各种复杂功能的电路。因此,单元芯片上的单元逻辑门电路数、单元芯片上的电子元件数和最 小线条宽度是集成电路集成度的标志,同时也表示了其制造难度和水平,如表01所示,表中 列出了小、中、大、超大规模集成电路的参数与性能。 衰01翁成电路集成度的标志 参数与性能 单元芯片上的单元正料 最小线条宽度 门电路數(个) 子元件数(个) 小规棋集成电路 100 ≤8 中规模集成电路 12~≤100 00-<1000 大规模集成电路 >100~<105 1000-<105 6-3 超大规棋集成电路 2,5-0 微细加工与一般尺寸加工在概念和机理上是不同的,一般尺寸加工时,精度是用公差单位 来表示的,公差=公差等级系数x公差单位,相同精度有相等的公差等级系数,但公差单位随 基本尺寸的大小而不同,基本尺寸愈大,公差单位愈大,按基本尺寸的分段范围有不同的公式 来计算。而微细加工时,由于加工尺寸很小,精度就用尺寸的绝对值来表示。因为从工件的角 度来看,一般加工和微细加工的最大差别是切屑的大小(厚度)不同。微细加工时背吃刀量极 小,切削在材料的晶体内部进行,切削去除量用“加工单位尺寸”或称“加工单位”来表示 加工单位”的大小代表了加工精度的水平,如分子级加工、原子级加工。 微细加工与一般尺寸加工虽然在概念和机理上有所不同,但从加工技术上来看,微细加工 主要是加工微小尺寸,而精密加工和超精密加工既加工大尺寸,也加工小尺寸,因此,微细加 工是属于精密加工和超精密加工范畴。实际上,两者的许多加工方法都是相同的,只是加工对 象有所不同而已。 (3)精密加工和超精密加工与特种加工关系密切特种加工是指利用机、光、电、声 热、化学、磁、原子等能源来进行加工的非传统加工方法,近年来发展很快,不仅可以采取单 独加工方法,更可采用复合加工方法,应用十分广泛。目前,许多精密加工和超精密加工方法 采用了激光加工、离子束加工等特种加工工艺,开辟了精密加工和超精密加工的新途径,一些 高硬度、脆性的难加工材料,如淬火钢、硬质合金、陶瓷、石英、金刚石等,一些刚度差、加 中易变形的零件,如薄壁零件、弹性零件等,在精密加工和超精密加工时,特种加工已是必 要手段,甚至是唯一手段,形成了精密特种加工。 当前,虽然传统加工方法仍占有较大的比例,是主要加工手段,应该重视并进一步发展 但由于特种加工的迅速兴起,不仅出现了许多新加工机理,而且出现了各种复合加工技术,它 将几种加工方法融合在一起,发挥各自之所长,相辅相成,具有很大的潜力,可以提高加工精 度、表面质量和效率,并且扩大了加工应用范围 (4)加工检测一体化精密加工和超精密加工的加工精度和表面质量都很高,因此,一定 要有相应的检测手段,才能说明是否达到技术要求。所以,在精密加工和超精密加工中,加工 和检验都是难题,而且往往检测的难度更大,只有采用加工检测一体化的策略,在加工的同时
考虑检测。 从检测过程的时域来分析,检测可分为离线检测、在位检测和在线检测三大类。离线检测 是指加工完成后,在检验室检测,因此,加工与检测是分离的,如果检测不合格,由于加工精 度很高,一般很难返修。在位检测是指加工完成后,工件不卸下,在机床上进行检测,如果检 测不合格,可及时返修,不会产生返修时再次装夹造成的误差,但要考虑离线检测和在位检测 由于检测环境的差异对检测结果的影响。在线检测是在加工的过程中进行实时检测,随时掌握 加工误差值及其发展趋势,并进行实时控制,是一种动态检测过程。 误差补偿是提高加工精度的一个有效技术措施,可分为静态误差补偿和动态误差补偿两大 类。静态误差补偿主要用来补偿工艺系统中的系统误差,如误差校正尺。动态误差补偿是加工 过程中的实时补偿,可以补偿工艺系统中的随机误差和系统误差,动态误差补偿和在线检测是 密切相关的。 数控技术、计算机控制技术、传感器技术、微位移机构的发展,丰富了误差补偿方法,特 别是使在线检测与动态误差补偿有了长足进步。在精密加工和超精密加工中,检测与误差补偿 是加工检测一体化的重要举措 (5)精密加工和超精密加工与自动化技术联系密切制造自动化是先进制造技术的重要组 成部分,它的作用不仅是提高效率、提高劳动生产率、改善工作环境和工人劳动条件,而且是 提高加工精度和表面质量、避免手工操作引起的人为误差、保证加工质量及其稳定性的重要举 措。同时,它又是快速响应市场需求、缩短生产制造周期的有力措施。精密加工和超精密加工 要达到高质量,必须依靠自动化技术才能保证。如工艺过程优化与适应控制、检测与误差补 偿、计算机控制等技术都是提高和保证加工质量的自动化技术。 虽然精密加工和超精密加工的加工质量在当前仍靠工人的技艺来保证,如研磨、刮研等加 工方法仍依赖于手工,但从发展的趋势来看,自动化技术代替手工的比例越来越大,加工效果 也越来越好。 (6)精密加工和超精密加工的发展与产品需求联系紧密精密加工和超精密加工由于在加 工质量上要求高,技术上难度大,涉及面广,影响因素多,因此,往往投资很大,所以精密加 工和超精密加工的发展与具体的产品需求关系密切,例如,美国加利福尼亚大学 Lawrence Live mor实验室和Y12工厂在能源部支持下,于1989年联合研制成功的DM3型超精密金刚石车 床,就是针对了加工激光核聚变用的各种反射镜、大型天体望远镜的天线等,反映了航天技术 的需求。我国在精密加工和超精密加工技术的发展上也是结合了航天、航空技术上的具体需求 进行的。当前,精密机床、超精密机床的规格化、系列化远不及普通机床,品种也不够多,主 要是由于在技术上推广不够,通用性不强,价格又十分昂贵,随着市场需求的扩大、产品质量 的提高和精密加工技术的不断成熟,通用化、系列化的精密加工和超精密加工设备一定会更为 广泛地应用于生产实际中。 1.3精密加工和超精密加工方法及其分类 131加工成形原理 现代精密加工和超精密加工从加工成形的原理和特点来分类,可分为去除加工、结合加工 和变形加工三大类: 去除加工又称为分离加工,是从工件上去除一部分材料,如车削、铣削、磨削、电火花加 工等
结合加工是利用理化方法将不同材料结合( bonding)在一起,按结合的机理、方法、强弱 等又可分为附着( Deposit)注人(lio)和连接(lit)三种。附着加工又称沉积加工, 在工件表面上翟盖一层物质,为弱结合,如电镀、气相沉积等。注入加工又称渗入加工,是在 工件表层上注人某些元素,使之与基体材料产生物化反应,以改变工件表层材料的力学、机械 性质,属强结合,如氧化、渗碳、高子注人等。连接是将两种相同或不同材料通过物化方法连 接在一起,如焊接、粘接等。 变形加工又称为流动加工,是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形,改变其尺 寸、形状和性能,如锻造、铸造、液晶定向等。 表02表示了该三大类精加工和超精密加工方法,可见其加工范圈十分广泛。 从材料在加工过程中的流动来分析,去除加工是使材料逐步减少,一部分材料变成切屑 这种流动称为分散流。结合加工是使材料在加工过程中逐步增加,这种流动称之为汇合流。近 年来,提出了电铸、晶体生长、分子束外延,快速成形加工等加工方法,突破了传统加工大多 局限于分离去除加工和表面结合加工的概念,特别是快速成形加工是一种利用离散/堆积成形 技术的分层制遣方法,将一个三维空间实体零件分解为在某个坐标方向上的若干层有很小厚度 的三维实体,由于厚度很小,可按二维实体成形,再迭加而成为所需零件的原型。变形加工是 指在加工过程中材料基本不变,称为直通流。 表02精密加工和超就密加工方法 分类 加工成形原理 主要加工方法示例 电物理加,L 电火花统切割加工、电火花成形加工 电化学加工、化学加工 电解加工、蚀刻(电子束光)、化学机械抛光 去除加工 分高加工) 力学加工(力我射 切削、磨削、研磨、抛光、超糟加工、珩磨、超声加 工、高子澱射加工、等离子体加工喷射加工 热物理加工(热燕发、热扩散、热熔解 电子東加、激光加工、脱碳处、气割 化学皱、化学气相沉积 附电化学 加工热物理(热席化) 真空蒸皱、熔化馈 高子製(高子沉积)、物理气相沉积 注人化学 氧化、氯化、活性化学反应 结合加工 加工电化学 阳极氧化 渗人熟物理《热扩敢) 晶体生长、分子束外延、擤杂、渗碳、烧结 加工)力物理 高子束外、高子注人 達接熬物理、电物理 激光焊接、气焊、电焊快速成形加工、卷绕成形 加工 化学粘接 热流动、表面热流动 最造、塑性流动加工(气体火焰、高频电流、热射 变形加工 线、电子束、激光) 流动加工)|粘滞魔动 钟造、液体流动加工(金属塑料橡胶等注製压件) 分子定向 液晶定向 132加工方法机理 从加工方法的机理来分类,精密加工和超精密加工又可分为传统加工、非传统加工和复合
加工。传统加工是指刀具切削加工、固结磨料和游离磨料的磨削加工;非传统加工是指利用机 械能、光能、电能、声能、磁能、化学能、核能等对材料进行处理和加工的特种加工方法;复 合加工是采用多种加工方法的复合作用,其中包括传统加工与非传统加工的复合、传统加工与 传统加工的复合,非传统加工与非传统加工的复合,进行优势互补,相辅相成。目前,在制造 业中,占主要地位的仍是传统加工方法,而非传统加工和复合加工是极其重要的发展方向。表 03列出了按刀具切削加工、磨料加工、特种加工、复合加工分类的各种常用的精密加工和超 精密加工方法,其所用工具、所能达到的糟度和表面粗糙度、被加工材料以及应用。 表03常用精密加工和超精密加工方法 度 表面粗糙度 分类|加工方法 加工工具 被加工材料 应用 R/un 精密、超精密车削天然单晶金刚 金刚石刀具 球、盘、反射镜 刀具、人造聚品金 有色金膈及其合 精、超喜镜机网石刀属立方划1-01.006款 多副被体 其他材料刀具 加!精癌、超精巒削俱具、硬质合金刀具 各种材料 销孔 硬质合金钻头 低碳钢、铜、铝」印线路板、石 微孔钻削 20-10 0.2 密、超精密砂轮 氧化 外国、孔、平面 化硅、立方 黑色金幅、硬脆材 精密、超特密砂带化翻、金刚 505 、非金属材料「平面、外圆盘、 麝削 等磨料 头 铁、硬木 外圆、孔、平面 等研具 精密、超糖密研磨 氧化铝、磯化硅 条色金属、硬脆 石等磨料 L·0.L 料、非金属材料 油石、电金丽石油 平面 油石研磨 性研磨 性蜜料 黑色金属 去毛刺 固结麝料、游高麝 滚动研磨 料、化学或电解作 属色金等 抛光器 工/剩、超精抛光」氧化铝、氯化奇1-0100-0m晨色金离、铝合金外圆、孔、平面 聚氨球抛光器 弹性发射加工 0-00∞-0m8,.色金、非金局 高压抛光旅 材料 平面、犁面 带有模棺工作表面 暴色金属、非金属 液体动力抛光的抛光器 01-000.05~0.008 平面、圆柱面 抛光液 材料、有色金属 豪氨抛光器 易色金属、非金 水合抛光 -0.1 平面 磁流体抛光 非磁性磨料 纂色金属、非金属 】~0.1 磁流体 平面 材料、有色金属
6 续) 加工方法 加工工具 糖度表面粗糙度 被加工材料 应用 粘弹性物质 挤压研抛 0.0 色金属等 型面、型腔去毛 喷射加工L 001~002黑色金属等 孔、型腔 砂带研抛 l-0.l 黑色金属、非金|外圆、孔、平面 接触轮 0.01~0008 属材料、有色金属型面 超精研抛 研具脱本材细 1-0.1 作金 毛毡)、廟料、纯水 00.03是色全属,非 材料,有色金属 平面 精密超精加工 黑色金属等 外郾 磨削液 1-0.1 珩磨 l-0.1 0.025-00!黑色金属等 孔 磨削液 奥嘻大花成加工成形电假脉冲 源煤油、去离子水 25-0.0导电金属 型腔模 如电火花线切割加钼丝铜丝脉冲电 冲模、样板(切 源、煤油、去离子水 25~0.16 、开檜) 工具极(辋、不锈 电解加工 型孔、型面、 100~3 125~0.06导电金属 电解液 白电铸 导电原模 金属 成形小零件 电铸溶液 掩模板、光敏抗 蚀刻 蚀剂、离子束装置 2.5~0.2 金、非金属 半导体 刻线、图形 电了乐装置 刻形、光学腐蚀 化学铁削 2.5~0.2 黑色金属、有包下料、成形加工 溶液、耐腐蚀涂料 金属等 (如印刷线路板 超声波发生器、换 任何硬脆金属和 加超声加工 2.5-004 型孔、型腔 能器、变幅杆、工具 非金属 微波加工 针状电极(钢丝 绝缘材料、半 6.3-0.12 丝)、波导管 打孔 红外光加工 红外光发生器 63~0.12任何材料 打孔、切割 电子束加工 电子枪、真空系统 微孔、镀膜、焊 加工装置(工作台) 任何材料 离子桌去除加工」离子枪、真空01-00.m20 惑形表面、刃 高子束附加工统、加工装置(工作1-0 0.0-00l 王何材料 高子束结合加x)) 注入、摻泶 激光束加工 激光器,加工 打孔、切割、焊 置(工作台 63~0.2任何材料 接、热处理