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电子束加工技术  

2010-05-25 14:13:33|  分类: 镀膜技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在许多工业领域中,电子束聚焦后【能量密度】极高(106109 W/cm2),并以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上,在极短的的时间(几分之一秒)内,其能量的大部分转变为热能,使被冲击部分的工件材料达到【几千摄氏度】以上的高温,从而引起材料的【局部熔化或气化】。

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。

【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。了解电子束加工的结构是为了更好的的控制电子束能量密度的大小和能量注入时间,就可以达到不同的加工目的,如果只使材料局部加热就可进行电子束热处理;使材料局部熔化可进行电子束焊接;提高电子束能量密度,使材料熔化和气化,就可进行打孔、切割等加工;利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理,进行电子光刻加工。如:电子束爆光可以用到电子束扫描,将聚焦到小于1um的电子束斑在大约0.55mm的范围,可爆光出任意图形;甚至可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。

【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。【发射阴极】一般用纯钨或钽做成阴极。大大功率时用钽做成块状阴极。在电子束打孔装置中,电子枪阴极在工作过各中受到损耗,因此每过1030 h就得进行定期更换。【控制栅极】为中间有孔的圆筒形,其上加以较阴极为负的偏压,既能控制电子束的的强弱,以有初步的聚集作用。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。

【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。

【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(实际上是为一电磁线圈,通电后它产生的轴向磁场与电子束中心线相平行,径向磁场则与中心线垂直。)靠磁场聚焦。

【束流强度控制】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。

 

电子束加工是利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使材料熔化、气化的特种加工方法,简称为EBM。是由德国的科学家K.H.施泰格瓦尔特于1948年发明的。 

  

【加工原理】

电子束加工的基本原理是:在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子,在高电压(30200千伏)作用下被加速到很高的速度,通过电磁透镜会聚成一束高功率密度(105109瓦/厘米2)的电子束。当冲击到工件时,电子束的动能立即转变成为热能,产生出极高的温度,足以使任何材料瞬时熔化、气化,从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射,因此,加工一般在真空中进行。 

  

电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室,以及观察装置等部分组成。先进的电子束加工机采用计算机数控装置,对加工条件和加工操作进行控制,以实现高精度的自动化加工。电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同,一般为几千瓦至几十千瓦。 

  

【特点和应用】

电子束加工的主要特点是:

 电子束能聚焦成很小的斑点(直径一般为0.010.05毫米),适合于加工微小的圆孔、异形孔或槽;

 功率密度高,能加工高熔点和难加工材料如钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷和半导体材料等;

 无机械接触作用,无工具损耗问题;

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。

其主要缺点是:

 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;

 需要在真空装置中进行加工;

 设备造价高等。

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。

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