《建立不同背压条件下之化学机械研磨制程有限元素模式-德霖》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建立不同背压条件下之化学机械研磨制程有限元素模式-德霖（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、行政院國家科學委員會補助專題研究計畫行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 成果報成果報 告告 期中進度報告期中進度報告超微細鑚孔原子級有限元素模式之建立及模擬超微細鑚孔原子級有限元素模式之建立及模擬計畫類別： 個別型計畫 整合型計畫計畫編號：NSC 98-2221-E-237 -006 - 執行期間：98年08月01日至99年07月31日計畫主持人：邱進東 共同主持人：張達元 計畫參與人員：賴俊男成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：精簡報告 完整報告 本成果報告包括以下應繳交之附件： 赴國外出差或研習心得報告一份 赴大陸地區出差或研習心得報告一份 出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
2、 國際合作研究計畫國外研究報告書一份處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、 列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢涉及專利或其他智慧財產權，一年二年後可公開查詢執行單位：德霖技術學院機械工程系中 華 民 國 99 年 9 月 30 日1行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 超微細鑚孔原子級有限元素模式之建立及模擬超微細鑚孔原子級有限元素模式之建立及模擬Atomistic Finite Element Modeling and Simulation of Ultra Micro Drilling計畫編號： NSC 98-2221
3、-E-237 -006 -執行期間： 98年8月1日至99年7月31日 計畫主持人：邱進東 德霖技術學院機械工程系副教授 共同主持人：張達元 中國文化大學機械工程系副教授 計畫參與人員：賴俊男 國立台灣海洋大學 碩士班研究生 一、中文摘要一、中文摘要(關鍵字：原子級有限元素法關鍵字：原子級有限元素法, 微鑚孔微鑚孔, 勢能函數勢能函數) 近年來因 IC 製程進步神速及微機電產 品日益精進，使得相關工業產品朝向輕薄 短小的趨勢發展。微鑚孔技術也廣泛的被 應用於相關的加工，如 IC 測試用探針卡、 印刷電路板鑚孔、噴墨印表機頭的小噴孔 等。目前微鑽針的製作可達孔徑在 70m之 水準，以傳統有限元素
4、法模擬以到達瓶頸。本計畫將發展原子級有線元素模型模 擬微鑚孔過程，不同於連續系統，對於微 觀系統而言，粒子的運動軌跡是由粒子與 粒子間的作用力所決定。粒子間之勢能函 數的不同而影響模擬結果，本計畫擬採用 Morse 勢能函數來模擬粒子與粒子間的作用 力。並使用非線性彈簧與阻尼元素與集中 質量來建立原子模型，集中質量位於節點 上，用來模擬原子質量；非線性彈簧連接 相鄰的節點，用來模擬兩原子間的鍵結， 產生斥力與吸力，並以彈簧的斷裂伸長量， 模擬原子鍵的截斷長度。最後以三維原子 級有限元素模型來模擬銅微結構鑚孔，鑽 頭為三維原子級有限元素模型模擬以鑽石 為材料，原子模型間採用有限元素法的節 點對節
5、點的接觸演算，以模擬整個鑚孔過 程，並探討不同參數對鑽孔品質的影響。AbstractRecently, due to the rapid enhancement of IC processes and the higher level of MENS products, the corresponding industrial products tend to a light, thin, short and small function. Micro-drill technology is also applied to the relative working such as IC tes
6、t probe card, drill of the printed circuit board and small nozzle of the ink-jet printer head, etc. Nowadays, the manufacturing of micro drill can attain below-70mlevel and it is difficult to simulate by using the traditional FEM.The atomistic FE model will be developed to simulate the micro-drill p
7、rocess in this project. With respect to the microscopic system which is different from the continuum ones, the trajectory of particle motion is determined by the interaction between the two adjacent particles. Different potential functions may influence the simulation results. The Mohrs potential fu
8、nction attempts to be used in the interaction between the adjacent particles; the element involving nonlinear spring, damping and lamped mass is used to establish the atomic model in this project. The lamped mass is located in a node to simulate a mass of atom and nonlinear spring and damping are us
9、ed in connection with the adjacent nodes to simulate the bonding force between atoms and it produces an attractive force. The fracture elongation of spring is used to simulate the interrupted length of atomic bond. A 3D atomistic FE model will be finally used in the Cu micro-structured drilling simu
10、lation. In this model, the drill is diamond. The node-to-node contact algorithm is used in the interface. As a result, the effect of the various parameters on the drill quality will be investigated.二、緣由與目的二、緣由與目的2近年來因 IC 製程進步神速，線寬不斷 的縮小及微機電產品日益精進，使得相關 工業產品朝向輕薄短小的趨勢發展。微鑚 孔技術也廣泛的被應用於相關的加工，如 IC 測試用探針卡、
11、印刷電路板鑚孔、噴墨 印表機頭的小噴油孔、醫學用的微細針管、 空氣軸承、相機等精密零件、汽車的燃料 霧化噴嘴、化學纖維的噴嘴、空氣測微計 的測定噴嘴及流體軸承的節流孔等直徑 0.2mm 以下的開孔加工、鐘錶底板或各零 件、外科用具等亦有直徑 0.5mm 以下的開孔加工。微孔製程有：線切割、雷射、電 子束、機械鑽孔等加工方式，直接以刀具 切削方式產生微孔者稱為微鑽針(Micro-drill)。 目前，微鑽針的製作可達孔徑在 70120 m之間水準，微鑽針的標準規格例如圖 1 所示，孔徑 0.10mm 之微孔加工，鑽柄直徑 為 3.175mm，鑽身槽長(L)有 1.80、1.50 兩 種規格，圖
12、1 微鑽針圖 1 Benes2指出：微鑽針程序需考量下列三個問題： (1)材料的移除過程中，當切削厚度 降低時，加工能量需要一個基本的增加量。 其意謂著在微孔切削中，當切屑因切削深 度降低而變薄時，刀具將承受著比一般程 序更大的切削阻抗(cutting resistance)。如果 阻抗力大於刀具尖端的彎曲強度極限時， 刀具尖端即會斷裂。有一預防此現象發生 的方法：確保切屑厚度能小於刀具尖端半 徑。(2) 當切屑阻塞(chip clogging)時，切 削力將會明顯的提昇。微鑽針製程多使用 具兩切刃邊之微小刀具，每個刃邊由切削 區移除切屑只有半圈的機會，當發生積屑 狀況時，在很短的時間內，刀具
13、所承受的切削應力即大幅提高，而導致刀口崩裂。 有許多使用者較喜歡採用高速鋼刀具，因 為它較碳化物刀具更具彈性與積屑容忍度。(3) 刀具尖端會因刀口積屑(built-up edge)而失去它的切刃邊，無法有效率的切 削。當工件開始推向刀具時，刀具尖端會 有輕微偏斜;這些壓應力與刀口的偏移現象， 在高速旋轉的環境下，很容造成刀具尖端 的斷裂，此稱為 extensive-stress-related breakage. 圖 2 為以微鑽針製作 0.10mm 微孔之 實際加工圖。圖 2 微鑽針製程 (景美科技提供) 一般工程塑料的加工需克服以下的四個技 術點，方得以得到穩定一致的切削孔徑： (1) 因
14、工程塑料有較金屬為高的熱膨脹係 數，將導致的切屑黏附現象(seizing)；(2) 因加工熱量所造成的熱變形，在薄板 加工中更為關鍵； (3) 因材料的高彈性性數，在孔徑的出口 端會有明顯毛邊； (4) 如何評估微鑽針正確、合宜的換刀時 間點。國內外相關研究有，鑽削(drilling)為基 礎的切削製程，不同的加工材料應有不同 的鑽削參數設計，有許多的研究人員相繼 投入此領域之研究。有許多複合材料方面 的研究成果發表3-5，多以探討 5mm 左右 孔徑為主，在鋁基陶瓷生壓塊的最小孔徑 可達 0.20mm6-7。如：Kim 與 Ramula3 發表 graphite / bismaleimide
15、-titanium 合金材 料的鑽孔製程最佳模式，建立刀具磨耗量3測、孔加工品質評估、刀具壽命、製造成 本，並建立多目標最佳化模型。Davim 與 Reis4以實驗法分析 CFRP 強化塑膠之微 鑽孔製程，定義以最大孔徑與目標孔徑之 比值(delamination factor，Fd) 為品質分析 特性，歸納出鑽削速度與進給率對品質特 性的關係式。Lachaud 等5建立碳基複合 材料鑽削之軸向力分析模型，分別以均佈 負荷與點負荷之假設推演出材料的剝離能 量。 Lee 等6探討以電解沉積鑽石粒之碳化鎢微鑽針鑽削鋁基陶瓷生壓塊之壓力分怖情 形，並建立刀具壽命的評估模型。Lee 等7以 鑽石鍍膜微
16、鑽針加工鋁基陶瓷生壓塊，以 150,000rpm 的轉速鑽削，進口端與出口端 直徑分別為 215 與 195m，傾斜角為38. 0， 燒結後的緊縮率為 13%。另有學者進行微 鑽針之雷射校準工作，以期在工具機上得 到準確的定位8。國內數位學者先進進行電路板鑽孔研 究，如：鄭友仁教授910進行印刷電路板 微孔鑽削相關模擬與實驗。蘇啟宗教授11 探討微鑽針幾何刀型與加工參數對鑽削力 之影響，其微孔直徑為 0.25mm。陳國亮教 授12，研究在高速微鑽削製程中導入振動切削機制，針對 Ti-6Al-4V 鈦合金鑽削力與 孔壁狀況之研究，導入振動切削機制有助 於降低鑽削力，並提高孔壁之表面狀況。賀陳弘教授長期的投入鑽削之實驗與 解析研究，建立複合材料的各種鑽削模型， 探討各項鑽頭幾何參數以及鑽削參數對鑽 削製程的影響13。2005 年更發表了專文 14，探討如
