（3）能加工各種異形孔(槽)、斜度孔、錐孔，以及彎孔等。五應(yīng)用打孔五應(yīng)用打孔五應(yīng)用焊

接電子束焊接(ElectronBeamWelding)是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。當(dāng)高能量密度的電子束轟擊焊件表面時(shí)，使焊件接頭處的金屬熔融，在電子束連續(xù)不斷地轟擊下，形成一個(gè)被熔融金屬環(huán)繞著的毛細(xì)管狀的熔池，如果焊件按一定速度沿著焊件接縫與電子束相對(duì)移動(dòng)，則接縫上的熔池由于電子束的離開而重新凝固，使焊件的整個(gè)接縫形成一條焊縫。它也是電子束加工技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種，已成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的焊接方法。五應(yīng)用焊

接（1）航空航天工業(yè)登月艙的鈹合金框架和制動(dòng)引擎中的64個(gè)零部件都采用了電子束焊接。波紋管組合件是航天發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中利用電子束焊接的一個(gè)主要部分。航天發(fā)動(dòng)機(jī)活門一般采用多層金屬波紋管作動(dòng)密封元件，執(zhí)行指令時(shí)，波紋管組合件的動(dòng)作部分要工作靈活、無卡滯。尤其在液氫溫度下可以顯示無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，制造過程中必須保證波紋管組件焊縫氣密無泄漏和運(yùn)動(dòng)副五應(yīng)用焊

接活動(dòng)靈活，這就要求波紋管組件要有合理的結(jié)構(gòu)和可靠的生產(chǎn)工藝，其中，制造的關(guān)鍵是波紋管的焊接。真空電子束焊接波紋管的接頭強(qiáng)度高，可將焊接的變形量減至最??；精密配合的零件不會(huì)出現(xiàn)卡滯、抱死情況；焊縫致密、美觀，可靠性高。五應(yīng)用焊

接五應(yīng)用焊

接（2）其他工業(yè)應(yīng)用電子束焊接技術(shù)可以改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如大型齒輪組件，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是用整體加工或分體加工再用螺栓組合，費(fèi)工費(fèi)料且結(jié)構(gòu)笨重?？蓪X輪分別加工出來，然后用電子束焊接總成。由于電子束焊接變形小，僅幾微米，不影響組件精度，而且嚙合好，噪聲小，傳輸轉(zhuǎn)矩大，這已在西方國(guó)家汽車工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。一臺(tái)多工位的齒輪專用電子束焊機(jī)．每小時(shí)可以連續(xù)焊接300—600套齒輪。五應(yīng)用焊

接非真空電子束焊接

德國(guó)斯圖加特大學(xué)實(shí)現(xiàn)了母材為AIM90.4Sil.2的旋轉(zhuǎn)件的填絲焊接，加絲材料為A1M94.5Mn，送絲速度為35m／min，焊接速度高達(dá)60m／min。非真空電子束焊接在汽車制造領(lǐng)域一直備受重視并得到應(yīng)用。如手動(dòng)變速器中同步環(huán)與齒輪采用非真空電子束焊接，生產(chǎn)率已超過500件／h。五應(yīng)用焊

接電子束焊接的工藝特點(diǎn)（1）焊接深寬比高。電子束斑尺寸小，能量密度高，因而能實(shí)現(xiàn)高深寬比焊接。（2）焊接速度高。由于能量集中，熔化和凝固過程快，所以焊接速度快，易于實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化。（3）熱變形小。由于能量集中，熱影響區(qū)極小，工件變形小，工件產(chǎn)生裂紋的可能性相應(yīng)減少。（4）焊縫物理性能好。由于焊速快，避免了晶粒粗大，使延展性增加。由于高溫作用時(shí)間短，碳和其他合金元素析出少，焊縫抗蝕性好。五應(yīng)用焊

接（5）工藝適應(yīng)性強(qiáng)。電子束焊具有廣泛的適應(yīng)性，能進(jìn)行變截面焊接。有良好的可達(dá)性，可通過束能輸送到很深的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)狹縫厚材料的深焊。（6）焊接材料范圍廣。除了可焊接普通的碳鋼、合金鋼、不銹鋼外，更有利于焊接高熔點(diǎn)金屬(鉭、鉬、鎢、鈦等及其合金)和活潑金屬(如鋯、鈮等)，還可焊接異種金屬材料和半導(dǎo)體材料以及陶瓷和石英材料。五應(yīng)用焊

接五應(yīng)用

集成電路、微電子器件、集成光學(xué)器件、表面聲波器以及微機(jī)械元器件的圖形制作技術(shù)中，通常將電子束曝光(ElectronBeamExposure，EBE)處理作為刻蝕前置工序。利用低功率密度的電子束照射稱為電子抗蝕劑的高分子材料，由入射電子與高分子相碰撞，使分子的鏈被切斷或重新聚合而引起分子量的變化，這稱為電子束曝光刻蝕五應(yīng)用刻蝕如圖6.14所示按圖形進(jìn)行電子束曝光，就會(huì)在電子抗蝕劑中留下潛像。然后將其放入適當(dāng)?shù)娜軇┲?，則由于分子量不同而溶解度不一樣，就會(huì)使?jié)撓耧@影出來。與離子束刻蝕或蒸鍍工藝結(jié)合，就能在金屬掩膜或材料表面上制出圖形來五應(yīng)用刻蝕五應(yīng)用熱處理熱處理電子束熱處理是把電子束作為熱源，并適當(dāng)控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達(dá)到熱處理的目的。電子束熱處理的加熱速度和冷卻速度都很高，在相變過程中，奧氏體化時(shí)間很短，只有幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來不及長(zhǎng)大，從而能獲得一種超細(xì)晶粒組織，可使工件獲得用常規(guī)熱處理不能達(dá)到的硬度。

五應(yīng)用熱處理熱處理與激光熱處理相比，電子束的電熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90％，而激光的轉(zhuǎn)換效率只有7％～10％。電子束熱處理在真空中進(jìn)行，可以防