微细加工工艺方法 ppt
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微细加工工艺方法
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微细加工方法
1.微细车削加工 2.微细铣削加工 3.微细钻削加工 4.微细冲压加工
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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1、微细切削加工技术 2、微细电火花加工技术 3、微细电化学加工技术 4、高能束流微细特种加工技术（包 括微细 激光加 工技术 、电子 束加工 技术、 离子束 加工技 术） 5、LIGA技术 6、生长型微细加工技术
微细特种加工分类
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电火花加工的零件
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微型机械
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祝大家假期愉快！
Thanks
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微细加工和超微细加工以分离或结合原 子、分 子为加 工对象 ，以电 子束、 技工束 、粒子 束为加 工基础 ，采用 沉积、 刻蚀、 溅射、 蒸镀等 手段进 行各种 处。
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1、精度的表示方法
在微小尺寸加工时，由于加工尺寸 很小， 精度就 必须用 尺寸的 绝对值 来表示 ，即用 取出的 一块材 料的大 小来表 示，从 而引入 加工单 位尺寸 的概念 。 2、微观机理
以切削加工为例，从工件的角度来讲， 一般加 工和微 细加工 的最大 区别是 切屑的 大小。 一般为 金属材 料是由 微细的 晶粒组 成，晶 粒直径 为数微 米到数 百微米 。一般 加工时, 吃刀量 较大， 可以忽 略晶粒 的大小 ，而作 为一个 连续体 来看待 ，因此 可见一 般加工 和微细 加工的 机理是 不同的 。 3、加工特征
微细加工技术
（b）
各向同性刻蚀
（a）各向同性刻蚀（搅拌）；（b）各向同性刻蚀（不搅拌）
2）各向异性刻蚀
各向异性刻蚀是指某个方向上的刻蚀速率远大于另 一方向。刻蚀速度与基底材料的结晶取向密切相关；硅 材料是一种各向异性材料，在3个晶面上表现出不同的性 质。对于特定的刻蚀剂，硅的[100]晶面的腐蚀速度最快， [110]晶面次之，[111]晶面的腐蚀速度最慢。硅各向异性 刻蚀在几何形状控制上具有许多优点，可以制作出许多 具有垂直侧壁的微机械零件。
随着微/纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操 作尺度极小为特征的微机械成为人们在微观领域认识和 改造客观世界的一种高新技术。
一般认为，微机械依其特征尺寸可以划分为：小型机 械（1mm-10mm），微型机械（1um-1mm）以及纳米机 械（1nm-1um）。从广义来讲，微机械包括微小型机械 和纳米机械。
微细加工是由多项技术构成的一个技术群体，主要 包括：
（1）由IC工艺技术发展起来的硅微细加工技术；
（2）在特种加工和常规切削加工基础上发展形成的微 细制造技术；
（3）由上述两种技术集成的新方法，如LIGA、准 LIGA技术等。
微细加工与常规尺寸加工的区别：
（1）加工精度的表示方法不同：一般尺度加工，加工精 度常用相对精度表示，微细加工用绝对精度表示；
所谓牺牲层技术就是在微结构层中嵌入一层牺牲 材料，在后续工序中有选择地将这一层材料腐蚀掉 而不影响结构层本身。这种工艺的目的是使结构薄 膜与衬底材料分离，得到各种所需的表面微结构。 常用的衬底材料为单晶硅片，结构层材料沉积的多 晶硅、氮化硅等，牺牲层材料多为二氧化硅。
（2）加工机理存在很大的差异：微细加工中加工单位急 剧减小，必须考虑晶粒在加工中的作用；
微细加工工艺技术
微细加工工艺技术微细加工工艺技术是一种应用于微电子、光学、纳米学等领域的高精度加工技术，该技术能够实现对微细结构的精密加工。
在微细加工工艺技术中，常常采用的加工方法有激光刻蚀、化学蚀刻、光刻以及微电子束等。
激光刻蚀是一种应用激光照射，通过激光束的高能量将材料表面局部蚀刻的加工方法。
与传统的机械刻蚀相比，激光刻蚀具有高精度、高效率的优点。
在激光刻蚀中，光束的聚焦度和光斑直径是影响加工精度的重要参数。
化学蚀刻是一种利用特定的化学反应，在材料表面选择性地产生化学蚀刻产物，并将其去除的加工方法。
化学蚀刻通常需要制备特定的蚀刻溶液，通过控制溶液的浓度和温度，来影响化学反应的速率和选择性。
化学蚀刻可以实现微细结构的高精度加工，并被广泛应用于光学元件和微流控芯片等领域。
光刻是一种基于光化学反应的加工方法，通过光阻的选择性暴露和去除，来形成所需的图案结构。
在光刻过程中，首先在材料表面涂敷一层光刻胶，然后利用光刻机的紫外光照射和显影等步骤，实现图案的转移。
光刻具有高精度、高分辨率和高重复性的优点，是微细加工中不可或缺的工艺之一。
微电子束也是一种实现微细结构加工的重要方法。
微电子束利用高能电子束在材料表面定向照射，经过准直、聚焦和偏转等步骤，将电子束的能量转化为对材料的加工作用。
通过控制电子束的参数，如能量、聚焦度和扫描速度等，可以实现对微细结构的精密加工。
微电子束在高精度加工领域具有很大的应用潜力，尤其在微电子器件、光电器件以及半导体器件等方面，具有广阔的发展前景。
总的来说，微细加工工艺技术是一种实现高精度加工的重要方法，包括激光刻蚀、化学蚀刻、光刻和微电子束等。
这些加工方法在微电子、光学、纳米学等领域发挥着重要作用，推动了相关技术的进步和应用的发展。
未来随着科学技术的不断进步，微细加工工艺技术将继续发展壮大，为人类社会带来更多的科技成果和应用产品。
第36节微机械及其微细加工技术
信息和通讯
➢ 光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头
娱乐消费类
➢ 游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具
27
3.6 微机械及其微细加工技术
微机电技术已经受到工业发达国家的 高度重视。从微机电发展的总体水平看， 许多关键技术已经突破，正处于从实验 室研究走向实用化、产业化阶段。
• 美国国家自然科学基金、先进研究计划、 国防部等投资1.4亿美元进行微机电系统 技术的研究。
精度高，重量轻，惯性小。
2.性能稳定，可靠性高。 微机械器件体积极小，封装后几乎
可以摆脱热膨胀、噪声和挠曲等因素的 影响，具有较高的抗干扰性，可以在比 较恶劣的环境下稳定工作。
8
3.6 微机械及其微细加工技术
3.能耗低，灵敏性和工作效率高（响应时 间短） 。 完成相同的工作，微机械所消耗的 能量仅为传统机械的十几或几十分之一， 却能以数十倍以上的速度运作。微机电 系统不存在信号延迟等问题，从而更适 合高速工作。
21
3.6 微机械及其微细加工技术
2. MEMS在医疗和生物技术领域的应用 生物细胞的典型尺寸为1～10um，生
物大分子的厚度为纳米量级，长度为微 米量级。微型器件尺寸也在这范围之内， 因而适合操作生物细胞和生物大分子。 另外，临床分析化验和基因分析遗传诊 断所需要的各种微泵、微阀、微镊子、 微沟槽、微器皿和微流量计等。
29
3.6 微机械及其微细技术加工
• 我国的微系统研究起步并不晚，目前从 事微机电系统研究的单位有60多个，主 要集中在高校、中科院及信息产业部的 研究所。已积累了一些基础技术，取得 了一些传感器和微执行器的研究经验和 科研成果，多数为实验室产品，商品化 工作刚刚起步，离产业化要求相距甚远。
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➢ 光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头
娱乐消费类
➢ 游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具
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3.6 微机械及其微细加工技术
微机电技术已经受到工业发达国家的 高度重视。从微机电发展的总体水平看， 许多关键技术已经突破，正处于从实验 室研究走向实用化、产业化阶段。
• 美国国家自然科学基金、先进研究计划、 国防部等投资1.4亿美元进行微机电系统 技术的研究。
精度高，重量轻，惯性小。
2.性能稳定，可靠性高。 微机械器件体积极小，封装后几乎
可以摆脱热膨胀、噪声和挠曲等因素的 影响，具有较高的抗干扰性，可以在比 较恶劣的环境下稳定工作。
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3.6 微机械及其微细加工技术
3.能耗低，灵敏性和工作效率高（响应时 间短） 。 完成相同的工作，微机械所消耗的 能量仅为传统机械的十几或几十分之一， 却能以数十倍以上的速度运作。微机电 系统不存在信号延迟等问题，从而更适 合高速工作。
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3.6 微机械及其微细加工技术
2. MEMS在医疗和生物技术领域的应用 生物细胞的典型尺寸为1～10um，生
物大分子的厚度为纳米量级，长度为微 米量级。微型器件尺寸也在这范围之内， 因而适合操作生物细胞和生物大分子。 另外，临床分析化验和基因分析遗传诊 断所需要的各种微泵、微阀、微镊子、 微沟槽、微器皿和微流量计等。
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3.6 微机械及其微细技术加工
• 我国的微系统研究起步并不晚，目前从 事微机电系统研究的单位有60多个，主 要集中在高校、中科院及信息产业部的 研究所。已积累了一些基础技术，取得 了一些传感器和微执行器的研究经验和 科研成果，多数为实验室产品，商品化 工作刚刚起步，离产业化要求相距甚远。
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微细加工
1.精度表示方法
一般加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误 差尺寸绝对值表示。
在微细加工时，由于加工尺寸很小，引入了加工单位尺寸的概念。加工单位 尺寸简称加工单位，它表示去除材料的大小。例如，原子加工单位表示能去除一 个原子。显然，加工单位越小，可获得的精度就越高。
第三章 现代制造工程加工技术
SPM探针
介质中的分子 电化学作用区
偏置电压
电致刻蚀原理
第三章 现代制造工程加工技术
到目前为止，利用电脉 冲诱导氧化方法，已经在多 种半导体和金属（如Si，Cr， Nb，GaAs，Au和Ti等）表 面上，制备了所需的纳米结 构或器件。中国科学院分子 结构与纳米技术重点实验室 在氢钝化的p型Si（111）表 面上，利用此法刻蚀出了图 案清晰的中国科学院院徽。
第三章 现代制造工程加工技术
②微细加工刀具 微细切削加工一般采用单晶金刚石刀具。
各种单晶金刚石刀具
单晶金刚石铣刀刃形
第三章 现代制造工程加工技术
2. 微细车削加工
日本通产省工业技术院机械工程实验室（MEL）于1996年开发了世界上第 一台微型化的机床——微型车床。
世界第一台微细车床
车削轴的直径： 0.02mm
高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。
低热变形结构设计。
刀具的稳固夹持和高的安装精度。
高的主轴转速及动平衡。
稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。
具有刀具破损检测的监控系统。
第三章 现代制造工程加工技术
C轴回转工作台 刀具 空气涡轮主轴 B轴回转工作台 X导轨 C 工件 Z导轨
B
空气油减振器
移动 完成
提取
放置
先进制造技术-5-6微机械及微细加工技术
五、微机械及微细加工技术1、微机械简介现代制造技术的发展有两大趋势：一是向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展，使现代制造成为一个系统，即现代制造系统的自动化技术。
另一个就是寻求固有制造技术的自身微细加工极限。
探索有效实用的微细加工技术，并使其能在工业生产中得到应用。
微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，受到世界各国的高度重视并被列为21世纪的关键技术之首。
比如，美国宇航局投资1亿美元着手研制“发现号微型卫星”；说明：卫星有大型、小型卫星、微型卫星和纳米卫星，区别是：小型卫星为一种可用常规运载器发射的航天器，质量为100～500kg；微型卫星定义为所有的系统和子系统都全面体现了微型制造技术，质量为10～100kg；纳米卫星是一种尺寸减小到最低限度的微卫星，质量为1～10 kg。
在航天发展史上，由于受运载能力及技术水平的限制，早期研制的卫星都采用小卫星方案，其重量只有几十千克。
70年代末，由于大推力运载火箭的研制成功和设计与制造能力的提高，大型多功能卫星开始出现，卫星体积不断增大，功能也越来越复杂。
随之而来的是成本不断攀升，风险逐渐增加。
如一枚“大力神”／“半人马座”运载火箭连同所发射的侦察卫星价值可达10.5亿美元以上，一旦发射失败就会造成严重的损失。
而且，卫星一旦被淘汰，形成严重的太空污染。
为此，航天界又将目光重新投向了小卫星。
由于技术的进步，特别是微电子技术的进步，新一代的小卫星采用了许多小型高性能电子部件，但它们同样具有一些大型卫星才有的功能，并为小卫星进一步微型化，进而为微型卫星、纳米卫星的发展奠定了基础。
纳米卫星的概念最早是由美国宇航公司于1993年在一份研究报告中首次提出的，它带来了小卫星设计思想上的根本变革。
纳米卫星是以微机电一体化系统(MEMS)技术和由数个MEMS组成的专用集成微型仪器(ASIM)为基础的一种全新概念的卫星，重量在10千克以下，甚至可降低到0.1千克以下。
微机械及其微细加工技术
热表面流动 粘滞性流动（力学式） 摩擦流动（力学式） 塑性变形 分子定位
材料 处理
或 改性
热激活（电子、光子、离子等） 混合沉积（电子、离子、光子束） 化学反应（电子、光子、离子等） 加能化学反应（电子、光子束、离子） 催化反应
加工方法
光刻、化学刻蚀、活性离子刻蚀、化学抛光 电解抛光、电解加工（刻蚀） 电子束加工、激光加工、热射线加工 扩散去除加工（融化） 熔化去除加工 离子溅射加工、光子直接去除加工（X射线） 用电场分离（STM加工、AFM加工） 化学镀、气相镀、氧化及氮化激活反应镀ARP 电镀、阳极氧化、电铸（电成型）、电泳成型 蒸发沉积、外延生长、分子束外延 烧结、发泡、离子渗氮 熔化镀、浸镀 溅射沉积、离子镀膜、离子束外延、离子束沉积 离子注入加工 STM加工
• 由于X射线的波长很短，能满足超大规模集成电路发展的需要，近年来得到 了广泛的重视。
第三节 微机械及其微细加工技术
3.外延技术
外延生长是微机械加工的重要手段之一，它的特点是生长的外延层能保持与衬底相 同的晶向，因而在外延层上可以进行各种横向与纵向的掺杂分布与腐蚀加工， 以制得各种形状。
外延形成埋藏的终止层
第三节 微机械及其微细加工技术
a) LIGA工艺得到的三个镍材料的微型齿轮， b) 组装后的电磁驱动微马达的SEM 照片，由
每个齿轮高100m
牺牲层和LIGA技术获得，转子直径为150m，
三个齿轮的直径分别为77m,100m和150m
LIGA工艺形成的微齿轮与微马达
第三节 微机械及其微细加工技术
▪ 微机械的 微细加工技术（Micromachining technology ）有以下特 点：
▪ 从加工对象上看，微细加工不但加工尺度极小，而且被加工 对象的整体尺寸也很微小；
材料 处理
或 改性
热激活（电子、光子、离子等） 混合沉积（电子、离子、光子束） 化学反应（电子、光子、离子等） 加能化学反应（电子、光子束、离子） 催化反应
加工方法
光刻、化学刻蚀、活性离子刻蚀、化学抛光 电解抛光、电解加工（刻蚀） 电子束加工、激光加工、热射线加工 扩散去除加工（融化） 熔化去除加工 离子溅射加工、光子直接去除加工（X射线） 用电场分离（STM加工、AFM加工） 化学镀、气相镀、氧化及氮化激活反应镀ARP 电镀、阳极氧化、电铸（电成型）、电泳成型 蒸发沉积、外延生长、分子束外延 烧结、发泡、离子渗氮 熔化镀、浸镀 溅射沉积、离子镀膜、离子束外延、离子束沉积 离子注入加工 STM加工
• 由于X射线的波长很短，能满足超大规模集成电路发展的需要，近年来得到 了广泛的重视。
第三节 微机械及其微细加工技术
3.外延技术
外延生长是微机械加工的重要手段之一，它的特点是生长的外延层能保持与衬底相 同的晶向，因而在外延层上可以进行各种横向与纵向的掺杂分布与腐蚀加工， 以制得各种形状。
外延形成埋藏的终止层
第三节 微机械及其微细加工技术
a) LIGA工艺得到的三个镍材料的微型齿轮， b) 组装后的电磁驱动微马达的SEM 照片，由
每个齿轮高100m
牺牲层和LIGA技术获得，转子直径为150m，
三个齿轮的直径分别为77m,100m和150m
LIGA工艺形成的微齿轮与微马达
第三节 微机械及其微细加工技术
▪ 微机械的 微细加工技术（Micromachining technology ）有以下特 点：
▪ 从加工对象上看，微细加工不但加工尺度极小，而且被加工 对象的整体尺寸也很微小；
微细加工技术
第6章 微细加工技术
微细加工概念 微细加工机理 微细加工方法 LIGA技术及准LIGA技术
微细加工技术应用 生物加工技术
6.1 微细加工技术概述
6.1.1 微细加工的概念
微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。 从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和 与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削加工，磨料加 工，电火花加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指 半导体集成电路制造技术。
6.2 微细加工机理
（4）晶界、空隙、裂纹（102 ～1）mm 它们的破坏是以缺陷 面为基础的晶粒破坏。 （5）缺口（1 mm 以上） 缺口空间的破坏是由于应力集中而 引起的破坏。
在微细切削去除 时，当应力作用的区 域在某个缺陷空间范 围内，则将以与该区 域相应的破坏方式而 破坏。图 6-1 为材料 微观缺陷分布情况。
较大，允许的切削深度 ap 较大。微细加工时，从强度和刚 度都不允许大的切削深度 ap，因此切屑很小。
6.1 微细加工技术概述
3. 加工特征 一般加工时，多以尺寸、形状、位置精度为加工特征。
精密和超精密加工也是如此，所用加工方法偏重于能够形成 工件的一定形状和尺寸。微细加工和超微细加工却以分离或 结合原子、分子为加工对象，以电子束、激光束、离子束为 加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处 理。这是因为它们各自所加工的对象不同而造成的。
2021/8/21
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6.1 微细加工技术概述
微小尺寸加工与一般尺寸加工的不同点： 1. 精度的表示方法
在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用 尺寸的绝对值来表示，即用去除的一块材料的大小表示，从 而引入加工单位尺寸的概念。加工单位就是去除的一块材料 的尺寸。 2. 微观机理
微细加工概念 微细加工机理 微细加工方法 LIGA技术及准LIGA技术
微细加工技术应用 生物加工技术
6.1 微细加工技术概述
6.1.1 微细加工的概念
微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。 从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和 与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削加工，磨料加 工，电火花加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指 半导体集成电路制造技术。
6.2 微细加工机理
（4）晶界、空隙、裂纹（102 ～1）mm 它们的破坏是以缺陷 面为基础的晶粒破坏。 （5）缺口（1 mm 以上） 缺口空间的破坏是由于应力集中而 引起的破坏。
在微细切削去除 时，当应力作用的区 域在某个缺陷空间范 围内，则将以与该区 域相应的破坏方式而 破坏。图 6-1 为材料 微观缺陷分布情况。
较大，允许的切削深度 ap 较大。微细加工时，从强度和刚 度都不允许大的切削深度 ap，因此切屑很小。
6.1 微细加工技术概述
3. 加工特征 一般加工时，多以尺寸、形状、位置精度为加工特征。
精密和超精密加工也是如此，所用加工方法偏重于能够形成 工件的一定形状和尺寸。微细加工和超微细加工却以分离或 结合原子、分子为加工对象，以电子束、激光束、离子束为 加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处 理。这是因为它们各自所加工的对象不同而造成的。
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6.1 微细加工技术概述
微小尺寸加工与一般尺寸加工的不同点： 1. 精度的表示方法
在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用 尺寸的绝对值来表示，即用去除的一块材料的大小表示，从 而引入加工单位尺寸的概念。加工单位就是去除的一块材料 的尺寸。 2. 微观机理
【优质】表面微细加工解析PPT资料
硅基底的氧化
半导体的制作过程
半导体芯片中的双层金属布线连接
半导体芯片中的金属布线连接
半导体芯片中的金属布线连接
半导体芯片中的NPN结双极晶体管
表面超微图形加工技术
光刻 技术
光致抗蚀剂 光刻SiO2膜
衬底硅
涂光致抗蚀剂
紫外光(193nm) 掩模版
衬底硅
曝光
衬底硅
显影
SiO2 衬底硅
去胶
衬底硅
②生长型加工方法，即以一种材料作为基材，在 其上添加另一种材料，形成所需的形状或者图形 的加工方法。按此定义，在前面章节所介绍的物 理气相沉积、化学气相沉积、离子注入、电镀、 化学镀都属于微细加工技术；
③变形加工，指材料形状发生变化的加工，如塑 性变形、流体变形等。
集成电路的制作步骤
MOS晶体管的制作步骤
常用微细加工技术
1.光刻工艺 2.掩模板制作工艺 3.电子束与离子束微细加工 4.激光微细加工
光刻的基本原理： 利用光致抗蚀剂(或称光刻胶)感光后因光化学反 应而形成耐蚀性的特点，将掩模版上的图形刻制 到被加工表面上。
掩膜(mask)的概念: 它是一块印有所需要加工图形的透光玻璃片。当 光线照在掩模版上时，图形区与非图形区对光线 的吸收与透过能力不同。
表面微细加工技术指那些能够制造微小尺寸元器 件或薄膜图形的方法。
微细加工的
加工尺寸一般在亚毫米(常指低于100μm)至纳 米级范围内，
加工的单元则从微米级、纳米级到原子级(Å 级)。
纳米量级结构的制作是纳 米技术的关键技术之一。 我国SPM系统在Au-Pd合金膜 表面上机械刻画出的最小线宽 为25nm。
用AFM机械刻蚀原理刻 写的亚微米尺寸的唐诗
机械制造工艺学课件第7章 精密、超精密及微细加工工艺
5
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
➢ 精密、超精密磨削和磨料加工
超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒和微 粉主要对黑色金属、硬脆材料等进行加工，可分为固 结磨料和游离磨料两大类加工方式。
固结磨料加工主要有：超精密砂轮磨削和超硬材 料微粉砂轮磨削、超精密砂带磨削、ELID 磨削、双 端面精密磨削以及电泳磨削等。
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
7.1 概述
现代制造业持续不断地致力于提高加工精度和加
工表面质量，主要目标是提高产品性能、质量和可靠性
，改善零件的互换性，提高装配效率。超精密加工技术
是精加工的重要手段，在提高机电产品的性能、质量和
发展高新技术方面都有着至关重要的作用，因此，该技
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
游离磨料类加工是指在加工时磨粒或微粉成游离状态，如研磨时的研磨 剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微粉在加工时不是固结在一起的。 游离磨料加工的典型方法是超精密研磨与抛光加工。
① 超精密研磨技术
研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液，使被加工表面
和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面
7
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
② 超精密砂带磨削技术 随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和 微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂 带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达 到高精度和低表面粗糙度值。
砂带磨削机构示意图
8
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
③ ELID（电解在线修整）超精密镜面磨削技术
术是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一，
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
➢ 精密、超精密磨削和磨料加工
超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒和微 粉主要对黑色金属、硬脆材料等进行加工，可分为固 结磨料和游离磨料两大类加工方式。
固结磨料加工主要有：超精密砂轮磨削和超硬材 料微粉砂轮磨削、超精密砂带磨削、ELID 磨削、双 端面精密磨削以及电泳磨削等。
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
7.1 概述
现代制造业持续不断地致力于提高加工精度和加
工表面质量，主要目标是提高产品性能、质量和可靠性
，改善零件的互换性，提高装配效率。超精密加工技术
是精加工的重要手段，在提高机电产品的性能、质量和
发展高新技术方面都有着至关重要的作用，因此，该技
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
游离磨料类加工是指在加工时磨粒或微粉成游离状态，如研磨时的研磨 剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微粉在加工时不是固结在一起的。 游离磨料加工的典型方法是超精密研磨与抛光加工。
① 超精密研磨技术
研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液，使被加工表面
和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面
7
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
② 超精密砂带磨削技术 随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和 微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂 带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达 到高精度和低表面粗糙度值。
砂带磨削机构示意图
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第7章 精密、超精密及微细加工工艺
③ ELID（电解在线修整）超精密镜面磨削技术
术是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一，
微细与超微细加工技术
◎由于溅射出来的原子和 分子有相当大的动能,故镀 膜附着力极强〔与蒸镀、 电镀相比〕.
溅射材料
溅射粒子
离子束溅射镀膜加工
◎离子镀氮化钛,即美观,又耐磨.应用在刀具上可提高寿命1-2 倍.
➢ 离子束溅射注入加工 ◎用高能离子〔数十万KeV〕轰击工件表面,离子打入工件 表层,其电荷被中和,并留在工件中〔置换原子或填隙原 子〕,从而改变工件材料和性质.
变形加 热表面流动 工(流动 粘滞性流动 加工) 摩擦流动
热流动加工（火焰，高频，热射线，激光） 压铸，挤压，喷射，浇注 微离子流动加工
二、微细机械加工
◆主要采用铣、钻和车 三种形式,可加工平面、 内腔、孔和外圆表面. ◆刀具：多用单晶金刚 石车刀、铣刀.铣刀的回 转 半 径 〔 可 小 到 5μm〕 靠刀尖相对于回转轴线 的偏移来得到.当刀具回 转时,刀具的切削刃形成 一个圆锥形的切削面.
单晶金刚石铣刀刀头形状
◆ 微细机械加工设备 ➢微小位移机构 ,微量移动应可小至几十个纳米 . ➢高灵敏的伺服进给系统.要求低摩擦的传动系统和导轨 支承系统,以及高跟踪精度的伺服系统. ➢高的定位精度和重复定位精度,高平稳性的进给运动. ➢低热变形结构设计. ➢刀具的稳固夹持和高的安装精度. ➢高的主轴转速及动平衡. ➢稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰. ➢具有刀具破损检测的监控系统.
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁加励磁，夹紧
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁2去掉励磁，松开
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
溅射材料
溅射粒子
离子束溅射镀膜加工
◎离子镀氮化钛,即美观,又耐磨.应用在刀具上可提高寿命1-2 倍.
➢ 离子束溅射注入加工 ◎用高能离子〔数十万KeV〕轰击工件表面,离子打入工件 表层,其电荷被中和,并留在工件中〔置换原子或填隙原 子〕,从而改变工件材料和性质.
变形加 热表面流动 工(流动 粘滞性流动 加工) 摩擦流动
热流动加工（火焰，高频，热射线，激光） 压铸，挤压，喷射，浇注 微离子流动加工
二、微细机械加工
◆主要采用铣、钻和车 三种形式,可加工平面、 内腔、孔和外圆表面. ◆刀具：多用单晶金刚 石车刀、铣刀.铣刀的回 转 半 径 〔 可 小 到 5μm〕 靠刀尖相对于回转轴线 的偏移来得到.当刀具回 转时,刀具的切削刃形成 一个圆锥形的切削面.
单晶金刚石铣刀刀头形状
◆ 微细机械加工设备 ➢微小位移机构 ,微量移动应可小至几十个纳米 . ➢高灵敏的伺服进给系统.要求低摩擦的传动系统和导轨 支承系统,以及高跟踪精度的伺服系统. ➢高的定位精度和重复定位精度,高平稳性的进给运动. ➢低热变形结构设计. ➢刀具的稳固夹持和高的安装精度. ➢高的主轴转速及动平衡. ➢稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰. ➢具有刀具破损检测的监控系统.
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁加励磁，夹紧
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁2去掉励磁，松开
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
微细加工
微细加工
一、微细加工定义
从广义的角度来讲，微细加工是指所有制造
微小尺寸零件的加工技术。从狭义的角度来 讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造 技术。
二、加工成形原理
去除加工：车削、铣削、磨削、电火花加工
结合加工：
附着：电镀、气相沉积
注入：氧化、渗碳、离子注入 连接：焊接、粘接
变形加工：锻造、铸造、液晶定向
3.5.1.2
特点
具有极高的复制精度和重复精度。 适用范围广。尺寸可在很大范围内变化；可以使难 以加工的精密内型面变为易加工的外型面，因此可 广泛用于具有精密、复杂内型面零件的制造。 电铸制品性能的可控性强。通过改变金属种类、电 铸液配方和工艺参数，或采取使用添加剂等措施， 电铸制品的力学性能和物理性能可在很大范围内变 化。 成本低。设备投资较少，加工余量较小，废品可作 为阳极材料重新使用，铸模和电铸液也可重复使用。
铸层质量不稳定。易出现麻点、针孔、晶粒粗大、应力过 大等缺陷，致使铸层的物理特性和力学性能下降，严重时 可造成零件报废。过大的内应力也会使铸层变形、开裂。 铸层均匀性差。金属沉积速度一般正比于阴极表面的电流 密度，对于复杂型面的铸模，由于电场分布极不均匀，因 此电流密度在铸模表面各处不一致，造成不同位臵的沉积 厚度相差悬殊，从而影响零件性能，而且这种不均匀会随 沉积时间的延长而加剧，产生恶性循环，严重降低平均沉 积电流密度和沉积速度。 加工时间长。如欲获得1mm厚铸层，简单形状的工件需要 数小时，复杂工件可能要数十小时。 有限的铸种材料性能不能满足所有实际需要。
3.5.1
微细电铸
3.5.1.1 工艺 设计制造铸模：根据设计图样或采用实物复制的方法制造铸 模，常用的铸模材料有不锈钢、铝、钛、环氧树脂、有机玻 璃等。 导电层、分离层处理：对非金属铸模进行导电化处理，对金 属铸模表面进行分离层处理。 电沉积金属：将铸模放入电解槽，利用电化学沉积原理在铸 模上沉积金属。常见的电铸金属种类有镍、铜、铁等单金属 或镍钴、镍锰等合金。 脱模和背衬处理：在电铸层达到需要的厚度后，采用机械或 化学方法把沉积金属与铸模分离，并根据需求在非加工表面 加固背衬。
一、微细加工定义
从广义的角度来讲，微细加工是指所有制造
微小尺寸零件的加工技术。从狭义的角度来 讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造 技术。
二、加工成形原理
去除加工：车削、铣削、磨削、电火花加工
结合加工：
附着：电镀、气相沉积
注入：氧化、渗碳、离子注入 连接：焊接、粘接
变形加工：锻造、铸造、液晶定向
3.5.1.2
特点
具有极高的复制精度和重复精度。 适用范围广。尺寸可在很大范围内变化；可以使难 以加工的精密内型面变为易加工的外型面，因此可 广泛用于具有精密、复杂内型面零件的制造。 电铸制品性能的可控性强。通过改变金属种类、电 铸液配方和工艺参数，或采取使用添加剂等措施， 电铸制品的力学性能和物理性能可在很大范围内变 化。 成本低。设备投资较少，加工余量较小，废品可作 为阳极材料重新使用，铸模和电铸液也可重复使用。
铸层质量不稳定。易出现麻点、针孔、晶粒粗大、应力过 大等缺陷，致使铸层的物理特性和力学性能下降，严重时 可造成零件报废。过大的内应力也会使铸层变形、开裂。 铸层均匀性差。金属沉积速度一般正比于阴极表面的电流 密度，对于复杂型面的铸模，由于电场分布极不均匀，因 此电流密度在铸模表面各处不一致，造成不同位臵的沉积 厚度相差悬殊，从而影响零件性能，而且这种不均匀会随 沉积时间的延长而加剧，产生恶性循环，严重降低平均沉 积电流密度和沉积速度。 加工时间长。如欲获得1mm厚铸层，简单形状的工件需要 数小时，复杂工件可能要数十小时。 有限的铸种材料性能不能满足所有实际需要。
3.5.1
微细电铸
3.5.1.1 工艺 设计制造铸模：根据设计图样或采用实物复制的方法制造铸 模，常用的铸模材料有不锈钢、铝、钛、环氧树脂、有机玻 璃等。 导电层、分离层处理：对非金属铸模进行导电化处理，对金 属铸模表面进行分离层处理。 电沉积金属：将铸模放入电解槽，利用电化学沉积原理在铸 模上沉积金属。常见的电铸金属种类有镍、铜、铁等单金属 或镍钴、镍锰等合金。 脱模和背衬处理：在电铸层达到需要的厚度后，采用机械或 化学方法把沉积金属与铸模分离，并根据需求在非加工表面 加固背衬。
微细加工技术
微细切削加工的第一批装置是美国在20世纪60年代末开发的,主要用于加工光学件的表 面,并由此诞生了超精加工技术。目前,在光学、电子和机械零件加工中达到了微米和亚微米的 精度和几十纳米的表面粗糙度。80年代末,德国的卡鲁斯厄研究中心把微细切削用于在微型元 件的表面上加工微细的纹理,制造微型热交换器。它们对一个圆筒上的铜箔或铝箔用单晶金刚 石制造的刀尖进行切槽,最终做成一个微型的、效率很高的热交换器。直到90年代,微细切削主 要是用金刚石刀具加工有色金属零件。随着微型技术应用领域的不断扩大,要求能加工更多样 化的材料,尤其是对钢和陶瓷的微细切削,成为微细切削技术的.3 LIGA 技术
LIGA 技术首先由德国卡尔斯鲁厄核物理研究所提出来,LIGA 是lithographie(制版术)、 galvanoformung(电铸成形)、abformung(微注塑)这3个德文单词的缩写,被公认为是一种全新 的三维立体微细加工技术。
1. 技术原理与工艺过程 图所示为典型的LIGA 工艺过程,主要包括以下内容。 (1)深层同步辐射X光曝光 (2)显影 (3)电铸 (4)塑铸(铸模)
先进制造技术
微细加工与纳米制造技术
1.1 硅基微细加工技术
单晶硅是微机械采用最广泛的材料,硅基微细加工技术是微结构制造中的一种常用技术。 硅基微细加工技术主要指以硅材料为基础制作各种微机械零部件的加工技术,总体上可 分为体加工与面加工两大类。体加工主要指各种硅刻蚀(腐蚀)技术,而面加工则指各种薄膜制 备技术。这些技术在实际应用过程中还要借助于集成电路加工工艺,如光刻、扩散、离子注入、 外延和淀积等技术。
离子束加工出的2刃、4刃和6刃微细端铣刀
微细加工与纳米制造技术
日本FANUC公司和有关大学合作研 制的车床型超精密铣床,在世界上首次用 切削方法实现了自由曲面的微细加工。这 种超精密切削加工技术使用切削刀具,可 对包括金属在内的各种可切削材料进行微 细加工,也可利用CAD/CAM 技术实现三 维数控加工,具有生产率高、相对精度高 的优点。
LIGA 技术首先由德国卡尔斯鲁厄核物理研究所提出来,LIGA 是lithographie(制版术)、 galvanoformung(电铸成形)、abformung(微注塑)这3个德文单词的缩写,被公认为是一种全新 的三维立体微细加工技术。
1. 技术原理与工艺过程 图所示为典型的LIGA 工艺过程,主要包括以下内容。 (1)深层同步辐射X光曝光 (2)显影 (3)电铸 (4)塑铸(铸模)
先进制造技术
微细加工与纳米制造技术
1.1 硅基微细加工技术
单晶硅是微机械采用最广泛的材料,硅基微细加工技术是微结构制造中的一种常用技术。 硅基微细加工技术主要指以硅材料为基础制作各种微机械零部件的加工技术,总体上可 分为体加工与面加工两大类。体加工主要指各种硅刻蚀(腐蚀)技术,而面加工则指各种薄膜制 备技术。这些技术在实际应用过程中还要借助于集成电路加工工艺,如光刻、扩散、离子注入、 外延和淀积等技术。
离子束加工出的2刃、4刃和6刃微细端铣刀
微细加工与纳米制造技术
日本FANUC公司和有关大学合作研 制的车床型超精密铣床,在世界上首次用 切削方法实现了自由曲面的微细加工。这 种超精密切削加工技术使用切削刀具,可 对包括金属在内的各种可切削材料进行微 细加工,也可利用CAD/CAM 技术实现三 维数控加工,具有生产率高、相对精度高 的优点。
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束、粒子束为加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处。
微细加工方法
1. 微细车削加工 2. 微细铣削加工 3. 微细钻削加工 4. 微细冲压加工
微细特种加工分类
1、微细切削加工技术 2、微细电火花加工技术 3、微细电化学加工技术 4、高能束流微细特种加工技术（包括微细激光加工技术、电子束加工技术、 离子束加工技术） 5、LIGA技术 6、生长型微细加工技术
微细加工工艺方法
重案六组
前言
微细加工技术是精密加工技术的一个分支， 面向微细加工的电加工技术,激光微孔加工、水射 流微细切割技术等等在发展国民经济，振兴我国 国防事业等发面都有非常重要的意义，这一领域 的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨 大影响，先进国家纷纷将之列为未来关键技术之 一并扩大投资和加强基础研究与开发。所以我们 有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。
1、精度的表示方法
在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用尺寸的绝对值来表示，即
用取出的一块材料的大小来表示，从而引入加工单位尺寸的概念。
2、微观机理
以切削加工为例，从工件的角度来讲，一般加工和微细加工的最大区别是切屑
的大小。一般为金属材料是由微细的晶粒组成，晶粒直径为数微米到数百微米。一般
微细加工技术的概念和特点
微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来讲，
微细加工包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如
切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微
波加工，等离子体加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻
电火花加工的零件
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微型机械
祝大家假期愉快！
Thanks
加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造
技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上发展的，
特门市大T规ra模in集in成电路和计算机技术U的pg技ra术d基i 础，是信息时代微Co电m子p时os代in，光电
g
ng
g
子时代的关键技术之一。
微小尺寸和一般尺寸加工是不同的，其不同点主要表现在以下几个方面：
加工时,吃刀量较大，可以忽略晶粒的大小，而作为一个连续体来看待，因此可见一
般加工和微细加工的机理变是色龙不模同板的标。题
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3、加工特征
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微细加工和超微细加编 字辑 可工此 编处 辑以文字分可编离辑此或处文结合原编字辑可子此编、处辑文分字可子编辑为此处加文 工对编 字象辑 可此 编，处 辑以文字电可编子辑此束处文、技工