微细孔加工(Micro Hole Machining)

1 前言

为因应拉丝模具、卷线机用喷嘴、化纤纺丝喷嘴、燃油喷嘴、喷水喷嘴、印刷基板、半导体集成电路用治具及各种光学零件等微细孔穴加工之要，求钻孔作业渐渐有朝向细径化、深孔化、高品质化、高效率化及不易切削化发展。而目前可应用之微细孔加工方法中计有超音波加工、钻孔加工、研磨加工、激光加工、放电加工及电子束加工等六种方法，考量被切削材料性质（硬度、强度、导电性）、孔穴尺寸（直径、深度）、部面形状（图形、奇异形状）、加工效率及成本，并且配合加工目的从其中选择合适的加工方法。本文内容则是以直径1mm以下，特别是0.3mm以下微细孔加工之技术。

2 超音波加工(Ultra Sonic Machining，简称USM)

东京大学生产技术研究所也曾经利用超音波加工在玻璃、硅胶及陶瓷等硬脆材料上，成功钻取了直径5μm的微细孔穴(图1)。

首先是利用线放电研磨法(WEDG)在加工机具上形成微细的圆柱状工具，接着让该工具旋转时，加工对象端会产生振幅1μm的超音波振动，最后再以次微米钻石磨粒控制加工作用力。因而藉由本加工方法可从事纵宽比2之钻孔加工。线放电研磨法（WEDG）是能够制作微细工具的制作方法，它的精致是能让在加工机具上制作之工具自动的调整中心点，故发生偏心的机会极小。本方法不仅能够从事圆孔穴加工，亦可从事异形孔或三维形状加工，应用范围极为广泛。

目前日本九州大学正在从事附有超音波振动小径钻孔加工之切削机构，超音波振动对加工精度的影响效果，在倾斜面上孔穴加工的适用性，各种展延性材料上的适用性及直径50μm等极小径钻头适用效果进行研究，以下是较为明确的研究成果。

1）由于有超音波振动的关系，除了因摩擦降低使切屑变薄并增加切排出速度外，更会因为钻头中心侧及棱角侧之切屑排出速度差减少，故横向卷绕切屑会变小，而且会形成平滑螺旋状或带状的切屑，使切屑排出更为顺畅，因而不需要分级进刀即可从事深孔加工。

2）因有超音波振动，故对抑制孔穴入口处钻头振颤振动有相当程度的效果。因此也不易产应变圆(Strain round)借着凿尖锤系作用限制钻头，钻头笸加工对象间歇性接触，降低钻头弹性变形恢复力及摩擦力，相对的也能减少径向作用力的变动。

3）因增加了超音波振动，在倾斜孔加工里孔穴的应变也变小了。

4）藉由超音波振动，使用直径60μm极小径钻头从事不锈钢钻孔加工变得更容易。

图1  利用线放电研磨法()制作之微米刀具及在石英玻璃上加工成内径5μm之微细孔的情形

3 超音波振动研磨加工 (Ultra Sonic Vibration Grinding)

自1993年左右日本九州工业技术研究所已开始在电解沉积钻石磨轮增加超音波振动，而从事硬脆材料之钻孔研究，以替代传统使用游离磨粒之超音波加工。换言之，即是藉由所谓超音波振动研磨推展微细孔工之研究。它是让频率40KHz超音波作用在直径粒度0.27~1.0mm，粒度100~1000的电解沉积钻石磨轮上面，然后一边以回转数3000rpm进给量0.14~4.2mm/min，及外侧供油条件下，在厚度3mm铝（CIP材料，HIP材料）及氧化锆板材上面从事钻孔加工试验。

从试验结果显示有超音波振动时，铝之CIP材，和HIP材料二者轴方向平均研磨阻抗均明显减少了（脆性破降低了），纵然增加钻孔的深度，研磨阻抗仍然维持很低的阻抗值。

附加超音波振动之加工方法，由于能够降低平均加工阻抗，抑制微小径刀具变形，故能够适合微细孔之加工。

目前孔穴加工用电解沉积钻石磨轮的最小直径是0.135mm，为了有利于今后硬脆材料微细孔穴加工，必须先行确立包括粒度，集中度及接合剂等耐磨耗性高，且更小径磨轮的制作技术。

4 放电加工(Electro Discharge Machining，简称EDM)

现在，微细加工技已经广用于燃料喷嘴、办公室喷墨打印机喷嘴、光通讯光纤连接器等的孔加工以及微细工具制作等的三次元形状加工方面。今后，随着微细化的进展，加工技术应当也会持续跟着一起进步。以放电加工法来看，他在各种加工法中是一种属于稍具不同性质的加工法。在以热熔解、除去为基本方式这方面看来，和雷射加工、电子束加工具有同样的性质，不过，其一次一次注入的能量相当小。利用相互独立的脉冲放电一点一点将材料微量地除去，因此具有和研磨加工等相似的意味，十分适合精密加工。

放电加工今工件与工具电极在绝缘液中相向，当电极在此引火时，工件与工具电极间就会产生放电。利用这种脉冲放电，可以将工作放电点附近，相当微小的部份熔解或者蒸发，接着再藉由加工液等的压力作用就可将熔解或蒸发部份附去。如此反复地放电，就可以将工具电极的形状转映成加工形状。利用放电加工能将工具电极的形状转映到工件上，因此如果工具电小（细），所加工出来的形状就小，自然能够做微细的加工。工具电极要小之外，每次脉冲放电能量也要小。放电痕的尺寸如果小，加工面的粗度也小，间隙如果小，则转映出去的工具电极的形状精度就高。

微细电极的制作

要能够微细加工，加工面粗度以及转映精度的等级等都必须较加工尺寸小很多。因此，为了能利用放电加工来进行微细加工。工具电极尺寸必须在所需的微细尺寸，同时，每次脉冲放电的能量都必须很小。

进行微细孔放电加工不仅加工电路很重要，另一项重要的因素就是工具电极的制作。

图2所示为工具电极的制作法。图中（A）为将市面上的线材拿来使用的方法，当线材变细时，工具电极的固定就变得愈加困难。不适合所谓数10μm的微细孔加工。（B）为利用车床或磨床等切削出直径数10μm的加工，这种方式会因装于工机时的位置偏离或者因回转中心的偏离，而导致加工精度降低。这种情形在（A）也会发生。（C）为在放电加工机上研磨出工具电极的方法。这种情形下，由于所装的是素材，夹头的精度可以不用很高。因为在同一加工机上，由工具制作到孔加工都是连续进行之故。不过，加工后尺寸的确认很难，必需将工件自备上卸下，然后利用显微镜等反复地进行测定作业。

图2  微细电极制作法及利用放电来研磨电极的方法

解决这种电极消耗问题的方法之一，就是开发以行走的线来取代传统以金属块做为电极的新方法。这就是线放电研磨(WEDG)。

如图2(B)所示为线放电研磨的原理。和(A)对比就可知，用直径50μm~200μm的细金属线来取代以往做为电极的金属块。金属线在与纸面垂直的方向慢慢行走，被加工轴则一面回转，一面往轴方向送入。

此方法和线切割一样，由于金属线连续地被送出，形成经常以新的电极面来加工，即使电极消耗实际上是存在，对精度的影响还是很小到可以忽略的程度。

如果一开始将金属线设定在所定的位置，轴径也会自动地加工至所希望的值。也就是说，不必要像以往那样经过反复测定，以接近所希望的尺寸。

5 电子束加工(Electron Beam Machining，简称EBM)

利用电子束来加工，除了焊接之外，还有钻孔及表面处理等，无论那一种都是属于利用高电功来加速电子束的热加工。其中，钻孔加工为将高能量密度的电子束照射在材料上，利用当时所产生的热将材料熔融、蒸发，并加以排除的加工法。这种加工法和其化加工法比，是一种相当优良的高速加工，同时具有高度的控制性及斜孔加工的特征，可望代替现有的钻孔加工，甚至能发展出更新的用途。

利用电子束钻孔，由开始直至钻透为止。如图3所示，其中有几个过程存在。同时，电子钻孔法为了获得漂亮的贯穿孔，在工件底下还敷有特定的辅助材料(垫衬)。

·大约10KW/cm的，具有高密度集中能量的电子束照射在工件上，开始先将局部熔解。
·塞满蒸发物的空洞愈来愈深，并在其周围产生熔融层。
·电子束贯穿工件，一直到达补助材料处为止。
·辅助材料于瞬间气化，产生很高的蒸气压，将贯穿孔的蒸发物及熔融层向外部飞散出去以完成钻孔。

为了能正确钻出特定孔径以及深度的孔，通常将加速电功设为一定，而调整电子束电流(脉冲电流)以及照射时间。同时，加工速度依孔径以及孔深来决定其上限，而孔径、孔深愈增加，加工速度就愈降低。

电子束钻子的特征

电子束对材料的侵透力强，并富控制性，具有焦点深度深等特性，同时，利用加工操控轴移动的自动控制，可以获得如下的优点﹕

·钻孔非常快(最4000孔／秒)。
·孔的节距正确，可以获得相当漂亮的孔。
·可以钻出斜角度的孔(对工件表面而言，最低可至20度)。
·即使是复杂形状的孔也能钻。
·几乎所有的材料都能钻孔。

电子束钻孔之应用

·大型微细过滤器
·真空滚子
·软燥室
·工业用微细滤网

此外，使用微细孔滤网的离心分离机、脱水机、自动过滤器、造粒机等都是电子束的用途。以往，孔径0.3mm以下，而且板厚0.5mm以上的滤网是不可能加工的。现在，利用电子束钻孔就可以做到，因此，电子束还可望开发更多新的用途。

图3  电子束钻孔过程

6电射加工(Laser Machining)

电射加工在国内工业界的应用上已经相当广泛，但使用的范围多限制在以热加工方式的红外线雷射上，本文探讨紫外光雷射冷加工模式的技术，如微细钻孔。

所谓的紫外光指的是波长约分布在150~400奈米之间的光源，目前被使用在工业应用上的紫外光雷射主要有两种，第一种是气态的准分子雷射(Excimer Laser)另一种是利用Nd:YAG电射的光源经过非线性倍频晶体转换技术(nonlinear crystal conversion)而将红外光波长转换成紫外。

准分子雷射是利用两种在常态下不起反应的气体，但在激发态会结合成不稳定分子后迅速解离而放出紫外光，取其『excited dimer』的字面而成之为excimer雷射。一般工业上常用的种类主要包括XeCl(308nm)，KrF(248nm)，ArF(193nm)三种波长的准分子雷射。准分子雷射是一种脉冲式的雷射，每个脉冲所能携带的能量是目前所有紫外光雷射中最高的。从准分子雷射是一种多模(Multi-mode)的雷射，一般输出的电射光束截面积约在数十个平方毫米，因此非常适合利用光罩做投影式的加工(Image projection system)方式。

Nd:YAG本身的波长为1064奈米(nanometer)，利用倍频技术可将频率做2倍、3倍、4倍甚至5倍的转换,由于波长和频率成反比，因此分别可得到532、355、266及213奈米的雷射光波长，其中532为绿光，其余的皆为紫外光，一般简称为UV YAG 。UV YAG和准分子雷射光的主要差别在于倍频技术是相当低效率的能量转换方式，因此每个脉冲的能量通常都在1mJ以下，所能携带的能量相当的低，但由于UV YAG每个脉冲的时间比excimer小一个order(约4~7ns)，因此还是有足够高的尖峰脉冲功率来工作，再加上UV YAG的脉冲频率可达到1KHz以上,因此适合用在单点钻孔(single hole drilling)或直接刻写(Direct writing)的工作模式上。

紫外光雷射在钻孔上的应用随着电子工业越来越要求微小化的趋势,因其可达10μm直径，1μm精度的钻孔能力而越来越受重视。以目前印刷电路板的钻孔而言，已经有很大的比例由UV YAG的钻孔机来取代，钻孔速度快而精确。另外许多微小的过滤板，医疗用导管上的钻孔等，都必须利用紫光雷射才能达到其要求。

以准分子雷射而言，其最成功的钻孔应用为喷墨头上的喷墨板(inkjet nozzle plate)的喷孔钻孔应用。喷孔的要求要在Polyimide 的 TAB电路板上钻出300个50μm或更小的微孔，利用准分子雷射的光罩投影式加工可以在12秒内完成一组喷孔片的加工，而且良率可高达98%以上。

图4  准分子电射在Kapton-E上所钻出的喷墨孔

CO2雷射加工与印刷基板

图5所示为加工机的概念图以及装置例。由雷射振荡器来的激光束照射在光罩上，藉助控制镜扫描，并利用具有F-Θ特性的转映透镜，使投影在印刷基板上，加工出依光罩上孔径所规定的BVH。

图5  短脉冲CO2雷射钻孔加工机概念图

钻孔之际，工作台为静止状态，藉由控制镜与fΘ透镜进行某一区域的钻孔。所采用的方式是钻完该区域的孔后，再驱动工作台依序加工下一扫描区域的逐步与反复(Step and Repeat)的方式，控制扫描的高速化﹕现在1000孔/秒的系统已经实用化。而且，藉由全像光学系统之采用，可以用4552孔/秒的速度做定形图样的超高速加工。

图6  BVH多层基板构造例

7钻孔加工(Drilling)

随着零件的迷你化，钻孔直径缩小化当属必然的现象。以往小孔径都是以高速纲钻头和深孔钻头进行小孔加工，这些钻头由于加工效率低，故无法满足目前性能要求。小孔径钻孔加工是属于外界供油加工，同时由于切屑排除困难，所以必须采行分段钻孔加工(step drilling)，因而欲缩短加工时间似乎不大可能。

图7是在小孔径加工中可能发生的故障及其发生的比例，而最容易发生的麻烦应该是折损，其主要的原因大部份是切屑阻塞引起。然而，由于小孔径几乎都是L/D=5以上的深孔，故切屑在高速钢钻头里对凿锋缘(chisel edge)有重大影响，很容易产生过当的止推力。同时会使同心圆的形状变差。结果将会导致材质性刚性相互作用，并使钻头产生挠曲，被钻穴弯曲、孔径扩大等，孔穴精度不良现象。为克服上述缺点之考量及满足加工效、切屑排出及钻头形状、刚性等要求，开发能够从事小孔径稳定加工之极小直径内部供油钻头乃是迫不及待之要务。

图7  小孔径加工中可能发生的故障及其发生的比例图 

目前日本已经开发极小孔内部供油MZS型ZET1钻头。以往内部供油钻头充其量只能制作至ψ3mm的极小直径钻头，目前已有能力制作ψ2mm之内部供油钻头。

ZET1钻头之优点

1. 大且宽广排屑槽，故有良好的切屑排出性。
2. X形修整可获得很高的同心圆。
3. 在直径2mm极小的钻头里设有油孔，藉由内部供油可促进切屑强制的排出性。
4. 采用韧性极高之超微极超硬合金材质制作，故大幅降低钻头的折损率。

图8  各种钻头之孔精度比较

各种加工方法之加工时间和粗糙度比较表