14
先进制造工艺技术
应用
• 超精密加工适用于精密元件、计量标准 元件、大规模和超大规模集成电路的制 造，在国防工业、航空航天工业、电子 工业、仪器仪表工业、计算机制造、微 型机械等领域都有着广阔的市场前景。
15
先进制造工艺技术
超精密加工分类
• 按照加工方式的不同，超精密加工可分为 超精密切削、 超精密磨料（固结磨料和游离磨料）加工、 超精密特种加工 复合加工。
大家好
先进制造工艺技术
第三章 先进制造工艺技术
❖精密洁净铸造成形工艺 ❖精确高效塑性成形技术 ❖优质、高效焊接与切割技术 ❖优质低耗洁净热处理技术 ❖超高速加工、超精密加工技术 ❖微型机械加工技术
2
先进制造工艺技术
❖现代特种加工工艺 ❖新型材料成形与加工工艺 ❖优质清洁表面工程新技术 ❖快速原型制造技术 ❖拟实制造成形加工技术
3
先进制造工艺技术
3.1 概述
•制造工艺技术是指将原材料转化成具有一 定几何形状、一定材料性能和精度要求可用 零件的一切过程和方法的总称。
4
先进制造工艺技术
机械制造工艺定义与内涵
机械制造工艺定义
原材料
改变形状,尺寸,性能,位置
机床、工具
成品 半成品
机械制造工艺三阶段： ①零件毛坯的成形准备阶段 ②机械切削加工阶段 ③表面改性处理阶段
19
先进制造工艺技术
图1 LLL 的LODTM 大直径光学超精密车床
20
先进制造工艺技术
图1 LLL 的LODTM 大直径光学超精密车床
21
先进制造工艺技术
• 英国CUPE 公司以其精加工技术著称，该 公司1991 年研制的用于加工X 射线天体 望远镜用2.5mx2.5m 反射镜的大型超精密 机床可用于精密磨削和坐标测量。
23
先进制造工艺技术
未来超精密加工技术发展趋势是：
• 向更高精度、更高效率方向发展； • 向大型化、微型化方向发展； • 向加工检测一体化方向发展； • 机床向多功能模块化方向发展； • 不断探讨适合于超精密加工的新原理、
新方法、新材料。
24
先进制造工艺技术
（２）硅片加工
• 硅片是集成电路IC 芯片的主要材料，IC 业的发展离不开晶体完整、高纯度、高精 度、高表面质量的硅晶片，全球90％以上 的IC 都要采用硅片。
• 此外，硅片需求量的剧增，还要求硅片加工 具有较高的生产效率。这些要求使硅片的加 工面临新的挑战。
28
先进制造工艺技术
29
先进制造工艺技术
30
先进制造工艺技术
Figure 2: Schematic of wiresaw
20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，10m/min； 20世纪初，高速钢，500-600ºC，30-40m/min； 20世纪30年代，硬质合金，800-1000ºC，
数百米/min; 目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000ºC以上，
一千至数千米/min。 7
先进制造工艺技术
切削速度随刀具材料的变更而提高
• 日本在用于声、光、图象、办公设备中 的小型、超小型电子和光学零件的超精 密加工技术方面，其优势超过美国。
22
先进制造工艺技术
• 我国的超精密加工技术在70 年代末期有 了长足进步，80 年代中期出现了具有世 界水平的超精密机床和部件。
• 但我国在超精密加工的效率、精度、可 靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配 套性方面与国外比，与生产实际要求比， 还有相当大的差距。
• 该机床与LODTM 是现在世界上公认的技术水 平最高、精度最高的大型超精密金刚石车床 （图1）。
17
先进制造工艺技术
(a) 单晶金刚石飞铣加工的激光系统用KDP 晶体
（长宽42cm,厚1cm,粗糙度2nm）
18
先进制造工艺技术
b) LODTM 加工的美国宇航局用的抛物面镜
（最终形状误差１５０nm）
• 超精密加工技术处于世界领先地位的国家有美 国、英国和日本。
16
先进制造工艺技术
• 美国LLL 国家实验室以发展国防尖端技术为主 要目标，于1983 年研究开发的大型金刚石超精
密车床DTM－3 的加工精度可达到形状误 差为28nm（半径），圆度和平面度为 12.5nm，加工表面粗糙度Ra4.2nm。
9
先进制造工艺技术
• 先进制造工艺技术就是机械制造工业 不断变化和发展后所形成的制造工艺 技构成： 1）精密与超精密加工技术； 2）传统制造方法的不断改进； 3）非传统制造方法的产生与发展。
11
先进制造工艺技术
3.2 先进加工工艺技术
12
先进制造工艺技术
• 因此实现大尺寸硅片的高精度、高质量和 高效率的工业化生产是目前IC 行业关注 的焦点。
25
先进制造工艺技术
• 硅片制造的传统工艺流程为：
拉单晶→磨外圆→切割→倒角→研磨→ 腐蚀→清洗→抛光（如图2 所示）。
26
先进制造工艺技术
27
先进制造工艺技术
• 下一代集成电路制造对硅片加工精度、表面 粗糙度、表面缺陷、表面洁净度和硅片强度 等提出了很高的要求。
上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一
5
先进制造工艺技术
机械制造工艺流程
6
先进制造工艺技术
先进制造工艺的产生和发展
• 制造加工精度 18世纪，其加工精度为1mm； 19世纪末，0.05mm； 20世纪初，μm级过渡； 20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度；
目前达到10nm的精度水平。 • 切削加工速度
8
先进制造工艺技术
•毛坯成形技术在向少、无余量发展
如：熔模精密铸造、精密锻造、
精密冲裁、冷温挤压等新工艺。
•表面工程技术的形成和发展
表面工程：通过表面涂覆、表面改性、表面加工、表 面复合处理改变零件表面形态、化学成分和组织结 构，以获取与基体材料不同性能的一项应用技术。
如：电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉 积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注 入等。
（１）超精密加工方法和设备
• 超精密加工技术是一门集机械、光学、 电子、计算机、测量和材料科学等先进 技术于一体的综合性技术。
13
先进制造工艺技术
• 目前，超精密加工技术通常是指被加工 零件的尺寸精度低于0.1μm，表面粗糙度 Ra 小于0.025μm 的加工技术。
• 目前超精密加工的零件精度已达到亚微 米级，正在向纳米级工艺发展。