微細(xì)孔加工(Micro Hole Machining)

發(fā)布日期：2012-11-18 蘭生客服中心瀏覽：2650

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1 前言

為因應(yīng)拉絲模具、卷線機(jī)用噴嘴、化纖紡絲噴嘴、燃油噴嘴、噴水噴嘴、印刷基板、半導(dǎo)體集成電路用治具及各種光學(xué)零件等微細(xì)孔穴加工之要，求鉆孔作業(yè)漸漸有朝向細(xì)徑化、深孔化、高品質(zhì)化、高效率化及不易切削化發(fā)展。而目前可應(yīng)用之微細(xì)孔加工方法中計(jì)有超音波加工、鉆孔加工、研磨加工、激光加工、放電加工及電子束加工等六種方法，考量被切削材料性質(zhì)（硬度、強(qiáng)度、導(dǎo)電性）、孔穴尺寸（直徑、深度）、部面形狀（圖形、奇異形狀）、加工效率及成本，并且配合加工目的從其中選擇合適的加工方法。本文內(nèi)容則是以直徑1mm以下，特別是0.3mm以下微細(xì)孔加工之技術(shù)。

2 超音波加工(Ultra Sonic Machining，簡(jiǎn)稱USM)

東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所也曾經(jīng)利用超音波加工在玻璃、硅膠及陶瓷等硬脆材料上，成功鉆取了直徑5μm的微細(xì)孔穴(請(qǐng)參閱照片1)。

首先是利用線放電研磨法(WEDG)在加工機(jī)具上形成微細(xì)的圓柱狀工具，接著讓該工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，加工對(duì)象端會(huì)產(chǎn)生振幅1μm的超音波振動(dòng)，最后再以次微米鉆石磨�？刂萍庸ぷ饔昧ΑＲ蚨逵杀炯庸し椒ǹ蓮氖驴v寬比2之鉆孔加工。線放電研磨法（WEDG）是能夠制作微細(xì)工具的制作方法，它的精致是能讓在加工機(jī)具上制作之工具自動(dòng)的調(diào)整中心點(diǎn)，故發(fā)生偏心的機(jī)會(huì)極小。本方法不僅能夠從事圓孔穴加工，亦可從事異形孔或三維形狀加工，應(yīng)用范圍極為廣泛。

目前日本九州大學(xué)正在從事附有超音波振動(dòng)小徑鉆孔加工之切削機(jī)構(gòu)，超音波振動(dòng)對(duì)加工精度的影響效果，在傾斜面上孔穴加工的適用性，各種展延性材料上的適用性及直徑50μm等極小徑鉆頭適用效果進(jìn)行研究，以下是較為明確的研究成果。

1. 由于有超音波振動(dòng)的關(guān)系，除了因摩擦降低使切屑變薄并增加切排出速度外，更會(huì)因?yàn)殂@頭中心側(cè)及棱角側(cè)之切屑排出速度差減少，故橫向卷繞切屑會(huì)變小，而且會(huì)形成平滑螺旋狀或帶狀的切屑，使切屑排出更為順暢，因而不需要分級(jí)進(jìn)刀即可從事深孔加工。

2. 因有超音波振動(dòng)，故對(duì)抑制孔穴入口處鉆頭振顫振動(dòng)有相當(dāng)程度的效果。因此也不易產(chǎn)應(yīng)變圓(Strain round)借著鑿尖錘系作用限制鉆頭，鉆頭笸加工對(duì)象間歇性接觸，降低鉆頭彈性變形恢復(fù)力及摩擦力，相對(duì)的也能減少?gòu)较蜃饔昧Φ淖儎?dòng)。

3. 因增加了超音波振動(dòng)，在傾斜孔加工里孔穴的應(yīng)變也變小了。

4. 藉超音波振動(dòng)，使用直徑60μm極小徑鉆頭從事不銹鋼鉆孔加工變得更容易。

圖(一) 利用線放電研磨法()制作之微米刀具及在石英玻璃上加工成內(nèi)徑5μm之微細(xì)孔的情形

3 超音波振動(dòng)研磨加工 (Ultra Sonic Vibration Grinding)

自1993年左右日本九州工業(yè)技術(shù)研究所已開始在電解沉積鉆石磨輪增加超音波振動(dòng)，而從事硬脆材料之鉆孔研究，以替代傳統(tǒng)使用游離磨粒之超音波加工。換言之，即是藉由所謂超音波振動(dòng)研磨推展微細(xì)孔工之研究。它是讓頻率40KHz超音波作用在直徑粒度0.27~1.0mm，粒度100~1000的電解沉積鉆石磨輪上面，然后一邊以回轉(zhuǎn)數(shù)3000rpm進(jìn)給量0.14~4.2mm/min，及外側(cè)供油條件下，在厚度3mm鋁（CIP材料，HIP材料）及氧化鋯板材上面從事鉆孔加工試驗(yàn)。

從試驗(yàn)結(jié)果顯示有超音波振動(dòng)時(shí)，鋁之CIP材，和HIP材料二者軸方向平均研磨阻抗均明顯減少了（脆性破降低了），縱然增加鉆孔的深度，研磨阻抗仍然維持很低的阻抗值。

附加超音波振動(dòng)之加工方法，由于能夠降低平均加工阻抗，抑制微小徑刀具變形，故能夠適合微細(xì)孔之加工。

目前孔穴加工用電解沉積鉆石磨輪的最小直徑是0.135mm，為了有利于今后硬脆材料微細(xì)孔穴加工，必須先行確立包括粒度，集中度及接合劑等耐磨耗性高，且更小徑磨輪的制作技術(shù)。

4 放電加工(Electro Discharge Machining，簡(jiǎn)稱EDM)

現(xiàn)在，微細(xì)加工技已經(jīng)廣用于燃料噴嘴、辦公室噴墨打印機(jī)噴嘴、光通訊光纖連接器等的孔加工以及微細(xì)工具制作等的三次元形狀加工方面。今后，隨著微細(xì)化的進(jìn)展，加工技術(shù)應(yīng)當(dāng)也會(huì)持續(xù)跟著一起進(jìn)步。以放電加工法來看，他在各種加工法中是一種屬于稍具不同性質(zhì)的加工法。在以熱熔解、除去為基本方式這方面看來，和雷射加工、電子束加工具有同樣的性質(zhì)，不過，其一次一次注入的能量相當(dāng)小。利用相互獨(dú)立的脈沖放電一點(diǎn)一點(diǎn)將材料微量地除去，因此具有和研磨加工等相似的意味，十分適合精密加工。

放電加工今工件與工具電極在絕緣液中相向，當(dāng)電極在此引火時(shí)，工件與工具電極間就會(huì)產(chǎn)生放電。利用這種脈沖放電，可以將工作放電點(diǎn)附近，相當(dāng)微小的部份熔解或者蒸發(fā)，接著再藉由加工液等的壓力作用就可將熔解或蒸發(fā)部份附去。如此反復(fù)地放電，就可以將工具電極的形狀轉(zhuǎn)映成加工形狀。利用放電加工能將工具電極的形狀轉(zhuǎn)映到工件上，因此如果工具電小（細(xì)），所加工出來的形狀就小，自然能夠做微細(xì)的加工。工具電極要小之外，每次脈沖放電能量也要小。放電痕的尺寸如果小，加工面的粗度也小，間隙如果小，則轉(zhuǎn)映出去的工具電極的形狀精度就高。

微細(xì)電極的制作

要能夠微細(xì)加工，加工面粗度以及轉(zhuǎn)映精度的等級(jí)等都必須較加工尺寸小很多。因此，為了能利用放電加工來進(jìn)行微細(xì)加工。工具電極尺寸必須在所需的微細(xì)尺寸，同時(shí)，每次脈沖放電的能量都必須很小。

進(jìn)行微細(xì)孔放電加工不僅加工電路很重要，另一項(xiàng)重要的因素就是工具電極的制作。

圖（二）所示為工具電極的制作法。圖中（A）為將市面上的線材拿來使用的方法，當(dāng)線材變細(xì)時(shí)，工具電極的固定就變得愈加困難。不適合所謂數(shù)10μm的微細(xì)孔加工。（B）為利用車床或磨床等切削出直徑數(shù)10μm的加工，這種方式會(huì)因裝于工機(jī)時(shí)的位置偏離或者因回轉(zhuǎn)中心的偏離，而導(dǎo)致加工精度降低。這種情形在（A）也會(huì)發(fā)生。（C）為在放電加工機(jī)上研磨出工具電極的方法。這種情形下，由于所裝的是素材，夾頭的精度可以不用很高。因?yàn)樵谕患庸C(jī)上，由工具制作到孔加工都是連續(xù)進(jìn)行之故。不過，加工后尺寸的確認(rèn)很難，必需將工件自備上卸下，然后利用顯微鏡等反復(fù)地進(jìn)行測(cè)定作業(yè)。

圖(二) 微細(xì)電極制作法及利用放電來研磨電極的方法

解決這種電極消耗問題的方法之一，就是開發(fā)以行走的線來取代傳統(tǒng)以金屬塊做為電極的新方法。這就是線放電研磨(WEDG)。

如圖(二)(B)所示為線放電研磨的原理。和(A)對(duì)比就可知，用直徑50μm~200μm的細(xì)金屬線來取代以往做為電極的金屬塊。金屬線在與紙面垂直的方向慢慢行走，被加工軸則一面回轉(zhuǎn)，一面往軸方向送入。

此方法和線切割一樣，由于金屬線連續(xù)地被送出，形成經(jīng)常以新的電極面來加工，即使電極消耗實(shí)際上是存在，對(duì)精度的影響還是很小到可以忽略的程度。

如果一開始將金屬線設(shè)定在所定的位置，軸徑也會(huì)自動(dòng)地加工至所希望的值。也就是說，不必要像以往那樣經(jīng)過反復(fù)測(cè)定，以接近所希望的尺寸。

5 電子束加工(Electron Beam Machining，簡(jiǎn)稱EBM)

利用電子束來加工，除了焊接之外，還有鉆孔及表面處理等，無論那一種都是屬于利用高電功來加速電子束的熱加工。其中，鉆孔加工為將高能量密度的電子束照射在材料上，利用當(dāng)時(shí)所產(chǎn)生的熱將材料熔融、蒸發(fā)，并加以排除的加工法。這種加工法和其化加工法比，是一種相當(dāng)優(yōu)良的高速加工，同時(shí)具有高度的控制性及斜孔加工的特征，可望代替現(xiàn)有的鉆孔加工，甚至能發(fā)展出更新的用途。

利用電子束鉆孔，由開始直至鉆透為止。如圖(三)所示，其中有幾個(gè)過程存在。同時(shí)，電子鉆孔法為了獲得漂亮的貫穿孔，在工件底下還敷有特定的輔助材料(墊襯)。

·大約10KW/cm的，具有高密度集中能量的電子束照射在工件上，開始先將局部熔解。

·塞滿蒸發(fā)物的空洞愈來愈深，并在其周圍產(chǎn)生熔融層。

·電子束貫穿工件，一直到達(dá)補(bǔ)助材料處為止。

·輔助材料于瞬間氣化，產(chǎn)生很高的蒸氣壓，將貫穿孔的蒸發(fā)物及熔融層向外部飛散出去以完成鉆孔。

為了能正確鉆出特定孔徑以及深度的孔，通常將加速電功設(shè)為一定，而調(diào)整電子束電流(脈沖電流)以及照射時(shí)間。同時(shí)，加工速度依孔徑以及孔深來決定其上限，而孔徑、孔深愈增加，加工速度就愈降低。

電子束鉆子的特征

電子束對(duì)材料的侵透力強(qiáng)，并富控制性，具有焦點(diǎn)深度深等特性，同時(shí)，利用加工操控軸移動(dòng)的自動(dòng)控制，可以獲得如下的優(yōu)點(diǎn)﹕

·鉆孔非�？�(最4000孔／秒)。

·孔的節(jié)距正確，可以獲得相當(dāng)漂亮的孔。

·可以鉆出斜角度的孔(對(duì)工件表面而言，最低可至20度)。

·即使是復(fù)雜形狀的孔也能鉆。

·幾乎所有的材料都能鉆孔。

電子束鉆孔之應(yīng)用

·大型微細(xì)過濾器

·真空滾子

·軟燥室

·工業(yè)用微細(xì)濾網(wǎng)

此外，使用微細(xì)孔濾網(wǎng)的離心分離機(jī)、脫水機(jī)、自動(dòng)過濾器、造粒機(jī)等都是電子束的用途。以往，孔徑0.3mm以下，而且板厚0.5mm以上的濾網(wǎng)是不可能加工的�，F(xiàn)在，利用電子束鉆孔就可以做到，因此，電子束還可望開發(fā)更多新的用途。

圖(三)電子束鉆孔過程

6電射加工(Laser Machining)

電射加工在國(guó)內(nèi)工業(yè)界的應(yīng)用上已經(jīng)相當(dāng)廣泛，但使用的范圍多限制在以熱加工方式的紅外線雷射上，本文探討紫外光雷射冷加工模式的技術(shù)，如微細(xì)鉆孔。

所謂的紫外光指的是波長(zhǎng)約分布在150~400奈米之間的光源，目前被使用在工業(yè)應(yīng)用上的紫外光雷射主要有兩種，第一種是氣態(tài)的準(zhǔn)分子雷射(Excimer Laser)另一種是利用Nd:YAG電射的光源經(jīng)過非線性倍頻晶體轉(zhuǎn)換技術(shù)(nonlinear crystal conversion)而將紅外光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成紫外。

準(zhǔn)分子雷射是利用兩種在常態(tài)下不起反應(yīng)的氣體，但在激發(fā)態(tài)會(huì)結(jié)合成不穩(wěn)定分子后迅速解離而放出紫外光，取其『excited dimer』的字面而成之為excimer雷射。一般工業(yè)上常用的種類主要包括XeCl(308nm)，KrF(248nm)，ArF(193nm)三種波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子雷射。準(zhǔn)分子雷射是一種脈沖式的雷射，每個(gè)脈沖所能攜帶的能量是目前所有紫外光雷射中最高的。從準(zhǔn)分子雷射是一種多模(Multi-mode)的雷射，一般輸出的電射光束截面積約在數(shù)十個(gè)平方毫米，因此非常適合利用光罩做投影式的加工(Image projection system)方式。

Nd:YAG本身的波長(zhǎng)為1064奈米(nanometer)，利用倍頻技術(shù)可將頻率做2倍、3倍、4倍甚至5倍的轉(zhuǎn)換,由于波長(zhǎng)和頻率成反比，因此分別可得到532、355、266及213奈米的雷射光波長(zhǎng)，其中532為綠光，其余的皆為紫外光，一般簡(jiǎn)稱為UV YAG 。UV YAG和準(zhǔn)分子雷射光的主要差別在于倍頻技術(shù)是相當(dāng)?shù)托实哪芰哭D(zhuǎn)換方式，因此每個(gè)脈沖的能量通常都在1mJ以下，所能攜帶的能量相當(dāng)?shù)牡停捎赨V YAG每個(gè)脈沖的時(shí)間比excimer小一個(gè)order(約4~7ns)，因此還是有足夠高的尖峰脈沖功率來工作，再加上UV YAG的脈沖頻率可達(dá)到1KHz以上,因此適合用在單點(diǎn)鉆孔(single hole drilling)或直接刻寫(Direct writing)的工作模式上。

紫外光雷射在鉆孔上的應(yīng)用隨著電子工業(yè)越來越要求微小化的趨勢(shì),因其可達(dá)10μm直徑，1μm精度的鉆孔能力而越來越受重視。以目前印刷電路板的鉆孔而言，已經(jīng)有很大的比例由UV YAG的鉆孔機(jī)來取代，鉆孔速度快而精確。另外許多微小的過濾板，醫(yī)療用導(dǎo)管上的鉆孔等，都必須利用紫光雷射才能達(dá)到其要求。

以準(zhǔn)分子雷射而言，其最成功的鉆孔應(yīng)用為噴墨頭上的噴墨板(inkjet nozzle plate)的噴孔鉆孔應(yīng)用。噴孔的要求要在Polyimide 的 TAB電路板上鉆出300個(gè)50μm或更小的微孔，利用準(zhǔn)分子雷射的光罩投影式加工可以在12秒內(nèi)完成一組噴孔片的加工，而且良率可高達(dá)98%以上。

圖(四) 準(zhǔn)分子電射在Kapton-E上所鉆出的噴墨孔

CO2雷射加工與印刷基板

圖(五)所示為加工機(jī)的概念圖以及裝置例。由雷射振蕩器來的激光束照射在光罩上，藉助控制鏡掃描，并利用具有F-Θ特性的轉(zhuǎn)映透鏡，使投影在印刷基板上，加工出依光罩上孔徑所規(guī)定的BVH。

圖(五) 短脈沖CO2雷射鉆孔加工機(jī)概念圖

鉆孔之際，工作臺(tái)為靜止?fàn)顟B(tài)，藉由控制鏡與fΘ透鏡進(jìn)行某一區(qū)域的鉆孔。所采用的方式是鉆完該區(qū)域的孔后，再驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)依序加工下一掃描區(qū)域的逐步與反復(fù)(Step and Repeat)的方式，控制掃描的高速化﹕現(xiàn)在1000孔/秒的系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)用化。而且，藉由全像光學(xué)系統(tǒng)之采用，可以用4552孔/秒的速度做定形圖樣的超高速加工。

圖(六) BVH多層基板構(gòu)造例

7鉆孔加工(Drilling)

隨著零件的迷你化，鉆孔直徑縮小化當(dāng)屬必然的現(xiàn)象。以往小孔徑都是以高速綱鉆頭和深孔鉆頭進(jìn)行小孔加工，這些鉆頭由于加工效率低，故無法滿足目前性能要求。小孔徑鉆孔加工是屬于外界供油加工，同時(shí)由于切屑排除困難，所以必須采行分段鉆孔加工(step drilling)，因而欲縮短加工時(shí)間似乎不大可能。

圖(七)是在小孔徑加工中可能發(fā)生的故障及其發(fā)生的比例，而最容易發(fā)生的麻煩應(yīng)該是折損，其主要的原因大部份是切屑阻塞引起。然而，由于小孔徑幾乎都是L/D=5以上的深孔，故切屑在高速鋼鉆頭里對(duì)鑿鋒緣(chisel edge)有重大影響，很容易產(chǎn)生過當(dāng)?shù)闹雇屏�。同時(shí)會(huì)使同心圓的形狀變差。結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致材質(zhì)性剛性相互作用，并使鉆頭產(chǎn)生撓曲，被鉆穴彎曲、孔徑擴(kuò)大等，孔穴精度不良現(xiàn)象。為克服上述缺點(diǎn)之考量及滿足加工效、切屑排出及鉆頭形狀、剛性等要求，開發(fā)能夠從事小孔徑穩(wěn)定加工之極小直徑內(nèi)部供油鉆頭乃是迫不及待之要?jiǎng)?wù)。