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73电子束加工
7.3 电子束加工
电子束加工(ElectronBeam Machining,EBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工,
它在精细加工方面,尤其是在微电子学领域中得到了较多应用。
7.3.1 电子束加工的基本原理
-9 —29
电子是一个非常小的粒子(半径为 2.8×10 mm),质量很小(2.8×10 g),但其能量很
高,可达几百万电子伏(eV)。电子枪射出的电子束可以聚焦到直径为 5~10 μm,因此有很
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高的能量密度,可达10 ~10W/cm 。高速高能量密度的电子束冲击到工件材料上时,在几分
之一微秒的瞬时,入射电子与原子相互碰撞作用,产生局部高温(高达几千度),使工件材
料局部熔化、气化、蒸发成为雾状粒子而被真空系统去除,这就是电子束加工。
高能电子束具有很强的穿透能力,穿透深度为几微米甚至几十微米。通过控制电子束能
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,例如:
1)提高电子束能量密度,使材料熔化或汽化,便可进行打孔、切割等加工;
2)使材料局部熔化可进行电子束焊接;
3)只使材料局部加热就可进行电子束热处理;
4)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,就可进行电子束光刻
加工。
7.3.2 电子束加工的特点
1)电子束能够极细微聚焦,加工面积可以很小,能够加工细微深孔、窄缝、半导体集
成电路等。
2)加工材料的范围较广,对脆性、韧性、导体与非导体及半导体材料都可以加工。因
为是在真空中加工,不易被氧化,特别适合加工易氧化的金属及合金材料,以及纯度要求极
高的半导体材料,而且污染少。
3)加工速度快、效率高。例如,每秒钟可以在2.5mm 厚的钢板上钻50 个直径为0.4mm
的孔,其生产率比电加工高几十倍。
4)因为电子束加工是非接触式加工,不受机械力作用,故加工工件不易产生宏观应力
和变形。
5)可以通过磁场和电场对电子束强度、位置、聚焦等进行直接控制,便于计算机自动
控制。
6)设备价格较贵,成本高,同时应考虑X 射线的防护问题。
7.3.3 电子束加工装置
电子束加工装置的基本结构,如图7-9 所示。
(1)电子枪 电子枪包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。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,经过加速极加速,
又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束流。
-2 -4
(2)真空系统 真空系统用来保证所需1.33×10 ~1.33×10 Pa 的真空度,同时不断
地把加工中产生的金属蒸气抽去以消除加工时的金属蒸气影响电子发射而使其产生不稳定
现象。
真空系统一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两极组成,先用机械旋转泵把真空
室抽至 1.4~0.14Pa 的初步真空度,然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.014~0.00014Pa
的高真空度。
图7-9 电子束加工装置结构示意
1-工作台系统 2-电子束 3-电磁透镜 4-电子枪
(3)控制系统和电源 电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、
束流强度控制以及工作台位移控制等部分。另外,电子束加工装置对电源电压的稳定性要求
很高,因此需用稳压设备。
7.3.4 电子束加工的应用
电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同,可分别用于打孔、切割、蚀刻、焊接、
热处理、光刻加工等。
1.高速打孔
利用电子束打孔,孔的深径比可达 10:1,最小直径可达φ0.003mm 左右,而且速度极
高。例如:用电子束加工玻璃纤维喷丝头上直径为φ0.8mm、深3mm 的孔,效率可达每秒20
孔,比电火花打孔快100 倍;在人造革、塑料上进行每秒50000 孔的极高速打孔。
2.焊接
当高能量密度的电子束轰击焊接表面时,使焊件接头处的金属熔化,在电子束连续不断
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