外文翻译--研究精密小孔的硼硅玻璃使用microEDM结合微超声振动加工中文版

研究精密小孔的硼硅玻璃使用microEDM结合微超声振动加工文摘由于其优良的阳极键合性能和表面完整性、硼硅玻璃通常用作的基质微机电系统(MEMS)。为构建通信接口,需要钻小孔衬底。 然而,微孔直径低于200年m很难生产使用传统加工过程。来解决这个问题,一种加工方法,结合微电火花加工(MEDM)和微超声振动生产加工(MUSM)提出本精密小孔高硼硅玻璃的纵横比。在本文中描述的调查,一个圆形的试件进行生产使用MEDM过程。这个工具被用来钻一个洞在玻。实验表明,使用合适的加工参数,直径出入口之间的差异(DVEE)可能达到的值约2m小孔直径约150500mm和深度。DVEE可以改善如果适当的泥浆浓度;超声振幅或转速是利用。圆度调查,旋转速度有密切的关系程度的微观孔的圆度。小孔的圆度值约2m(max。减去分钟半径)可以获得采用适当的转速。2002爱思唯尔的科学有限公司版权所有。关键词:硼硅玻璃;微电火花加工;微超声振动加工;微孔;试件;高纵横比1.介绍 在包装MEMS-related设备,例如微阀和微流量传感器等,硼硅玻璃通常是用作键与硅衬底晶片。建立电气通过通道和连接硅片之间的内部系统和环境,小孔钻在玻璃表面保税。钻井这些困难与传统加工过程。有几种方法用来制造小孔,MEDM(1、3、5、8、9、11,准分子激光钻井6,联赛(2、10),电化学放电加工(ECDM)12和MUSM(4、7)等。由于不同的工作机制,这些方法产生的结果是截然不同的。例如,MEDMm 160微孔的直径和深度380m可以钻在2分钟内5。MEDM只能用于生产导电材料在加工和重铸层表面,含有陨石坑和微裂缝会导致表面和尺寸精度差。激光微加工技术可用于制造下一个洞直径4m6。然而,激光加工造成恶化和加工表面的微裂纹。西甲技术被发现适合生产三维微观结构与小孔金属、聚合物和陶瓷2、10。然而,联赛方法影响配置精密微孔加工高纵横比的,因为光的衍射(如x射线)。ECDM可以提高材料去除率(MRR)和表面粗糙度1.5毫米/分钟和0.08m分别12,但与化学腐蚀,墙上的小孔将被证明是成功的在困难和脆性材料。Masuzawa等人证明了小孔小至5m(深度10m)和三维微机器可以创建通过结合线电火花磨削(WEDG放电),MEDM和MUSM(4、7)。因为MUSM依赖于微机械力量去除材料,对于高纵横比的微孔加工,小型机械力量的变化可以有重大的后果对制造业的稳定性和精度。此外,机械力量主导的精度。此外,机械力量主导MUSM参数。尚未进行深入研究这些参数如何影响制造业的稳定性和准确性。加工方法结合MEDM和MUSM设计完成高纵横比的小孔。在整个加工过程中,微刀相同的夹具,所以工具偏心问题是可以避免的。避免在制造过程 微刀振荡或打破,超声波仪器成立震动工件。 这种安排选举中小孔的加工精度。2.方法2.1. 试验装置实验设备由EDM机,作为选取控制系统和超声加工单位(如图1所示)。选取控制系统固定到EDM工作台。这里的硼硅玻璃或铜盘沿前后方向移动使用电动机X和上下移动使用电动机Y .微观工具被夹成水平卡盘旋转由电动机电动机C和定向左派和右派Z汽车的运动分辨率X,Y,Z是0.2mmm 0.2和0.2,分别。图1.MEDM和MUSM设备的配置:U,超声振动设备;操作系统,光学规模;OP,光学规模计数器;X,Y和Z,汽车forx - Y -和z-axes运动;铜(铜板)、EDM电极;H,旋转卡盘夹;t,试件;D,计算机控制显示,C,c-axis旋转电动机;ID、接口circuitand电机驱动;G函数发生器;CPU、电脑。启用删除碎片很容易从小孔MUSM期间,进行加工操作水平。超声波加工单位(包括频率、30千赫)电子发生器,传感器和horn-tool组合设备。该工具是一个圆柱形杆螺纹角尖。一小块的硼硅玻璃化学粘到一个小矩形板4在工具提示(如图2所示)。2.2. 材料硼硅玻璃(Pyrex,康宁7740)是一种硅成分具有优良的阳极键合性能,表面完整性、热性能和耐酸性。这个玻璃一直担任微传感器衬底。 因为硼硅玻璃是硬和脆,它的方法。维持精确的微孔大小,非常适合微孔钻井使用MUSM工具4。微孔精度可以提高通过使用石油作为泥浆介质(13 - 15)。硅卡宾枪谷物,悬浮在煤油,被选为工作泥浆的浓度是10%,20%和30%的MUSM过程。和平均磨料尺寸1.2m(大约75%的粒子大小从0.9到0.9m)和3m(大约75%的粒子大小从2.6到2.6m)。2.3. 加工过程被分成两个主要的加工流程部分。首先,碳化钨杆制成试件用铜版的电极MEDM一步。 这个工具是与MUSM然后使用硼硅玻璃的微孔钻探的过程。上面的程序详细描述如下:电火花加工试件,循环碳化钨杆是固定在水平方向和旋转时钟-明智的。与此同时,一个铜板被绑跳汰机和自动上下垂直移动。的直径降低了移动的工具板边(如图3所示(一个)和EDM介质喷洒到工作区域MEDM时开始。完成的试件进行长约2毫米,直径150m。产生高应力集中在工件MUSM,前端电路的试件直径减少到20m和长度0.2毫米。图3(b)显示微刀完成。实验参数MEDM流程表1中列出。查克的试件,微孔使用MUSM钻的玻璃。减少工具的磨损在低级别(15),该工具可以-之前没有接触到工件加工过程开始,所以它存在之间的工具,约0.1毫米玻璃表面加工过程时,开始宁。微孔加工过程中,微观喂养工具伴随着喷浆与超声振动利用制造玻璃(如图2所示)。砂浆的流量是450毫升/分钟。表2列出了实验参数MUSM流程。图2.实验仪器的细节图MUSM过程。图3。试件加工过程和试件在MEDM过程完成。(b)完成试件形状。表1 表2实验MEDM参数 实验MUSM参数工件的圆杆,碳化钨(甘蓝型) 纵向超声振动方向铜电极 超声振动频率30千赫工作煤油 超声振动振幅(m)1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2转速150 微工具转速(rpm)50,100,150,200,200工件(rpm) 进给速率(m /分钟),6.7,7.5,8.6,10极性+(粗糙);(完成) 浆浓度(wt %)10%,20%,30%打开负载电压(100 V) 平均磨料尺寸(m)1.2,3工作电压(V)25放电电流(A)0.95、1.45脉冲持续时间(s)4、10时间(s)4、103.实验结果除了评估精度的高精度微孔大小,形状精度和表面粗糙度估计。因此,下面的讨论分为三个主要部分:(A)的入口和出口之间的DVEE,(B)圆度和(C)表面粗糙度。 微孔的精度影响。因素包括浆浓度、磨料粒度和MUSM加工参数。3.1.1.磨料浆浓度和粒径的影响磨料浆的浓度和粒度是最重要的影响因素MUSM加工精度。磨料浆浓度高、材料被加工表面的研磨谷物将快于泥浆浓度越低。快速除材料之间的摩擦将会减少微刀前端和加工过程。DVEE将使用泥浆浓度高时低。图4显示,平均磨料尺寸是否1.2mor3m DVEE泥浆浓度会发生小于20%浆浓度10%。但DVEE泥浆浓度达到30%时变得更大。20%浓度提供了几乎两倍磨料粒子制造孔比10%浓度的平均大小1.2m,导致DVEE变得更小。然而,由于微孔加工是设置在横向模式下,磨料磨具洞入口之间的聚集和工具,这些粒子被旋转工具,被送入洞超声波振幅。但这将阻碍研磨剂进入洞时的粒子之间的聚集太多洞入口和工具,从而影响微孔DVEE的。浆浓度30%,这种情况将变得清晰,所以效果明显降低。此外,平均晶粒尺寸(3m)比超声波振幅(1.8m),诱导磨料磨具在MUSM很难进入洞。所以DVEE加工影响并不明显比小的晶粒尺寸。图4还表明,采用平均1.2m 大小创建DVEE比3m平均粒子的大小。在同一浓度,小颗粒更均匀悬浮在泥浆和容易进入比大一个洞。然而,MRR并不为每个谷物。因此,平滑的加工表面,更直的交叉截面微孔可以获得,提高DVEE小孔。获得更好的完成效果,以下实验使用粒子浓度20%的平均直径1.2m。3.1.2.超声振动振幅的影响在超声电机程序,大型加工工具导致更高的MRR(15、16)。加工工具可能弯曲在钻井过程中超声振动时振幅很大。这将影响到精确的漏洞。 在MUSM这种现象更明显。在这些实验中,超声波振幅测量使用工具显微镜(1000)三次(在空气中),然后把平均工作振幅。图5给出了超声振动振幅对DVEE的影响。图中显示,DVEE随振幅增加而降低mm从1.2到1.2。DVEE增加当振幅增加从1.8mm到2.2。这表明适当的振幅会增加小孔的严谨。然而,利用较小的振幅制造小孔将增加试件的加工时间和导致更多的磨损,产生更大的DVEE。此外,加工时间变得更短的振幅。是增加了。这减少了磨损试件。低DVEE可能因此被发现。由于的细长比MUSM过程,微刀会弯曲,因为更大的振幅。这诱导不规则小孔的加工(如图6所示),使DVEE值大。的微刀不规则孔加工时也可以打破变得严重。 图4.磨料浆的浓度和粒度的影响 图5.通过MUSM DVEE超声振动振幅 通过MUSM DVEE。 的影响。 图6。超声波产生的不规则的微孔的扩张平均振幅2.2m(磨料尺寸3m) 3.1.3.微刀的旋转速度的影响微刀的转速也是一个关键参数影响小孔精度。因为一个旋转工具可以协助悬浮粒子进入微孔,这种安排可以驱动MUSM过程中颗粒磨洞。因此,DVEE小孔,所产生的旋转工具,如果不旋转的工具会更好。图7显示了在DVEE转速的影响。实验证明了DVEE小当转速增加到50岁rpm 150 rpm。 DVEE改变时转速增加从150转到250转。这表明正确的旋转速度提高小孔精度。磨料粒子被喂进洞里通过旋转工具和超声波振动。在相同的振动模式,数量的磨料颗粒送入洞旋转在开始阶段的速度增加。制造效率因此增大,试件穿了,所以小DVEE可以获得。工具的磨损和孔表面当转速增加了磨料颗粒增加17。这个结果将会更加清晰速度。此外,切削过程的稳定性也受到很高的速度。由于这些原因,DVEE不仅成为大但也很明显150转后改变了。3.1.4.微刀加料速度的影响DVEE在受饲料问:第一次MUSM时美国利率的变化。在这些实验中,饲料利率应用程序接口来控制电动机Z和光学规模,生产不断饲料利率。图8细节如提要DVEE利率。这个数字显示,DVEE较小的进给速率较低时使用。DVEE成为大当一个大进给速率。然而,试件端面之间的差距和玻璃的脸变得较小的更大的进给速率时使用。这个较小的差距导致泥浆流通不好。当这发生时,减少磨料粒子进入通过MUSM差距,导致没有很好的工作效果;工具的前端这个加工过程中产生更多的磨损。因此,DVEE变得大了。图9显示了一个穿试件进行的扫描电镜照片。图9(一)代表的小圆形一步前端的试件进行严重磨损较大饲料加工速度(8.6m /分钟)。工具遭受更少穿在同一位置时使用一个较小的进给速率(6m /分钟),如图所示图9(b)3.2、圆度超声电机的流程、工具旋转或不肯定影响孔的圆度(15、18)。工具旋转艾滋病悬浮粒子进入洞,从而提高超声电机的工作效率。旋转工具也能导致颗粒磨孔,从而提高孔的圆度。更好的旋转速度从50到150 rpm。圆度值成为较大的转速时从150增加到250 rpm。这是类似于对DVEE转速的影响。然而,高转速不仅造成更多的工具磨损,而且诱发不稳定在切割过程中,促使显然失圆的小孔后150 rpm。在这些实验中,最好的圆度值在本研究发现约2m。图11给出了小孔产生可接受的出入口在150转的转速。图9.试件的SEM MUSM后穿。(一)更高的饲料8.6m /分钟的速度。(b)在适当的饲料率6m /分钟。3.3.粗糙度在超声电机过程中,工具的旋转效应可以推动磨料颗粒磨孔表面。因此,表面粗糙度值一般小于磨料颗粒大小(4、15、18)。因为没有设备可以测量表面rough-ness小孔的研究、SEM照片用于讨论晶粒尺寸的影响。图12显示了一个截面的表面微孔和洞。在图12(a),微孔的横截面与连续公平和形状。图12(b)和(c)显示放大的照片孔表面加工时不同的磨料颗粒大小。(b)的表面制造使用平均粮食3m;(c)是使用一个平均粒1.2m完成。这些工作表面两位数清楚地说明,仍然有一些陨石坑和大晶粒尺寸时不是很顺利。表面非常光滑,几乎没有坑小晶粒尺寸时应用。因此,较小的磨料颗粒大小对微孔表面粗糙度的影响更大。图11.小孔的形状通过MUSM在每分钟150转的转速。(一)微孔的入口。(b)微孔的出口。图10.MUSM转速对圆度的影响。 图12.的横截面和表面通过MUSM小孔。(一)微孔的横截面。(b)的表面微孔用3m平均大小。(c)的表面微孔使用平均大小1.2m生产。4.结论与高纵横比硼硅玻璃钻小孔,工作方法结合MEDM MUSM发达。因为试件没有拆除的夹具通过不同的工作流程,一个好的工具集中性水平可以保持在加工程序。高度精确的小孔直径约150生产DVEE更好。MUSM过程,微孔圆度对试件进行转速有密切的关系。实验显示,转速对圆度的影响类似于对DVEE转速的影响。因此,为了更好的微孔圆度,选择适当的转速是很重要的。此外,小孔的表面粗糙度明显受到磨料粒子的大小的影响。结果表明,可以获得更好的表面粗糙度时小m磨料颗粒大小和深度500m通过制造MUSM方法。 实验表明,DVEE受到泥浆浓度、超声振动ampli态度或试件的转速。这些参数的值存在哪个DVEE最低。更大或更小的值导致DVEE增加。此外,较小的粒子大小或试件进行饲料利率。确认 作者要感谢国家科学委员会中华民国号合同下的财务支持本研究。国家安全委员会89 - 2212 - e - 008 - 008。9