超高導熱陶瓷復頻超聲加工的基礎(chǔ)試驗研究

霍瑞超，王時英，呂 明，李 一

（1.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件的高度集成化成為必然趨勢。高度的集成化封裝模塊需要良好的散熱承載系統(tǒng)，這對承載線路板的散熱能力提出了更高的要求[1]。超高導熱陶瓷基板以其優(yōu)良的導熱性和氣密性，成為新一代大規(guī)模集成電路的理想封裝材料[2]。從毛坯到成品，陶瓷基板通常需要進行鉆孔、切割以及開槽等二次加工，尤其是需要進行大量的圓孔和異型孔的加工，但陶瓷材料的硬脆特性為其加工帶來了極大的困難[3]。目前制約工程陶瓷材料廣泛應用最主要的原因就是其加工成本高。據(jù)統(tǒng)計工程陶瓷零件的加工成本占到總成本的50%以上，對于許多精密零件，其加工成本甚至高達90%[4]。顯然，超高導熱陶瓷基板的大規(guī)模應用在很大程度上取決于工程陶瓷零件加工技術(shù)的發(fā)展。超聲加工由于不受工件的電、化學特性的影響，不改變工件材料理化性能，是公認的加工陶瓷等硬脆材料的有效方法[5]。但由于現(xiàn)有的超聲電源功率有限，提高單頻超聲加工系統(tǒng)的振幅難以實現(xiàn)，致使傳統(tǒng)超聲加工（USM）的效率較低，不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。近年來，超聲波/聲波鉆探采樣器（Ultrasonic/Sonic Driller Corer，簡稱USDC）的出現(xiàn)為解決這一難題提供了新的研究方向[6-7]。基于超聲波/聲波能量耦合機理，提出了一種復頻超聲加工方法，搭建了“剛?cè)岵钡膹皖l超聲加工試驗系統(tǒng)，并對影響其加工效率的工藝參數(shù)進行了試驗研究。

2 陶瓷電路基板復頻超聲加工機理

復頻超聲加工是在傳統(tǒng)超聲加工的基礎(chǔ)上，通過自由質(zhì)量塊引入低頻振動，髙、低頻振動共同完成切削的加工方式[8]。復頻超聲加工原理，如圖1 所示。其主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、自由質(zhì)量塊和鉆桿五部分組成。

圖1 復頻超聲加工原理圖Fig.1 Multi-Frequency Ultrasonic Machining Schematic

超聲復頻加工主要包括三個過程：

2.1 超聲頻機械縱振產(chǎn)生過程

超聲波發(fā)生器將50Hz 的交流電壓轉(zhuǎn)換為20kHz 的高頻交流激勵電壓，利用壓電材料的逆壓電效應，驅(qū)使換能器產(chǎn)生超聲頻率的機械縱振，并通過變幅桿將振幅放大。

2.2 超聲復頻振動耦合過程

一方面，變幅桿驅(qū)動與其螺紋連接的鉆桿共同振動，將能量直接傳遞到鉆桿，使之產(chǎn)生超聲頻小振幅振動；另一方面，變幅桿以沖擊的方式驅(qū)動自由質(zhì)量塊在變幅桿頂部和鉆桿端部之間做聲波頻率的往復碰撞，通過自由質(zhì)量塊的碰撞與沖擊將能量傳遞到鉆桿，使之產(chǎn)生低頻大振幅振動。

2.3 超聲復頻加工過程

超聲頻小振幅振動和低頻大振幅振動通過鉆桿傳遞到鉆頭，共同作用于鉆頭與工件的接觸界面，從而實現(xiàn)對工件材料的超聲復頻加工。

通過音頻信號采集分析軟件分別對空載狀態(tài)下有無自由質(zhì)量塊時復頻超聲加工單元的音頻信號進行采集（采樣頻率為44.1kHz），經(jīng)濾波后對其進行快速傅里葉變換求取幅頻特性曲線，如圖2 所示。對比可知，自由質(zhì)量塊的引入可以在原有超聲頻率的基礎(chǔ)上產(chǎn)生多個低頻振動。

圖2 有無自由質(zhì)量塊時復頻超聲加工單元的頻譜圖Fig.2 Spectrogram of the Multi-Frequency Ultrasonic Machining Unit with or without Free Mass

在超聲振動系統(tǒng)中，其功率與超聲振動的振幅和頻率成正比關(guān)系：

式中：f—超聲振動頻率；A—超聲振動振幅；F—加工工具所受預應力。

由式（1）可知，在超聲振動系統(tǒng)功率恒定的情況下，通過降低超聲振動頻率可有效提高超聲振動振幅。研究表明，工程陶瓷等脆性材料主要以脆性斷裂的形式去除[9]。根據(jù)壓痕斷裂力學模型，隨著鉆頭沖擊振幅的加大，裂紋生成速度加快，材料去除率增加。因此，低頻大振幅振動的引入，可有效提高加工效率。

3 陶瓷電路基板復頻超聲加工試驗

3.1 試驗設(shè)備

試驗所采用的復頻超聲加工試驗系統(tǒng)，如圖3 所示。主要由復頻超聲加工單元、NSK200C 數(shù)控系統(tǒng)、三坐標數(shù)控工作臺和超聲波發(fā)生器四部分組成。其中，復頻超聲加工單元倒置于三坐標數(shù)控工作臺的Y向?qū)к壣希ぜb夾在固定于Z向?qū)к壍膴A具體上。在加工過程中，通過NSK200C 數(shù)控系統(tǒng)對三坐標數(shù)控工作臺的實時操控，可實現(xiàn)對鉆削位置、鉆削深度以及鉆削軸向靜壓力的精準控制。同時，試驗采用對工件材料自下而上的加工方式，加工過程中切屑在重力作用下自動脫落，有效地解決了加工過程中的排屑問題。

圖3 復頻超聲加工系統(tǒng)Fig.3 Multi-Frequency Ultrasonic MachiningSystem

3.2 試驗材料

碳化硅陶瓷基板的熱導率在室溫下可達270W/（m·K），同時還具備彈性模量高（450GPa）和相對密度低（3.2g/cm3）等優(yōu)點，是理想的陶瓷電路基板材料[10]。本試驗選用碳化硅陶瓷板作為試驗材料，其SiC 含量大于95%，莫氏硬度為9.5，工件制成規(guī)格為（50×50×5）mm 的塊料。

3.3 不同工藝參數(shù)對加工效率的影響

加工效率是衡量機械設(shè)備工作性能的重要指標，復頻超聲加工系統(tǒng)中，自由質(zhì)量塊的重量和軸向靜壓力是影響加工效率的兩個重要工藝參數(shù)。為了方便試驗結(jié)果的測定與比較，試驗采取開盲孔的方式，通過測量在相同加工時間內(nèi)的加工深度來計算其加工速度。為了消除試驗誤差造成的影響，每組試驗重復5 次，單次試驗加工時間為60s，每次試驗間隔為10min，取其平均值作為最終試驗結(jié)果。

3.3.1 自由質(zhì)量塊重量（厚度）的影響

自由質(zhì)量塊作為復頻超聲加工單元中低頻大振幅振動的產(chǎn)生裝置，是復頻超聲加工單元的核心部件，對于加工效率具有重要影響。為了避免無關(guān)因素的影響，試驗所選用的自由質(zhì)量塊均為內(nèi)徑8.5mm，外徑12mm 的同心圓環(huán)，材料為45 鋼，通過改變自由質(zhì)量塊的厚度來實現(xiàn)其重量的改變。試驗過程中，分別選用不同厚度的自由質(zhì)量塊對同一碳化硅陶瓷樣件進行鉆削加工，自由質(zhì)量塊厚度與加工速度的關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 自由質(zhì)量塊厚度與加工速度的關(guān)系Fig.4 Relationship Between Free Mass Thickness and Processing Speed

由圖4 可知，隨著自由質(zhì)量塊厚度的增加，加工效率逐步提升，當自由質(zhì)量塊的厚度為4mm 時，其加工效率達到最高，但隨后其加工效率反而迅速降低。研究發(fā)現(xiàn)，這是由于超聲波發(fā)生器功率有限，當自由質(zhì)量塊的重量太大時，變幅桿所能提供的能量不足以驅(qū)動自由質(zhì)量塊的運動造成的。當自由質(zhì)量塊厚度達到5mm 時，自由質(zhì)量塊幾乎不能起振，自由質(zhì)量塊失效，加工方式轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)超聲加工。

3.3.2 軸向靜壓力對加工效率的影響

鉆頭對工件施加的軸向靜壓力的大小是影響加工效率的另一個重要工藝參數(shù)，選取合適的軸向靜壓力對提高裝置加工效率有重要意義。為研究靜壓力對加工效率的影響，試驗采用恒靜壓力模式控制工件材料的進給運動。試驗過程中，分別在不同靜壓力作用下對同一碳化硅陶瓷樣件進行鉆削加工，軸向靜壓力與加工速度的關(guān)系，如圖5 所示。由圖5 可知，隨著軸向靜壓力的增加，加工效率大幅提升，但當軸向壓力增加到一定程度時（40N），加工效率反而有所降低。研究表明，這是由于靜壓力過大會影響鉆頭的正常振動，而且隨著軸向靜壓力的增加，鉆頭與工件間隙減小，會造成裝置排屑不暢，致使加工效率降低。

圖5 靜壓力與加工速度的關(guān)系Fig.5 Relationship Between Static Pressure and Processing Speed

3.4 試驗結(jié)果

復頻超聲加工是利用形狀拷貝原理將鉆頭的形狀復制在工件上的，通過更換不同形狀的鉆頭，即可加工出所需形狀的孔。本次試驗分別選用了圓形（直徑2mm）、等邊三角形（邊長1.75mm）和正方形（邊長1.5mm）三種形狀的鉆頭對同一碳化硅陶瓷樣件進行鉆削加工。考慮到自由質(zhì)量塊的重量和軸向靜壓力對加工效率的影響，本次試驗選用的自由質(zhì)量塊厚度為4mm，軸向靜壓力為40N，加工時間為60s。試驗結(jié)果表明：在合理選擇自由質(zhì)量塊和軸向靜壓力的情況下，復頻超聲加工的效率與傳統(tǒng)超聲加工相比可提高8 倍左右，有效提高了加工效率。試驗完畢后，應用三維電控超景深顯微鏡對其加工效果進行觀測，如圖6 所示。經(jīng)測量計算，其加工精度滿足試驗要求。

圖6 復頻超聲加工效果Fig.6 Multi-Frequency Ultrasonic Machining Effect

3.5 試驗中所發(fā)現(xiàn)的某些問題及解決措施

3.5.1 復頻超聲加工單元頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象

復頻超聲加工單元的音頻信號采集分析結(jié)果表明：自由質(zhì)量塊的碰撞過程中，在主要低頻信號峰值的附近出現(xiàn)了許多不同頻率的雜頻，嚴重影響了超聲復頻加工單元的穩(wěn)定性。為了探究其產(chǎn)生機理，應用千眼狼X213 高速攝像機對自由質(zhì)量塊的運動歷程進行跟蹤拍攝（最大分辨率為1280*960，最大采集速度為960000FPS），本次試驗所選用的拍攝條件為1280*128@120000FPS。結(jié)果表明，自由質(zhì)量塊的運動過程存在傾斜偏轉(zhuǎn)以及自由質(zhì)量塊邊緣與上下碰撞表面不完全碰撞的非正常運動情況，如圖7 所示。

圖7 高速攝像機拍攝的自由質(zhì)量塊運動情況Fig.7 Free Mass Motion Captured by High-Speed Cameras

為了改善自由質(zhì)量塊的碰撞條件，提高其碰撞效果的穩(wěn)定性，對自由質(zhì)量塊的形狀進行了優(yōu)化設(shè)計，如圖8 所示。試驗結(jié)果表明：自由質(zhì)量塊經(jīng)“削邊”改進后，其振動效果明顯好轉(zhuǎn)，加工穩(wěn)定性大幅提高。

圖8 改進設(shè)計的自由質(zhì)量塊Fig.8 Improved Design of Free Mass

3.5.2 工件材料崩邊現(xiàn)象

由于工程陶瓷的硬脆特性，在超聲加工中，一個很難避免的問題就是工件材料在出入口處會發(fā)生崩邊現(xiàn)象。試驗過程中發(fā)現(xiàn)：低頻大振幅振動的引入加劇了崩邊現(xiàn)象的發(fā)生，甚至造成工件的斷裂，嚴重影響加工質(zhì)量。為了改善工程陶瓷材料的鉆削條件，防止出現(xiàn)崩邊現(xiàn)象，設(shè)計了自由質(zhì)量塊捕捉裝置，即在鉆削加工的入口及出口處將自由質(zhì)量塊進行捕捉，采用傳統(tǒng)的小振幅超聲加工方式；在鉆削加工的中間部分釋放自由質(zhì)量塊，引入低頻大振幅振動，采用復頻超聲加工方式。

圖9 有無自由質(zhì)量塊捕捉裝置條件下加工的孔Fig.9 Holes Processed with or without Free Mass Capture Device

在有無自由質(zhì)量塊捕捉裝置的兩種條件下，分別對同一碳化硅陶瓷樣件進行鉆削加工試驗，被加工孔在入口處的表面形貌，如圖9 所示。可以看出，沒有采用自由質(zhì)量塊捕捉裝置加工的孔在入口處有嚴重的豁口，而采用自由質(zhì)量塊捕捉裝置加工的孔在入口處沒有明顯的崩邊現(xiàn)象，滿足試驗要求。因此，通過自由質(zhì)量塊捕捉裝置對自由質(zhì)量塊工作狀態(tài)的合理控制，在保證加工效率的同時，可大幅提高加工精度。

4 結(jié)論

主要對超高導熱陶瓷基板復頻超聲加工方法進行研究，搭建了“剛?cè)岵钡膹皖l超聲加工試驗系統(tǒng)，并對影響其加工效率的工藝參數(shù)進行了試驗研究。研究表明：復頻超聲加工是超高導熱陶瓷基板的一種有效加工方法，在合理選擇自由質(zhì)量塊和軸向靜壓力的條件下，復頻超聲加工的效率與傳統(tǒng)超聲加工相比可提高8 倍左右。隨著對復頻超聲加工機理的深入研究，陶瓷電路基板的復頻超聲加工技術(shù)必將進一步完善和成熟，從而為超高導熱陶瓷基板材料的應用開拓出更為廣闊的前景。