先進(jìn)制造技術(shù)課件：微機(jī)械及微細(xì)加工技術(shù) -

微機(jī)械及微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及微細(xì)加工技術(shù)前言

5.1微機(jī)械及微細(xì)加工概論

5.2微細(xì)切削加工

5.3硅微細(xì)加工技術(shù)5.4LIGA技術(shù)5.5納米焊接技術(shù)前言本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章教學(xué)重點(diǎn)導(dǎo)入案例本章學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握微機(jī)械與微細(xì)加工的定義及加工技術(shù)掌握微細(xì)切削加工技術(shù)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用掌握硅微細(xì)加工技術(shù)了解LIGA技術(shù)的特點(diǎn)及工藝過程了解納米焊接技術(shù)的原理及應(yīng)用本章教學(xué)重點(diǎn)知識(shí)要點(diǎn)能力要求相關(guān)知識(shí)微機(jī)械與微細(xì)加工掌握微機(jī)械與微細(xì)加工的概念微機(jī)械加工的關(guān)鍵技術(shù)微細(xì)切削加工掌握微細(xì)切削加工技術(shù)微細(xì)車削、微細(xì)沖壓、微細(xì)銑削、微細(xì)鉆削加工技術(shù)硅微細(xì)加工掌握體硅微細(xì)加工和表面硅微細(xì)加工光刻、腐蝕技術(shù)LIGA技術(shù)了解LIGA技術(shù)的特點(diǎn)及工藝過程三維立體微細(xì)加工技術(shù)納米焊接技術(shù)了解納米焊接技術(shù)的發(fā)展超聲波納米焊接過程導(dǎo)入案例圖1為微機(jī)械陀螺儀，是測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體角速度的微型慣性器件，可用于導(dǎo)航、平臺(tái)穩(wěn)定、汽車安全系統(tǒng)、遙控直升機(jī)等。微型機(jī)器人可以從事大型機(jī)器人無法完成的收集信息及智能操作等多項(xiàng)工作。圖2中可立于指甲蓋上的微型機(jī)器人，只有昆蟲那樣大小，甚至是更微小的結(jié)構(gòu)。圖3為采用金剛石車刀微細(xì)車削的微米級(jí)零件，其表面質(zhì)量非常高。圖4為微細(xì)車削的非球面擠壓模具，其尺寸僅為70μm×15μm。

導(dǎo)入案例導(dǎo)入案例5.1微機(jī)械與微細(xì)加工概論5.1.1微機(jī)械5.1.2微細(xì)加工技術(shù)5.1.1微機(jī)械別名：微機(jī)械在美國被稱作微型機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanicalsystem，MEMS)；在日本被稱作微機(jī)器(micromachine)；而在歐洲則被稱作微系統(tǒng)(microsystem)。概念：由諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者RichardFeynman于l959年首先提出的，可概括為批量制作的、集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、甚至外圍接口、通信電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。5.1.1微機(jī)械分類：微機(jī)械按其尺寸特征可以分為：微小機(jī)械(1～10mm)；微機(jī)械(1μm～1mm)；納米機(jī)械(1nm～1μm)。特點(diǎn)：體積小、質(zhì)量輕；性能穩(wěn)定、可靠性高；能耗低，靈敏度和工作效率高；易于實(shí)現(xiàn)多功能化、智能化及大批量生產(chǎn)等。應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、國防等領(lǐng)域。5.1.2微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工概念：微細(xì)加工是指加工尺度為微米級(jí)范圍的加工方式，在微機(jī)械研究領(lǐng)域中，它是微米級(jí)、亞微米級(jí)乃至納米級(jí)微細(xì)加工的通稱。微細(xì)加工起源于半導(dǎo)體制造工藝，是MEMS發(fā)展的重要基礎(chǔ)。5.1.2微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工大致分四類：1.分離加工—將材料的某一部分分離出去的加工方式，如分解、蒸發(fā)、濺射(可去除材料，也可增加材料)、破碎等；2.接合加工—同種或不同材料的附和加工或相互結(jié)合加工，如蒸鍍、淀積、摻入、生長、就結(jié)等；3.變形加工—使材料形狀發(fā)生改變的加工方式，如塑性變形加工、流體變形加工等；4.材料處理或改性，如一些熱處理或表面改性等。5.1.2微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)概念：微細(xì)加工技術(shù)是指制作微機(jī)械或微型裝置的加工技術(shù)。主要包括：微細(xì)切削加工技術(shù)、硅微細(xì)加工技術(shù)、LIGA技術(shù)等。新的高科技微細(xì)加工方法層出不窮，如聚焦離子束(FIB)微細(xì)加工技術(shù)、微/納壓印加工技術(shù)等。這些技術(shù)曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的加工制作。特點(diǎn)：加工范圍廣,設(shè)備成本相對(duì)較低,生產(chǎn)效率、相對(duì)精度高,且其相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究成熟等。5.2微細(xì)切削加工概念：微細(xì)切削是一種三維實(shí)體加工技術(shù)，可制作毫米級(jí)尺寸以下的微機(jī)械零件。常用的方法主要包括微細(xì)車削、銑削、鉆削、沖壓，適合所有的金屬材料、塑料及工程陶瓷等。但多是單件加工，單件裝配，其批量制作可通過模具加工、電鑄、注塑等方法實(shí)現(xiàn)。5.2微細(xì)切削加工5.2.1微細(xì)車削加工5.2.2微細(xì)鉆削5.2.3微細(xì)銑削5.2.4微細(xì)沖壓5.2.5微細(xì)磨削5.2.6MMP技術(shù)5.2.1微細(xì)車削加工微細(xì)車削加工是加工回轉(zhuǎn)類微型零件的有效方法之一。加工要求：加工微型零件時(shí)要求有合理的微型化車床。加工微型零件時(shí)要求有合理的微型化車床、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、高速高回轉(zhuǎn)精度主軸、高分辨率的伺服進(jìn)給系統(tǒng)及刀刃足夠小、硬度足夠高的車刀。微細(xì)車削加工一般采用金剛石車刀。（金剛石車刀是采用天然優(yōu)質(zhì)單晶金剛石或人造金剛石設(shè)計(jì)加工而成）5.2.1微細(xì)車削加工日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室（MEL）于1996年開發(fā)了世界上第一臺(tái)微型化的機(jī)床——微型車床，長32、寬25mm、高30.5mm，重量為100g（圖5-1為該車床與硬幣的比較）；主軸電機(jī)額定功率1.5W，轉(zhuǎn)速1000r/min。5.2.1微細(xì)車削加工5.2.1微細(xì)車削加工案例：四川大學(xué)通過切削試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出能加工最小直徑為7um的微細(xì)軸的金剛石車刀。軸先半精加工至100um后，再采用人造單晶金剛石車刀車削成形。圖5-2為端部直徑為7um微細(xì)軸的掃描電子顯微鏡圖片。在車削微細(xì)軸的基礎(chǔ)上，開展了微細(xì)螺紋車學(xué)技術(shù)的研究。圖5-3給出了加工長度為150um、直徑為36.6um、尺高為6.7um及螺距為10um的掃描電子顯微鏡圖片。5.2.1微細(xì)車削加工5.2.1微細(xì)車削加工5.2.2微細(xì)鉆削微細(xì)鉆削現(xiàn)已成為微細(xì)孔加工的最重要工藝之一，一般用于電子、精密機(jī)械、儀器儀表等行業(yè)中直徑小于0.5mm的孔的加工。國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、實(shí)用性最強(qiáng)的仍是采用麻花鉆的鉆削。麻花鉆微孔鉆削存在的難點(diǎn)主要包括：微小鉆頭的剛度低；排屑困難；軸向鉆削力相對(duì)較大,出口毛刺相對(duì)較高；可視性差檢測(cè)困難等。

針對(duì)以上問題，目前開展了難加工材料的鉆削機(jī)理；小孔鉆削機(jī)床研制和微細(xì)鉆頭的刃磨、制造工藝；超聲振動(dòng)鉆削等新工藝的研究等。5.2.2微細(xì)鉆削目前，商業(yè)供應(yīng)的微細(xì)鉆頭的最小直徑為50μm，要得到更細(xì)的鉆頭，必須借助于特種加工方法。線電極電火花磨削（WEDG）技術(shù)可以穩(wěn)定地制成直徑為10μm的鉆頭，最小可達(dá)6.5um。圖5-4是采用金剛石車刀車削而成的

11um軸做電極，在厚度為20um的金箔上加工出

19um微孔的掃描電子顯微鏡圖片。5.2.2微細(xì)鉆削5.2.3微細(xì)銑削微細(xì)銑削技術(shù)因具有高精度、高效率、高柔性、能加工復(fù)雜三維形狀和多種材料的特點(diǎn)，已成為一個(gè)非?；钴S的研究熱點(diǎn)。目前的研究主要集中在微徑銑刀及微細(xì)銑床的開發(fā)上。5.2.3微細(xì)銑削聚焦離子束方法適于制造微徑銑刀。刀具材料為高速鋼和硬質(zhì)合金，最小直徑可達(dá)22um切削刃分為2刃、4刃和6刃。微細(xì)銑床的開發(fā)也取得了很大的進(jìn)展。MEL開發(fā)的微細(xì)銑床，長170mm，寬170mm，高102mm。主軸用功率為36W的無刷直流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)速約為15600r/min。這臺(tái)銑床能銑平面也能鉆孔。5.2.3微細(xì)銑削案例：日本FANUC公司和電氣通信大學(xué)合作研制的車床型超精密銑床，在世界上首例用切削方法實(shí)現(xiàn)了自由曲面的微細(xì)加工。這種超精密切削加工技術(shù)可使用切削刀具對(duì)包括金屬在內(nèi)的各種可切削材料進(jìn)行微細(xì)加工，而且可利用CAD/CAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)控加工，生產(chǎn)率高，相對(duì)精度高。圖5-5為用該機(jī)床銑削的日語中叫做“能面”的微型臉譜。5.2.3微細(xì)銑削5.2.4微細(xì)沖壓在MEMS微器件中，常有許多帶小孔的板件，板件上的小孔可用沖孔方法加工。MEL開發(fā)的微沖壓機(jī)床，長111mm，寬66mm，高170mm，裝有一個(gè)100W的交流伺服電機(jī)，可產(chǎn)生3kN的壓力。該沖壓機(jī)床帶有連續(xù)的沖壓模，能實(shí)現(xiàn)沖裁和彎板。日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所利用WEDG技術(shù)，制作微沖壓加工的沖頭和沖模，然后進(jìn)行微細(xì)沖壓加工，在50μm厚的聚酰胺塑料上沖出寬度為40μm的非圓截面微孔。5.2.5微細(xì)磨削磨削加工主要是將砂輪和砂帶表面上的磨粒近似看成微刃，整個(gè)砂輪可看成銑刀。磨削加工微器件時(shí)需注意以下問題：磨粒在高速、高壓和高溫作用下會(huì)變鈍，且切削能力下降；磨?？赡苊撀洌拜喪ネ庑尉?；選用磨粒材料時(shí)要求耐高溫高壓，常用的磨粒材料有人造金剛石。Weck等采用金剛石作為磨具加工微結(jié)構(gòu)，用于纖維定向排列的溝槽如圖5-6所示。5.2.5微細(xì)磨削5.2.6MMP技術(shù)MMP微細(xì)加工技術(shù)(Micro-MachiningProcess)是世界著名的奢侈品公司，瑞士歷峰集團(tuán)下屬子公司BinC公司發(fā)明的一種專門用于對(duì)金屬、非金屬部件表面進(jìn)行超精加工的全自動(dòng)化處理技術(shù)。5.2.6MMP技術(shù)MMP微細(xì)加工技術(shù)是一項(xiàng)完全創(chuàng)新的工藝，其技術(shù)秘訣在于能夠有效地控制對(duì)被加工部件表面材料去除的位置及數(shù)量而不影響材料的質(zhì)地和精度，可以選擇性地修正部件表面上的微粗糙度布局，即通過機(jī)械、物理及輔助化學(xué)的互動(dòng)工藝程序，有選擇地去除在金屬部件表面上1至20微米的材料。圖5-7給出了MMP對(duì)表面的處理工程。5.2.6MMP技術(shù)5.2.6MMP技術(shù)MMP的應(yīng)用可分為兩種。功能型應(yīng)用：有選擇的去除部分粗糙度，如工具，航空等；外觀型應(yīng)用：徹底去除粗糙度，如首飾、手表等。圖5-8為MMP技術(shù)用于手表表面處理前后的對(duì)比圖。5.2.6MMP技術(shù)5.3硅微細(xì)加工技術(shù)概念：硅微細(xì)加工主要是指以硅材料為基礎(chǔ)制作各種微機(jī)械零部件的技術(shù)。分類：主要分為體硅微細(xì)加工和表面硅微細(xì)加工兩大類。5.3硅微細(xì)加工技術(shù)5.3.1體硅微細(xì)加工5.3.2表面硅微細(xì)加工5.3.3

鍵合技術(shù)5.3.1體硅微細(xì)加工概念：體硅微細(xì)加工在微機(jī)械制造中應(yīng)用最早，是以單晶硅為加工對(duì)象，主要通過光刻、腐蝕等技術(shù)在硅基上有選擇性地去除部分材料，從而獲得所需的微結(jié)構(gòu)，如坑、凸臺(tái)、帶平面的孔洞等。5.3.1體硅微細(xì)加工體硅微細(xì)加工技術(shù)：

1.光刻

2.腐蝕光刻由來：光刻源于微電子的集成電路制造，是芯片生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。光刻原理與印刷技術(shù)中的照相制版相似：在硅等基體材料上涂覆光致抗蝕劑(或稱為光刻膠)，用照相復(fù)印的方法將光刻掩模上的圖形印制在其上，然后進(jìn)行選擇性腐蝕，刻蝕出規(guī)定的圖形。所用的基材有各種金屬、半導(dǎo)體和介質(zhì)材料。光致抗蝕劑俗稱光刻膠或感光劑，是一種經(jīng)光照后能發(fā)生交聯(lián)、分解或聚合等化學(xué)反應(yīng)的高分子溶液。光刻光刻加工主要分為兩個(gè)階段：(1)光刻掩膜的制作：掩模的基本功能是當(dāng)光束照在掩模上時(shí)，圖形區(qū)和非圖形區(qū)對(duì)光有不同的吸收和透過能力。理想的情況是圖形區(qū)可讓光完全透射過去，非圖形區(qū)則將光完全吸收。目前較先進(jìn)的制版技術(shù)一般采用CAD繪圖，爾后在計(jì)算機(jī)控制下經(jīng)電子束曝光機(jī)直接制作主掩模版，或計(jì)算機(jī)控制光學(xué)圖形發(fā)生器制版。為提高掩模精度，當(dāng)前繪圖機(jī)→圖形發(fā)生器→電子束曝光的流程正成為制造工藝向前發(fā)展的主流。(2)光刻：基本過程見圖5-9。光刻光刻光刻基本過程詳細(xì)介紹：1)涂膠：在基板上沉積成膜材料，并在涂膠機(jī)上用旋轉(zhuǎn)法涂敷光刻膠。2)曝光：曝光通常有兩種方法：①由光源發(fā)出的光束，經(jīng)掩膜在光刻膠上成像，稱為投影曝光。②將光束聚焦形成細(xì)小束斑，通過掃描在光刻膠涂層上繪制圖形，稱為掃描曝光。光刻目前，微機(jī)械光刻采用的曝光技術(shù)主要有電子束曝光技術(shù)、離子束曝光技術(shù)、X射線曝光技術(shù)、遠(yuǎn)紫外曝光技術(shù)和紫外準(zhǔn)分子激光曝光技術(shù)等。其中，離子束曝光技術(shù)的分辨率最高，可達(dá)0.01μm；電子束曝光技術(shù)代表了最成熟的亞微米級(jí)曝光技術(shù)；而紫外準(zhǔn)分子激光曝光技術(shù)則具有最佳的經(jīng)濟(jì)性，成為近年來發(fā)展速度極快且實(shí)用性較強(qiáng)的曝光技術(shù)，已在大批量生產(chǎn)中保持主導(dǎo)地位，其極限分辨率為0.2μm。幾種曝光技術(shù)的比較如表5-1所示。曝光技術(shù)的比較光刻3)顯影與烘片：曝光后的光刻膠在一定的溶劑中將曝光圖形顯示出來，稱為顯影。顯影后進(jìn)行200~250°C的高溫處理，以提高光刻膠的強(qiáng)度，稱為烘片。4)刻蝕：采用化學(xué)或物理方法，將沒有光刻膠部分的氧化膜除去。常用的刻蝕方法有化學(xué)刻蝕、離子刻蝕、電解刻蝕等。5)去膠：用剝膜液去除光刻膠。剝膜后需進(jìn)行水洗和干燥處理。腐蝕腐蝕常用的方法主要有濕法腐蝕和干法腐蝕兩種。當(dāng)腐蝕劑為液體時(shí)所進(jìn)行的腐蝕稱為濕法腐蝕，常用的腐蝕液有HF-HN03系溶液、KOH、EPW和聯(lián)氨等，加工深度可達(dá)幾百微米。腐蝕劑為氣體時(shí)所進(jìn)行的腐蝕稱為干法腐蝕，它是利用粒子轟擊材料的某些部位進(jìn)行選擇性地腐蝕的方法，主要有等離子體腐蝕(PE)、離子腐蝕(IE)、反應(yīng)離子腐蝕(RIE)等。目前，隨著干法腐蝕技術(shù)的發(fā)展，已形成以干法為主，干、濕法結(jié)合的刻蝕工藝。5.3.2表面硅微細(xì)加工表面硅微細(xì)加工是以硅片為基體生長多層薄膜，如二氧化硅、單晶硅、多晶硅、氮化硅、有機(jī)物薄膜等；采用選擇性腐蝕技術(shù)，去除部分不需要的膜層，在硅平面上形成所需要的形狀，甚至是可動(dòng)部件，去除的部分膜層一般稱為“犧牲層”，整個(gè)加工過程都在硅片表面層上進(jìn)行，其核心技術(shù)是“犧牲層”技術(shù)。該技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)在于把機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子電路集成一起的能力，從而使微產(chǎn)品具有更好的性能和更高穩(wěn)定性?？捎靡灾谱骰顒?dòng)構(gòu)件，如轉(zhuǎn)子、齒輪等，還可以制造多種諧振式、電容式、應(yīng)變式傳感器和靜電式、電磁式執(zhí)行器，如微電機(jī)、諧振器等。5.3.3

鍵合技術(shù)概念：鍵合技術(shù)是指通過化學(xué)和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其它材料緊密地結(jié)合起來的方法。硅片鍵合往往與表面硅加工和體硅加工相結(jié)合，用在MEMS的加工工藝中。常見的硅片鍵合技術(shù)包括金硅共熔鍵合、硅/玻璃靜電鍵合、硅/硅直接鍵合等。5.3.3

鍵合技術(shù)1.金硅共熔鍵合2.靜電鍵合3.

直接鍵合金硅共熔鍵合采用熔點(diǎn)為363

C的金硅焊料作中間過渡層，置于欲鍵合的兩片之間，將它們加熱到稍高于金硅共熔點(diǎn)的溫度。在這種溫度下，金硅混合物將從與其鍵合的硅片中奪取硅原子以達(dá)到硅在金硅二相系中的飽和狀態(tài)，冷卻以后就形成了良好的鍵合。利用這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)硅片之間的鍵合。靜電鍵合靜電鍵合技術(shù)是1969年Wallis和Pomeranty首次提出，現(xiàn)在已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的工藝技術(shù)，可以將玻璃與金屬、合金或半導(dǎo)體等材料鍵合在一起，不需要任何粘合劑，而且鍵合溫度低，鍵合界面牢固，長期穩(wěn)定相好，大量應(yīng)用于MEMS工藝中的密封腔制備過程，可以制備壓力傳感器，密封器件的密封腔等。靜電鍵合裝置如圖5-10所示。靜電鍵合直接鍵合直接鍵合是Lasky于1985年提出。兩硅片通過高溫處理可以直接鍵合在一起,不需要任何粘結(jié)劑和外加電場。直接鍵合工藝可以實(shí)現(xiàn)Si-Si、Si-SiO2、SiO2-SiO2等的鍵合。另外，在硅片之間夾雜一層中間層,如低熔點(diǎn)的硼硅玻璃等,還可以實(shí)現(xiàn)較低溫度的鍵合,并且也能達(dá)到一定的鍵合強(qiáng)度,這種低溫鍵合可與硅半導(dǎo)體器件常規(guī)工藝兼容。5.4LIGA技術(shù)概念：LIGA技術(shù)是利用X射線光刻、電鑄成型和塑料鑄模等方法進(jìn)行操作的非硅基微細(xì)加工技術(shù)。特點(diǎn)：LIGA技術(shù)是一種全新的三維立體微細(xì)加工技術(shù)。其特點(diǎn)是可制作具有很大縱橫比的復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于微型機(jī)械、微光學(xué)器件制作、裝配和內(nèi)連技術(shù)、光纖技術(shù)、微傳感技術(shù)、醫(yī)學(xué)和生物工程方面。從而成為MEMS極其重要的一種微制造技術(shù)。LIGA技術(shù)如圖5-11所示。5.4LIGA技術(shù)5.4LIGA技術(shù)LIGA技術(shù)主要包括以下3個(gè)工藝過程：1)深層同步輻射X射線光刻2)電鑄成形3)注塑深層同步輻射X射線光刻將聚乙-甲基丙烯酸甲酶等作光刻膠涂在基板上，再在基板上蓋上己刻好圖形的金屬掩膜，再用X線使光刻膠層曝光、顯影將未曝光部分溶解掉，制成光刻膠的結(jié)構(gòu)圖像，同步輻射X射線除具有普通X射線所具有的波長短、分辨率高、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有特定的優(yōu)點(diǎn)，主要包括：幾乎是完全平行的X射線輻射，可進(jìn)行大焦深(>10μm)的曝光，減小了幾何畸變的影響；高輻射強(qiáng)度，比普通X射線強(qiáng)度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，便于利用靈敏度較低，但穩(wěn)定性較好的光刻膠來實(shí)現(xiàn)單層膠工藝；曝光時(shí)間短，生產(chǎn)率高。電鑄成形在光刻膠結(jié)構(gòu)圖形的間隙處鍍上鎳、銅或金等金屬至所需厚度，制成金屬模。以金屬基底作