1研究精密小孔的硼硅玻璃使用 microEDM結(jié)合微超聲振動(dòng)加工文摘由于其優(yōu)良的陽(yáng)極鍵合性能和表面完整性、硼硅玻璃通常用作的基質(zhì)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。為構(gòu)建通信接口,需要鉆小孔襯底。 然而,微孔直徑低于200年μm很難生產(chǎn)使用傳統(tǒng)加工過(guò)程。來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,一種加工方法,結(jié)合微電火花加工(MEDM)和微超聲振動(dòng)生產(chǎn)加工(MUSM)提出本精密小孔高硼硅玻璃的縱橫比。在本文中描述的調(diào)查,一個(gè)圓形的試件進(jìn)行生產(chǎn)使用MEDM過(guò)程。這個(gè)工具被用來(lái)鉆一個(gè)洞在玻。實(shí)驗(yàn)表明,使用合適的加工參數(shù),直徑出入口之間的差異(DVEE)可能達(dá)到的值約2μm小孔直徑約150500μmμm和深度。DVEE可以改善如果適當(dāng)?shù)哪酀{濃度;超聲振幅或轉(zhuǎn)速是利用。圓度調(diào)查,旋轉(zhuǎn)速度有密切的關(guān)系程度的微觀孔的圓度。小孔的圓度值約2μm(max。減去分鐘半徑)可以獲得采用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速。?2002 愛(ài)思唯爾的科學(xué)有限公司版權(quán)所有。關(guān)鍵詞:硼硅玻璃;微電火花加工;微超聲振動(dòng)加工;微孔;試件;高縱橫比1.介紹在包裝MEMS-related設(shè)備,例如微閥和微流量傳感器等,硼硅玻璃通常是用作鍵與硅襯底晶片。建立電氣通過(guò)通道和連接硅片之間的內(nèi)部系統(tǒng)和環(huán)境,小孔鉆在玻璃表面保稅。鉆井這些困難與傳統(tǒng)加工過(guò)程。有幾種方法用來(lái)制造小孔,MEDM(1、3、5、8、9、11],準(zhǔn)分子激光鉆井[6],聯(lián)賽(2、10),電化學(xué)放電加工(ECDM)[12]和MUSM(4、7)等。由于不同的工作機(jī)制,這些方法產(chǎn)生的結(jié)果是截然不同的。例如,MEDMμm 160微孔的直徑和深度380μm可以鉆在2分鐘內(nèi)[5]。MEDM只能用于生產(chǎn)導(dǎo)電材料在加工和重鑄層表面,含有隕石坑和微裂縫會(huì)導(dǎo)致表面和尺寸精度差。激光微加工技術(shù)可用于制造下一個(gè)洞直徑4μm[6]。然而,激光加工造成惡化和加工表面的微裂紋。西甲技術(shù)被發(fā)現(xiàn)適合生產(chǎn)三維微觀結(jié)構(gòu)與小孔金屬、聚合物和陶瓷[2、10]。然而,聯(lián)賽方法影響配置精密微孔加工高縱橫比的,因?yàn)楣獾难苌?如 x 射線)。ECDM 可以提高材料去除率(MRR)和表面粗糙度 1.5 毫米/分鐘和0.08μm 分別[12],但與化學(xué)腐蝕,墻上的小孔將被證明是成功的在困難和脆性材料。Masuzawa 等人證明了小孔小至 5μm(深度 10μm)和三維微機(jī)器可以創(chuàng)建通過(guò)結(jié)合線電火花磨削(WEDG 放電),MEDM 和 MUSM(4、7)。因?yàn)?MUSM 依賴于微機(jī)械力量去除材料,對(duì)于高縱橫比的微孔加工,小型機(jī)械力量的變化可以有重大的后果對(duì)制造業(yè)的穩(wěn)定性和精度。此外,機(jī)械力量主導(dǎo)的精度。此外,機(jī)械力量主導(dǎo) MUSM 參數(shù)。尚未進(jìn)行深入研究這些參數(shù)如何影響制造業(yè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。加工方法結(jié)合 MEDM 和 MUSM 設(shè)計(jì)完成高縱橫比的小孔。在整個(gè)加工過(guò)程中,微刀相同的夾具,所以工具偏心問(wèn)題是可以避免的。避免在制造過(guò)程 微刀振蕩或打破,超聲波儀器成立震動(dòng)工件。 這種安排選舉中小孔的加工精度。22.方法2.1. 試驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)設(shè)備由EDM機(jī),作為選取控制系統(tǒng)和超聲加工單位(如圖1所示)。選取控制系統(tǒng)固定到EDM工作臺(tái)。這里的硼硅玻璃或銅盤(pán)沿前后方向移動(dòng)使用電動(dòng)機(jī)X和上下移動(dòng)使用電動(dòng)機(jī)Y .微觀工具被夾成水平卡盤(pán)旋轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)C和定向左派和右派Z汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)分辨率X,Y,Z是0.2μmμmμm 0.2和0.2,分別。圖 1.MEDM 和 MUSM 設(shè)備的配置:U,超聲振動(dòng)設(shè)備;操作系統(tǒng),光學(xué)規(guī)模;OP,光學(xué)規(guī)模計(jì)數(shù)器;X,Y 和 Z,汽車(chē) forx - Y -和 z-axes 運(yùn)動(dòng);銅 (銅板)、EDM 電極;H,旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)夾 ;t,試件;D,計(jì)算機(jī)控制顯示,C,c-axis旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī);ID、接口 circuitand 電機(jī)驅(qū)動(dòng);G 函數(shù)發(fā)生器;CPU、電腦。啟用刪除碎片很容易從小孔 MUSM 期間,進(jìn)行加工操作水平。超聲波加工單位(包括頻率、30 千赫)電子發(fā)生器,傳感器和 horn-tool 組合設(shè)備。該工具是一個(gè)圓柱形桿螺紋角尖。一小塊的硼硅玻璃化學(xué)粘到一個(gè)小矩形板[4]在工具提示(如圖 2 所示)。2.2. 材料硼硅玻璃(Pyrex,康寧 7740)是一種硅成分具有優(yōu)良的陽(yáng)極鍵合性能,表面完整性、熱性能和耐酸性。這個(gè)玻璃一直擔(dān)任微傳感器襯底。 因?yàn)榕鸸璨Ａ怯埠痛?它的方法。維持精確的微孔大小,非常適合微孔鉆井使用 MUSM 工具[4]。微孔精度可以提高通過(guò)使用石油作為泥漿介質(zhì)(13 - 15)。硅卡賓槍谷物,懸浮在煤油,被選為工作泥漿的濃度是 10%,20%和 30%的 MUSM 過(guò)程。和平均磨料尺寸1.2μm(大約 75%的粒子大小從 0.9 到 0.9μm)和 3μm(大約 75%的粒子大小從 2.6到 2.6μm)。32.3. 加工過(guò)程被分成兩個(gè)主要的加工流程部分。首先,碳化鎢桿制成試件用銅版的電極MEDM一步。 這個(gè)工具是與MUSM然后使用硼硅玻璃的微孔鉆探的過(guò)程。上面的程序詳細(xì)描述如下:電火花加工試件,循環(huán)碳化鎢桿是固定在水平方向和旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘-明智的。與此同時(shí),一個(gè)銅板被綁跳汰機(jī)和自動(dòng)上下垂直移動(dòng)。的直徑降低了移動(dòng)的工具板邊(如圖3所示(一個(gè)))和EDM介質(zhì)噴灑到工作區(qū)域MEDM時(shí)開(kāi)始。完成的試件進(jìn)行長(zhǎng)約2毫米,直徑150μm。產(chǎn)生高應(yīng)力集中在工件MUSM,前端電路的試件直徑減少到20μm和長(zhǎng)度0.2毫米。圖3(b)顯示微刀完成。實(shí)驗(yàn)參數(shù)MEDM流程表1中列出。查克的試件,微孔使用MUSM鉆的玻璃。減少工具的磨損在低級(jí)別(15),該工具可以-之前沒(méi)有接觸到工件加工過(guò)程開(kāi)始,所以它存在之間的工具,約0.1毫米玻璃表面加工過(guò)程時(shí),開(kāi)始寧。微孔加工過(guò)程中,微觀喂養(yǎng)工具伴隨著噴漿與超聲振動(dòng)利用制造玻璃(如圖2所示)。砂漿的流量是450毫升/分鐘。表2列出了實(shí)驗(yàn)參數(shù)MUSM流程。圖2.實(shí)驗(yàn)儀器的細(xì)節(jié)圖MUSM過(guò)程。圖3。試件加工過(guò)程和試件在MEDM過(guò)程完成。(b)完成試件形狀。4表1 表2實(shí)驗(yàn)MEDM參數(shù) 實(shí)驗(yàn)MUSM參數(shù)工件的圓桿,碳化鎢(甘藍(lán)型) 縱向超聲振動(dòng)方向銅電極 超聲振動(dòng)頻率30千赫工作煤油 超聲振動(dòng)振幅(μm)1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2轉(zhuǎn)速150 微工具轉(zhuǎn)速(rpm)50,100,150,200,200工件(rpm) 進(jìn)給速率(μm /分鐘),6.7,7.5,8.6,10極性+(粗糙);(完成) 漿濃度(wt %)10%,20%,30%打開(kāi)負(fù)載電壓(100 V) 平均磨料尺寸(μm)1.2,3工作電壓(V)25放電電流(A)0.95、1.45脈沖持續(xù)時(shí)間(μs)4、10時(shí)間(μs)4、103.實(shí)驗(yàn)結(jié)果除了評(píng)估精度的高精度微孔大小,形狀精度和表面粗糙度估計(jì)。因此,下面的討論分為三個(gè)主要部分:(A)的入口和出口之間的DVEE,(B)圓度和(C)表面粗糙度。 微孔的精度影響。因素包括漿濃度、磨料粒度和MUSM加工參數(shù)。3.1.1.磨料漿濃度和粒徑的影響磨料漿的濃度和粒度是最重要的影響因素MUSM加工精度。磨料漿濃度高、材料被加工表面的研磨谷物將快于泥漿濃度越低?？焖俪牧现g的摩擦將會(huì)減少微刀前端和加工過(guò)程。DVEE將使用泥漿濃度高時(shí)低。圖4顯示,平均磨料尺寸是否1.2μmor3μm DVEE泥漿濃度會(huì)發(fā)生小于20%漿濃度10%。但DVEE泥漿濃度達(dá)到30%時(shí)變得更大。20%濃度提供了幾乎兩倍磨料粒子制造孔比10%濃度的平均大小1.2μm,導(dǎo)致DVEE變得更小。然而,由于微孔加工是設(shè)置在橫向模式下,磨料磨具洞入口之間的聚集和工具,這些粒子被旋轉(zhuǎn)工具,被送入洞超聲波振幅。但這將阻礙研磨劑進(jìn)入洞時(shí)的粒子之間的聚集太多洞入口和工具,從而影響微孔DVEE的。漿濃度30%,這種情況將變得清晰,所以效果明顯降低。此外,平均晶粒尺寸(3μm)比超聲波振幅(1.8μm),誘導(dǎo)磨料磨具在MUSM很難進(jìn)入洞。所以DVEE加工影響并不明顯比小的晶粒尺寸。圖4還表明,采用平均1.2μm 大小創(chuàng)建DVEE比3μm平均粒子的大小。在同一濃度,小顆粒更均勻懸浮在泥漿和容易進(jìn)入比大一個(gè)洞。然而,MRR并不為每個(gè)谷物。因此,平滑的加工表面,更直的交叉截面微孔可以獲得,提高DVEE小孔。獲得更好的完成效果,以下實(shí)驗(yàn)使用粒子濃度20%的平均直徑1.2μm。3.1.2.超聲振動(dòng)振幅的影響在超聲電機(jī)程序,大型加工工具導(dǎo)致更高的MRR(15、16)。加工工具可能彎曲在鉆井過(guò)程中超聲振動(dòng)時(shí)振幅很大。這將影響到精確的漏洞。 在MUSM這種現(xiàn)象更明顯。在這些實(shí)驗(yàn)中,超聲波振幅測(cè)量使用工具顯微鏡(1000×)三次(在空氣中),然后把平均工作振幅。圖5給出了超聲振動(dòng)振幅對(duì)DVEE的影響。圖中顯示,5DVEE隨振幅增加而降低μmμm從1.2到1.2。DVEE增加當(dāng)振幅增加從1.8μmμm到2.2。這表明適當(dāng)?shù)恼穹鶗?huì)增加小孔的嚴(yán)謹(jǐn)。然而,利用較小的振幅制造小孔將增加試件的加工時(shí)間和導(dǎo)致更多的磨損,產(chǎn)生更大的DVEE。此外,加工時(shí)間變得更短的振幅。是增加了。這減少了磨損試件。低DVEE可能因此被發(fā)現(xiàn)。由于的細(xì)長(zhǎng)比MUSM過(guò)程,微刀會(huì)彎曲,因?yàn)楦蟮恼穹?。這誘導(dǎo)不規(guī)則小孔的加工(如圖6所示),使DVEE值大。的微刀不規(guī)則孔加工時(shí)也可以打破變得嚴(yán)重。圖4.磨料漿的濃度和粒度的影響 圖5.通過(guò)MUSM DVEE超聲振動(dòng)振幅 通過(guò)MUSM DVEE。 的影響。 圖6。超聲波產(chǎn)生的不規(guī)則的微孔的擴(kuò)張平均振幅2.2μm(磨料尺寸3μm) 3.1.3.微刀的旋轉(zhuǎn)速度的影響微刀的轉(zhuǎn)速也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)影響小孔精度。因?yàn)橐粋€(gè)旋轉(zhuǎn)工具可以協(xié)助懸浮粒子進(jìn)入微孔,這種安排可以驅(qū)動(dòng)MUSM過(guò)程中顆粒磨洞。因此,DVEE小孔,所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)工具,如果不旋轉(zhuǎn)的工具會(huì)更好。圖7顯示了在DVEE轉(zhuǎn)速的影響。實(shí)驗(yàn)證明了DVEE小當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到50歲rpm 150 rpm。 DVEE改變時(shí)轉(zhuǎn)速增加從150轉(zhuǎn)到250轉(zhuǎn)。這表明正確的旋轉(zhuǎn)速度提高小孔精度。磨料粒子被喂進(jìn)洞里通過(guò)旋轉(zhuǎn)工具和超聲波振動(dòng)。在相同的振動(dòng)模式,數(shù)量的磨料顆粒送入洞旋轉(zhuǎn)在開(kāi)始階段的速度增加。制造效率因此增大,試件穿了,所以小DVEE可以獲得。工具的磨損和孔表面當(dāng)轉(zhuǎn)速增加了磨料顆粒增加[17]。這個(gè)結(jié)果將會(huì)更加清晰6速度。此外,切削過(guò)程的穩(wěn)定性也受到很高的速度。由于這些原因,DVEE不僅成為大但也很明顯150轉(zhuǎn)后改變了。3.1.4.微刀加料速度的影響DVEE在受飼料問(wèn):第一次MUSM時(shí)美國(guó)利率的變化。在這些實(shí)驗(yàn)中,飼料利率應(yīng)用程序接口來(lái)控制電動(dòng)機(jī)Z和光學(xué)規(guī)模,生產(chǎn)不斷飼料利率。圖8細(xì)節(jié)如提要DVEE利率。這個(gè)數(shù)字顯示,DVEE較小的進(jìn)給速率較低時(shí)使用。DVEE成為大當(dāng)一個(gè)大進(jìn)給速率。然而,試件端面之間的差距和玻璃的臉變得較小的更大的進(jìn)給速率時(shí)使用。這個(gè)較小的差距導(dǎo)致泥漿流通不好。當(dāng)這發(fā)生時(shí),減少磨料粒子進(jìn)入通過(guò)MUSM差距,導(dǎo)致沒(méi)有很好的工作效果;工具的前端這個(gè)加工過(guò)程中產(chǎn)生更多的磨損。因此,DVEE變得大了。圖9顯示了一個(gè)穿試件進(jìn)行的掃描電鏡照片。圖9(一)代表的小圓形一步前端的試件進(jìn)行嚴(yán)重磨損較大飼料加工速度(8.6μm /分鐘)。工具遭受更少穿在同一位置時(shí)使用一個(gè)較小的進(jìn)給速率(6μm /分鐘),如圖所示圖9(b)3.2、圓度超聲電機(jī)的流程、工具旋轉(zhuǎn)或不肯定影響孔的圓度(15、18)。工具旋轉(zhuǎn)艾滋病懸浮粒子進(jìn)入洞,從而提高超聲電機(jī)的工作效率。旋轉(zhuǎn)工具也能導(dǎo)致顆粒磨孔,從而提高孔的圓度。更好的旋轉(zhuǎn)速度從50到150 rpm。圓度值成為較大的轉(zhuǎn)速時(shí)從150增加到250 rpm。這是類似于對(duì)DVEE轉(zhuǎn)速的影響。然而,高轉(zhuǎn)速不僅造成更多的工具磨損,而且誘發(fā)不穩(wěn)定在切割過(guò)程中,促使顯然失圓的小孔后150 rpm。在這些實(shí)驗(yàn)中,最好的圓度值在本研究發(fā)現(xiàn)約2μm。圖11給出了小孔產(chǎn)生可接受的出入口在150轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。7圖9.試件的SEM MUSM后穿。(一)更高的飼料8.6μm /分鐘的速度。(b)在適當(dāng)?shù)娘暳下?μm /分鐘。3.3.粗糙度在超聲電機(jī)過(guò)程中,工具的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可以推動(dòng)磨料顆粒磨孔表面。因此,表面粗糙度值一般小于磨料顆粒大小(4、15、18)。因?yàn)闆](méi)有設(shè)備可以測(cè)量表面rough-ness小孔的研究、SEM照片用于討論晶粒尺寸的影響。圖12顯示了一個(gè)截面的表面微孔和洞。在圖12(a),微孔的橫截面與連續(xù)公平和形狀。圖12(b)和(c)顯示放大的照片孔表面加工時(shí)不同的磨料顆粒大小。(b)的表面制造使用平均糧食3μm;(c)是使用一個(gè)平均粒1.2μm完成。這些工作表面兩位數(shù)清楚地說(shuō)明,仍然有一些隕石坑和大晶粒尺寸時(shí)不是很順利。表面非常光滑,幾乎沒(méi)有坑小晶粒尺寸時(shí)應(yīng)用。因此,較小的磨料顆粒大小對(duì)微孔表面粗糙度的影響更大。8圖11.小孔的形狀通過(guò)MUSM在每分鐘150轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。(一)微孔的入口。(b)微孔的出口。圖10.MUSM轉(zhuǎn)速對(duì)圓度的影響。圖12.的橫截面和表面通過(guò)MUSM小孔。(一)微孔的橫截面。(b)的表面微孔用3μm平均大小。(c)的表面微孔使用平均大小1.2μm生產(chǎn)。4.結(jié)論與高縱橫比硼硅玻璃鉆小孔,工作方法結(jié)合MEDM MUSM發(fā)達(dá)。因?yàn)樵嚰](méi)有拆除的夾具通過(guò)不同的工作流程,一個(gè)好的工具集中性水平可以保持在加工程序。9高度精確的小孔直徑約150生產(chǎn)DVEE更好。MUSM過(guò)程,微孔圓度對(duì)試件進(jìn)行轉(zhuǎn)速有密切的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)顯示,轉(zhuǎn)速對(duì)圓度的影響類似于對(duì)DVEE轉(zhuǎn)速的影響。因此,為了更好的微孔圓度,選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速是很重要的。此外,小孔的表面粗糙度明顯受到磨料粒子的大小的影響。結(jié)果表明,可以獲得更好的表面粗糙度時(shí)小μm磨料顆粒大小和深度500μm通過(guò)制造MUSM方法。 實(shí)驗(yàn)表明,DVEE受到泥漿濃度、超聲振動(dòng)ampli ——態(tài)度或試件的轉(zhuǎn)速。這些參數(shù)的值存在哪個(gè)DVEE最低。更大或更小的值導(dǎo)致DVEE增加。此外,較小的粒子大小或試件進(jìn)行飼料利率。確認(rèn)作者要感謝國(guó)家科學(xué)委員會(huì)中華民國(guó)號(hào)合同下的財(cái)務(wù)支持本研究。國(guó)家安全委員會(huì)89 - 2212 - e - 008 - 008。