精密和超精密加工技术第8章微细加工技术
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东京工业大学的谷口纪男教授首先提出了纳 米技术术语，明确提出以纳米精度为超精密加 工的奋斗目标。
微细加工的概念
所谓微细加工技术就是指能够制造微小尺寸零件 的加工技术的总称。 • 广义地讲，微细加工技术包含了各种传统精密加 工方法和与其原理截然不同的新方法，如微细切削 磨料加工、微细特种加工、半导体工艺等； • 狭义地讲，微细加工技术是在半导体集成电路制 造技术的基础上发展起来的，微细加工技术主要是 指半导体集成电路的微细制造技术，如气相沉积、 热氧化、光刻、离子束溅射、真空蒸镀等。
微细加wk.baidu.com机理
2．材料缺陷分布的影响
材料微观缺陷分布或材质不均匀性，可以归纳为以下几种情况： 1)晶格原子(～10-6mm) 在晶格原子空间的破坏就是把原子一个个去除。 2)点缺陷(10-6～10-4mm) 点缺陷就是在晶粒结构中存在着空位和填隙 原子。
点缺陷空间的破坏就是以点缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。 3)位错缺陷(10-4～10-2mm) 位错缺陷就是晶格位移和微裂纹，它在晶体中
第八章 微细加工技术
第一节微细加工技术的出现
•制造技术是直接创造财富的基础，是国民经济 得以发展和制造业本身赖以生存的主体技术。 •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 自身加工极限。 •微细加工技术是制造微小尺寸零件的加工技术。
呈连续的线状分布，故又称为线缺陷。在晶体内部，一般情况下大约 1m左右的间隔内就有一个位错缺陷。 4)晶界、空隙和裂纹(10-2～1mm) 它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间 破坏。 5)缺口(1mm以上) 缺口空间的破坏是由于拉应力集中而引起的破坏。在微 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。各种破坏方式所需的加工能量也是不同的。
微小机械学发展
微 机 械 或 微 电 子 机 械 系 统 (MEMS) 是 20 世纪80年代后期发展起来的一门新兴学 科。它给国民经济、人民生活和国防、 军事等带来了深远的影响，被列为21世 纪关键技术之一。
微小机械学发展
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已成为人 们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新 技术。
微细加工的概念
目前微细加工领域的几大流派： •以美国为代表的硅基MEMS技术 •以德国为代表的LIGA技术 •以日本为代表的机械加工方法的微细化 他们的研究与应用情况基本代表了国际微细 加工的水平和方向，应密切关注。
微细加工的概念
微细加工与常规尺寸的加工的机理是截然不同的。微 细加工与一般尺度加工的主要区别体现在： 1. 加工精度的表示方法不同。在一般尺度加工中，加 工精度常用相对精度表示；而在微细加工中，其加工 精度则用绝对精度表示。加工单位概念的引入。 2. 加工机理存在很大的差异。由于在微细加工中加工 单位的急剧减小，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。 3.加工特征明显不同。一般加工以尺寸、形状、位置 精度为特征；微细加工则由于其加工对象的微小型化， 目前多以分离或结合原子、分子为特征。
机械的微型化及相关的制造技术
传统机械
传统制造技术
微小型机械
微细制造技术 MEMS技术
纳米机械 纳米制造技术
第二节微细加工的概念及其特点
微细加工技术的产生和发展一方面是加工技 术自身发展的必然，同时也是新兴的微型机械 技术发展对加工技术需求的促进。超精加工在 20世纪的科技发展中做出了巨大的贡献。
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。
微小机械学发展
• 微机械涉及的基本技术主要有：微机械 设计；微机械材料；微细加工；集成技术； 微装配和封接；微测量；微能源；微系统 控制等。 • 微机械的制造和生产离不开微细加工技 术。
微细加工的特点
微细加工作为精密加工领域中的一个极重要的关键技术， 目前有如下的几个特点： 1. 微细加工和超微细加工是多学科的制造系统工程； 2. 微细加工和超微细加工是多学科的综合高新技术； 3. 平面工艺是微细加工的工艺基础； 4. 微细加工技术和精密加工技术互补； 5. 微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密； 6.微细加工检测一体化。
微细加工机理
不同微细加工方法的加工机理
根据各种方法的加工机理的不同，微细加工可大致分为3大类： 分离加工将材料的某一部分分离出去的加工方式，如切削、分
解、刻蚀、溅射等。大致可分为切削加工、磨料加工、特种加 工及复合加工等。 结合加工同种或不同种材料的附加或相互结合的加工方式，如 蒸镀、沉积、生长、渗入等。可分为附着、注入和接合三类。 附着是指在材料基体上附加一层材料；注入是指材料表层经处 理后产生物理、化学、力学性能的改变，也可称之为表面改性； 接合则是指焊接、粘接等。 变形加工使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、 流体变形加工等。
微细加工机理
1．切削厚度与材料剪切应力关系 在微切削时，切削往往在晶粒内 进行，切削力一定要超过晶体内 部的分子、原子结合力，其单位 面 积 的 切 削 阻 力 (N ／ mm2) 急 剧 增大，刀刃上所承受的剪切应力 变得非常大，从而在单位面积上 会产生很大的热量，使刀刃尖端 局部区域的温度极高，因此要求 采用耐热性高、高温硬度高、耐 磨性强、高温强度好的刀刃材料， 即超高硬度材料，最常用的是金 刚石等。
第三节 微细加工机理
微细切削加工为微量切削，又可称之为极薄切削。机 理与一般普通切削有的很大区别。
在微细切削时，由于工件尺寸很小，从强度和刚度上 不允许有大的吃刀量，同时为保证工件尺寸精度的要求， 最终精加工的表面切除层厚度必须小于其精度值，因此切 屑极小，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进 行，晶粒就被作为一个一个的不连续体来进行切削，这时 切削不是晶粒之间的破坏，切削力一定要超过晶体内部非 常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的切应力就急速 地增加。
微细加工的概念
所谓微细加工技术就是指能够制造微小尺寸零件 的加工技术的总称。 • 广义地讲，微细加工技术包含了各种传统精密加 工方法和与其原理截然不同的新方法，如微细切削 磨料加工、微细特种加工、半导体工艺等； • 狭义地讲，微细加工技术是在半导体集成电路制 造技术的基础上发展起来的，微细加工技术主要是 指半导体集成电路的微细制造技术，如气相沉积、 热氧化、光刻、离子束溅射、真空蒸镀等。
微细加wk.baidu.com机理
2．材料缺陷分布的影响
材料微观缺陷分布或材质不均匀性，可以归纳为以下几种情况： 1)晶格原子(～10-6mm) 在晶格原子空间的破坏就是把原子一个个去除。 2)点缺陷(10-6～10-4mm) 点缺陷就是在晶粒结构中存在着空位和填隙 原子。
点缺陷空间的破坏就是以点缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。 3)位错缺陷(10-4～10-2mm) 位错缺陷就是晶格位移和微裂纹，它在晶体中
第八章 微细加工技术
第一节微细加工技术的出现
•制造技术是直接创造财富的基础，是国民经济 得以发展和制造业本身赖以生存的主体技术。 •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 自身加工极限。 •微细加工技术是制造微小尺寸零件的加工技术。
呈连续的线状分布，故又称为线缺陷。在晶体内部，一般情况下大约 1m左右的间隔内就有一个位错缺陷。 4)晶界、空隙和裂纹(10-2～1mm) 它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间 破坏。 5)缺口(1mm以上) 缺口空间的破坏是由于拉应力集中而引起的破坏。在微 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。各种破坏方式所需的加工能量也是不同的。
微小机械学发展
微 机 械 或 微 电 子 机 械 系 统 (MEMS) 是 20 世纪80年代后期发展起来的一门新兴学 科。它给国民经济、人民生活和国防、 军事等带来了深远的影响，被列为21世 纪关键技术之一。
微小机械学发展
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已成为人 们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新 技术。
微细加工的概念
目前微细加工领域的几大流派： •以美国为代表的硅基MEMS技术 •以德国为代表的LIGA技术 •以日本为代表的机械加工方法的微细化 他们的研究与应用情况基本代表了国际微细 加工的水平和方向，应密切关注。
微细加工的概念
微细加工与常规尺寸的加工的机理是截然不同的。微 细加工与一般尺度加工的主要区别体现在： 1. 加工精度的表示方法不同。在一般尺度加工中，加 工精度常用相对精度表示；而在微细加工中，其加工 精度则用绝对精度表示。加工单位概念的引入。 2. 加工机理存在很大的差异。由于在微细加工中加工 单位的急剧减小，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。 3.加工特征明显不同。一般加工以尺寸、形状、位置 精度为特征；微细加工则由于其加工对象的微小型化， 目前多以分离或结合原子、分子为特征。
机械的微型化及相关的制造技术
传统机械
传统制造技术
微小型机械
微细制造技术 MEMS技术
纳米机械 纳米制造技术
第二节微细加工的概念及其特点
微细加工技术的产生和发展一方面是加工技 术自身发展的必然，同时也是新兴的微型机械 技术发展对加工技术需求的促进。超精加工在 20世纪的科技发展中做出了巨大的贡献。
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。
微小机械学发展
• 微机械涉及的基本技术主要有：微机械 设计；微机械材料；微细加工；集成技术； 微装配和封接；微测量；微能源；微系统 控制等。 • 微机械的制造和生产离不开微细加工技 术。
微细加工的特点
微细加工作为精密加工领域中的一个极重要的关键技术， 目前有如下的几个特点： 1. 微细加工和超微细加工是多学科的制造系统工程； 2. 微细加工和超微细加工是多学科的综合高新技术； 3. 平面工艺是微细加工的工艺基础； 4. 微细加工技术和精密加工技术互补； 5. 微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密； 6.微细加工检测一体化。
微细加工机理
不同微细加工方法的加工机理
根据各种方法的加工机理的不同，微细加工可大致分为3大类： 分离加工将材料的某一部分分离出去的加工方式，如切削、分
解、刻蚀、溅射等。大致可分为切削加工、磨料加工、特种加 工及复合加工等。 结合加工同种或不同种材料的附加或相互结合的加工方式，如 蒸镀、沉积、生长、渗入等。可分为附着、注入和接合三类。 附着是指在材料基体上附加一层材料；注入是指材料表层经处 理后产生物理、化学、力学性能的改变，也可称之为表面改性； 接合则是指焊接、粘接等。 变形加工使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、 流体变形加工等。
微细加工机理
1．切削厚度与材料剪切应力关系 在微切削时，切削往往在晶粒内 进行，切削力一定要超过晶体内 部的分子、原子结合力，其单位 面 积 的 切 削 阻 力 (N ／ mm2) 急 剧 增大，刀刃上所承受的剪切应力 变得非常大，从而在单位面积上 会产生很大的热量，使刀刃尖端 局部区域的温度极高，因此要求 采用耐热性高、高温硬度高、耐 磨性强、高温强度好的刀刃材料， 即超高硬度材料，最常用的是金 刚石等。
第三节 微细加工机理
微细切削加工为微量切削，又可称之为极薄切削。机 理与一般普通切削有的很大区别。
在微细切削时，由于工件尺寸很小，从强度和刚度上 不允许有大的吃刀量，同时为保证工件尺寸精度的要求， 最终精加工的表面切除层厚度必须小于其精度值，因此切 屑极小，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进 行，晶粒就被作为一个一个的不连续体来进行切削，这时 切削不是晶粒之间的破坏，切削力一定要超过晶体内部非 常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的切应力就急速 地增加。