超高導(dǎo)熱陶瓷復(fù)頻超聲加工的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究

霍瑞超，王時(shí)英，呂 明，李 一

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)熱陶瓷基板以其優(yōu)良的導(dǎo)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(jìn)行鉆孔、切割以及開槽等二次加工，尤其是需要進(jìn)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(yīng)用最主要的原因就是其加工成本高。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dá)90%[4]。顯然，超高導(dǎo)熱陶瓷基板的大規(guī)模應(yīng)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(xué)特性的影響，不改變工件材料理化性能，是公認(rèn)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(shí)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(jī)理，提出了一種復(fù)頻超聲加工方法，搭建了“剛?cè)岵?jì)”的復(fù)頻超聲加工試驗(yàn)系統(tǒng)，并對影響其加工效率的工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 陶瓷電路基板復(fù)頻超聲加工機(jī)理

復(fù)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(dòng)，髙、低頻振動(dòng)共同完成切削的加工方式[8]。復(fù)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(fù)頻超聲加工原理圖Fig.1 Multi-Frequency Ultrasonic Machining Schematic

超聲復(fù)頻加工主要包括三個(gè)過程：

2.1 超聲頻機(jī)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(lì)電壓，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，驅(qū)使換能器產(chǎn)生超聲頻率的機(jī)械縱振，并通過變幅桿將振幅放大。

2.2 超聲復(fù)頻振動(dòng)耦合過程

一方面，變幅桿驅(qū)動(dòng)與其螺紋連接的鉆桿共同振動(dòng)，將能量直接傳遞到鉆桿，使之產(chǎn)生超聲頻小振幅振動(dòng)；另一方面，變幅桿以沖擊的方式驅(qū)動(dòng)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(fù)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(dòng)。

2.3 超聲復(fù)頻加工過程

超聲頻小振幅振動(dòng)和低頻大振幅振動(dòng)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(shí)現(xiàn)對工件材料的超聲復(fù)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(shí)復(fù)頻超聲加工單元的音頻信號進(jìn)行采集（采樣頻率為44.1kHz），經(jīng)濾波后對其進(jìn)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(gè)低頻振動(dòng)。

圖2 有無自由質(zhì)量塊時(shí)復(fù)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(dòng)系統(tǒng)中，其功率與超聲振動(dòng)的振幅和頻率成正比關(guān)系：

式中：f—超聲振動(dòng)頻率；A—超聲振動(dòng)振幅；F—加工工具所受預(yù)應(yīng)力。

由式（1）可知，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)功率恒定的情況下，通過降低超聲振動(dòng)頻率可有效提高超聲振動(dòng)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(xué)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(dòng)的引入，可有效提高加工效率。

3 陶瓷電路基板復(fù)頻超聲加工試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所采用的復(fù)頻超聲加工試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3 所示。主要由復(fù)頻超聲加工單元、NSK200C 數(shù)控系統(tǒng)、三坐標(biāo)數(shù)控工作臺和超聲波發(fā)生器四部分組成。其中，復(fù)頻超聲加工單元倒置于三坐標(biāo)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(biāo)數(shù)控工作臺的實(shí)時(shí)操控，可實(shí)現(xiàn)對鉆削位置、鉆削深度以及鉆削軸向靜壓力的精準(zhǔn)控制。同時(shí)，試驗(yàn)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(dòng)脫落，有效地解決了加工過程中的排屑問題。

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

3.2 試驗(yàn)材料

碳化硅陶瓷基板的熱導(dǎo)率在室溫下可達(dá)270W/（m·K），同時(shí)還具備彈性模量高（450GPa）和相對密度低（3.2g/cm3）等優(yōu)點(diǎn)，是理想的陶瓷電路基板材料[10]。本試驗(yàn)選用碳化硅陶瓷板作為試驗(yàn)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(jī)械設(shè)備工作性能的重要指標(biāo)，復(fù)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(gè)重要工藝參數(shù)。為了方便試驗(yàn)結(jié)果的測定與比較，試驗(yàn)采取開盲孔的方式，通過測量在相同加工時(shí)間內(nèi)的加工深度來計(jì)算其加工速度。為了消除試驗(yàn)誤差造成的影響，每組試驗(yàn)重復(fù)5 次，單次試驗(yàn)加工時(shí)間為60s，每次試驗(yàn)間隔為10min，取其平均值作為最終試驗(yàn)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(fù)頻超聲加工單元中低頻大振幅振動(dòng)的產(chǎn)生裝置，是復(fù)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(yàn)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(shí)現(xiàn)其重量的改變。試驗(yàn)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(jìn)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(dāng)自由質(zhì)量塊的厚度為4mm 時(shí)，其加工效率達(dá)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(dāng)自由質(zhì)量塊的重量太大時(shí)，變幅桿所能提供的能量不足以驅(qū)動(dòng)自由質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)造成的。當(dāng)自由質(zhì)量塊厚度達(dá)到5mm 時(shí)，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(gè)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(yàn)采用恒靜壓力模式控制工件材料的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)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(jìn)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(dāng)軸向壓力增加到一定程度時(shí)（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(huì)影響鉆頭的正常振動(dòng)，而且隨著軸向靜壓力的增加，鉆頭與工件間隙減小，會(huì)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(yàn)結(jié)果

復(fù)頻超聲加工是利用形狀拷貝原理將鉆頭的形狀復(fù)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(yàn)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(jìn)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(yàn)選用的自由質(zhì)量塊厚度為4mm，軸向靜壓力為40N，加工時(shí)間為60s。試驗(yàn)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(fù)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(yàn)完畢后，應(yīng)用三維電控超景深顯微鏡對其加工效果進(jìn)行觀測，如圖6 所示。經(jīng)測量計(jì)算，其加工精度滿足試驗(yàn)要求。

圖6 復(fù)頻超聲加工效果Fig.6 Multi-Frequency Ultrasonic Machining Effect

3.5 試驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的某些問題及解決措施

3.5.1 復(fù)頻超聲加工單元頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象

復(fù)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(yán)重影響了超聲復(fù)頻加工單元的穩(wěn)定性。為了探究其產(chǎn)生機(jī)理，應(yīng)用千眼狼X213 高速攝像機(jī)對自由質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)歷程進(jìn)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(yàn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)情況，如圖7 所示。

圖7 高速攝像機(jī)拍攝的自由質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖8 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：自由質(zhì)量塊經(jīng)“削邊”改進(jìn)后，其振動(dòng)效果明顯好轉(zhuǎn)，加工穩(wěn)定性大幅提高。

圖8 改進(jìn)設(shè)計(jì)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(gè)很難避免的問題就是工件材料在出入口處會(huì)發(fā)生崩邊現(xiàn)象。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：低頻大振幅振動(dòng)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(yán)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(jì)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(jìn)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(dòng)，采用復(fù)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(jìn)行鉆削加工試驗(yàn)，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(yán)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(yàn)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(shí)，可大幅提高加工精度。

4 結(jié)論

主要對超高導(dǎo)熱陶瓷基板復(fù)頻超聲加工方法進(jìn)行研究，搭建了“剛?cè)岵?jì)”的復(fù)頻超聲加工試驗(yàn)系統(tǒng)，并對影響其加工效率的工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明：復(fù)頻超聲加工是超高導(dǎo)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(fù)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(fù)頻超聲加工機(jī)理的深入研究，陶瓷電路基板的復(fù)頻超聲加工技術(shù)必將進(jìn)一步完善和成熟，從而為超高導(dǎo)熱陶瓷基板材料的應(yīng)用開拓出更為廣闊的前景。