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微細(xì)孔加工(Micro Hole Machining)
2012/5/8 0:23:10
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，加工對象端會產(chǎn)生振幅1μm的超音波振動，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的調(diào)整中心點，故發(fā)生偏心的機(jī)會極小。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小徑鉆孔加工之切削機(jī)構(gòu)，超音波振動對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，更會因為鉆頭中心側(cè)及棱角側(cè)之切屑排出速度差減少，故橫向卷繞切屑會變小，而且會形成平滑螺旋狀或帶狀的切屑，使切屑排出更為順暢，因而不需要分級進(jìn)刀即可從事深孔加工。
2. 因有超音波振動，故對抑制孔穴入口處鉆頭振顫振動有相當(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，鉆頭笸加工對象間歇性接觸，降低鉆頭彈性變形恢復(fù)力及摩擦力，相對的也能減少徑向作用力的變動。
3. 因增加了超音波振動，在傾斜孔加工里孔穴的應(yīng)變也變小了。
4. 藉由超音波振動，使用直徑60μm極小徑鉆頭從事不銹鋼鉆孔加工變得更容易。
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，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。
從試驗結(jié)果顯示有超音波振動時，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。利用相互獨立的脈沖放電一點一點將材料微量地除去，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，工件與工具電極間就會產(chǎn)生放電。利用這種脈沖放電，可以將工作放電點附近，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，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，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，這種方式會因裝于工機(jī)時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。因為在同一加工機(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)行測定作業(yè)。
如圖(二)(B)所示為線放電研磨的原理。和(A)對比就可知，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，即使電極消耗實際上是存在，對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，軸徑也會自動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)測定，以接近所希望的尺寸。
5 電子束加工(Electron Beam Machining，簡稱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，其中有幾個過程存在。同時，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)以及照射時間。同時，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
電子束對材料的侵透力強(qiáng)，并富控制性，具有焦點深度深等特性，同時，利用加工操控軸移動的自動控制，可以獲得如下的優(yōu)點﹕
·鉆孔非常快(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。
電射加工在國內(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)三種波長的準(zhǔn)分子雷射。準(zhǔn)分子雷射是一種脈沖式的雷射，每個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，其中532為綠光，其余的皆為紫外光，一般簡稱為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，因此每個脈沖的能量通常都在1mJ以下，所能攜帶的能量相當(dāng)?shù)牡�，但由于UV YAG每個脈沖的時間比excimer小一個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,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(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。
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鑿鋒緣(chisel edge)有重大影響，很容易產(chǎn)生過當(dāng)?shù)闹雇屏ΑＭ瑫r會使同心圓的形狀變差。結(jié)果將會導(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務(wù)。
ZET1鉆頭之優(yōu)點
1. 大且寬廣排屑槽，故有良好的切屑排出性。
2. X形修整可獲得很高的同心圓。
3. 在直徑2mm極小的鉆頭里設(shè)有油孔，藉由內(nèi)部供油可促進(jìn)切屑強(qiáng)制的排出性。
4. 采用韌性極高之超微極超硬合金材質(zhì)制作，故大幅降低鉆頭的折損率。
1. 利用超音波從事做細(xì)孔穴加工之現(xiàn)況 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,01) 歐陽謂城
2. 微細(xì)孔放電加工的現(xiàn)狀 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,04) 葉思武
3. 電子束高速細(xì)孔加工 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,01) 葉碩
4. 紫外光雷射雕刻的技術(shù)與應(yīng)用 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,04) 陳鴻隆
5. 雷射微細(xì)孔加工近況 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,04) 葉方
6. 內(nèi)部供油小直徑鉆頭加工 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,01) 青云(end)
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，加工對象端會產(chǎn)生振幅1μm的超音波振動，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的調(diào)整中心點，故發(fā)生偏心的機(jī)會極小。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小徑鉆孔加工之切削機(jī)構(gòu)，超音波振動對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，更會因為鉆頭中心側(cè)及棱角側(cè)之切屑排出速度差減少，故橫向卷繞切屑會變小，而且會形成平滑螺旋狀或帶狀的切屑，使切屑排出更為順暢，因而不需要分級進(jìn)刀即可從事深孔加工。
2. 因有超音波振動，故對抑制孔穴入口處鉆頭振顫振動有相當(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，鉆頭笸加工對象間歇性接觸，降低鉆頭彈性變形恢復(fù)力及摩擦力，相對的也能減少徑向作用力的變動。
3. 因增加了超音波振動，在傾斜孔加工里孔穴的應(yīng)變也變小了。
4. 藉由超音波振動，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
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，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。
從試驗結(jié)果顯示有超音波振動時，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。利用相互獨立的脈沖放電一點一點將材料微量地除去，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，工件與工具電極間就會產(chǎn)生放電。利用這種脈沖放電，可以將工作放電點附近，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，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，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，這種方式會因裝于工機(jī)時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。因為在同一加工機(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
如圖(二)(B)所示為線放電研磨的原理。和(A)對比就可知，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，即使電極消耗實際上是存在，對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，軸徑也會自動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)測定，以接近所希望的尺寸。
5 電子束加工(Electron Beam Machining，簡稱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，其中有幾個過程存在。同時，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)以及照射時間。同時，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
電子束對材料的侵透力強(qiáng)，并富控制性，具有焦點深度深等特性，同時，利用加工操控軸移動的自動控制，可以獲得如下的優(yōu)點﹕
·鉆孔非常快(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
電射加工在國內(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)三種波長的準(zhǔn)分子雷射。準(zhǔn)分子雷射是一種脈沖式的雷射，每個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，其中532為綠光，其余的皆為紫外光，一般簡稱為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，因此每個脈沖的能量通常都在1mJ以下，所能攜帶的能量相當(dāng)?shù)牡�，但由于UV YAG每個脈沖的時間比excimer小一個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,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
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
圖(六) BVH多層基板構(gòu)造例
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鑿鋒緣(chisel edge)有重大影響，很容易產(chǎn)生過當(dāng)?shù)闹雇屏ΑＭ瑫r會使同心圓的形狀變差。結(jié)果將會導(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務(wù)。
ZET1鉆頭之優(yōu)點
1. 大且寬廣排屑槽，故有良好的切屑排出性。
2. X形修整可獲得很高的同心圓。
3. 在直徑2mm極小的鉆頭里設(shè)有油孔，藉由內(nèi)部供油可促進(jìn)切屑強(qiáng)制的排出性。
4. 采用韌性極高之超微極超硬合金材質(zhì)制作，故大幅降低鉆頭的折損率。
圖(八) 各種鉆頭之孔精度比較
表1 各種加工方法之加工時間和粗糙度比較 
1. 利用超音波從事做細(xì)孔穴加工之現(xiàn)況 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,01) 歐陽謂城
2. 微細(xì)孔放電加工的現(xiàn)狀 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,04) 葉思武
3. 電子束高速細(xì)孔加工 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,01) 葉碩
4. 紫外光雷射雕刻的技術(shù)與應(yīng)用 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,04) 陳鴻隆
5. 雷射微細(xì)孔加工近況 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,04) 葉方
6. 內(nèi)部供油小直徑鉆頭加工 機(jī)械技術(shù)雜志(2000,01) 青云(end)
