115 高普考普通考試 機械工程 機械製造學概要 考古題詳解

核心觀念

大型工件通常在高溫下鍛造，鍛模會同時承受高溫、反覆加熱與冷卻、鍛造壓力及工件流動造成的磨耗。因此，鍛模材料須兼具高溫下的承載能力，以及抵抗熱循環與磨損的能力。

解題方法

依鍛模服役時的主要負荷，分別考量高溫造成的軟化、鍛造力造成的破裂、工件流動造成的表面磨耗，以及反覆熱循環造成的表面裂紋，即可列出相應材料特性。

四種所需特性

1. 高溫強度與熱硬性：在工作溫度下仍須保持足夠強度與硬度，避免模具軟化、塌陷或變形。

核心觀念

本題考查焊接熱源與熱量產生方式。兩者都以熱使材料接合，但電弧焊以電弧放電產生的熱量熔化母材；電阻焊則利用電流通過接合面的電阻產生焦耳熱，並常配合加壓完成接合。

解題方法

以熱量來源、是否熔化母材、電極作用、加壓方式、設備與適用場合等面向比較，即可列出四項以上相異點。答題時應避免把「都使用電流」當成主要差異；關鍵在於電能轉為焊接熱的方式不同。

核心觀念

本題考查車削等切削加工中三項基本切削條件的定義，以及它們對材料移除率、刀具壽命與表面粗糙度的影響。分析時須分清楚：切削速度描述刀具與工件的相對運動速度；進給量描述刀具每單位時間或每轉的移動量；切削深度描述單次切削的切入厚度。

解題方法

先按「相對速度、刀具移動量、切入尺寸」分別定義三項條件；再由切削速度判斷切削溫度與磨耗，並以材料移除率及理想車削表面幾何關係，說明進給量和切削深度對效率與表面品質的影響。

（一）切削條件定義

1. 切削速度 $V$：切削刃相對工件切削表面的切向速度，也就是切削刃切除材料時的相對速度。車削時通常以工件外圓的圓周速度表示：

$V=\frac{\pi DN}{1000}\quad(\mathrm{m/min})$

其中 $D$ 為工件直徑（mm），$N$ 為工件轉速（r/min）。

2. 進給量 $f$：刀具相對工件沿進給方向移動的量。車削常以每轉進給量表示，單位為 $\mathrm{mm/rev}$；亦可用每分鐘進給速度 $\mathrm{mm/min}$ 表示。若每轉進給量為 $f$、轉速為 $N$，則每分鐘進給速度為 $fN$。

3. 切削深度 $a_p$：單次切削中，刀具切入工件的深度。車削時通常指加工前、後表面在徑向上的距離；外圓車削可表示為：

$a_p=\frac{D_0-D_1}{2}$

其中 $D_0$ 為加工前直徑，$D_1$ 為加工後直徑。因直徑減少量分布於兩側，切削深度是直徑減少量的一半。

（二）切削速度過高或過低的影響

• 切削速度過高：切削溫度升高，刀具磨耗加快，可能產生刀尖軟化、擴散磨耗或月牙窪磨耗，使刀具壽命縮短。速度過高也會增加積屑瘤不穩定、振動或熱變形等風險，造成尺寸精度與表面品質下降；若刀具材料、冷卻或加工條件適當，較高速度可減少積屑瘤並改善表面品質，因此仍須在適當速度範圍內選用。

核心觀念

金屬塑性加工是利用外力使金屬產生永久塑性變形，將材料製成所需形狀的加工方法。加工過程中，材料大致保持連續，常可減少切屑與材料浪費，並藉由加工硬化或控制變形方向，改變產品的強度與組織。

常見方法可依主要受力方式與材料流動狀態分類；本題列舉四種以上，並說明原理、典型產品及應用即可。

解題方法

作答時，可選取不同類型的代表性方法，依「外力如何作用 → 材料如何變形 → 可製成何種產品 → 用於何處」逐項說明。以下列舉六種：

核心觀念

微影製程（photolithography）是將電路圖案轉移到晶圓表面的關鍵步驟，通常包含光阻塗佈、軟烤、對準、曝光、顯影及後續蝕刻或離子佈植等程序。其核心功能是選擇性保護晶圓區域，讓後續製程只在指定位置進行。

解題方法

依序說明光阻如何形成可圖案化的保護層、光罩如何提供圖案、顯影如何留下所需的光阻圖形，再連結解析度與線寬對元件尺寸及製程能力的影響，最後說明圖案缺陷如何造成良率損失。

分項說明

（一）光阻的作用

光阻（photoresist）是塗佈在晶圓表面的感光高分子材料。曝光後，光阻的溶解性會依其種類改變，使顯影時能選擇性去除特定區域，形成光阻圖形。

• 正光阻：曝光區的溶解性增加，顯影後曝光區被去除。
• 負光阻：曝光區發生交聯或聚合，溶解性降低，顯影後未曝光區被去除。

形成的光阻圖形可在後續蝕刻、離子佈植或薄膜沉積等製程中遮蔽晶圓局部區域。光阻的塗佈均勻度、厚度、附著性及感光特性，會影響圖形品質與製程穩定性。

（二）曝光與光罩的關係

光罩（photomask）上具有欲轉移至晶圓的圖案。曝光時，光線穿過或經由光罩圖案調制後投射至晶圓，使光阻特定區域產生化學變化。經由光罩與晶圓的對準及曝光，電路圖案便轉移至光阻層。

光罩負責提供圖案，曝光則負責把圖案轉移到光阻上。對準誤差、曝光能量不均或光罩缺陷，都可能使圖案位置或形狀偏離設計。

（三）顯影的目的

顯影是使用顯影液選擇性溶解除去光阻的一部分，將曝光後形成的潛像轉為可見、可供後續加工的光阻圖形。顯影後，部分晶圓表面暴露，部分仍受光阻保護，因而可依圖形進行蝕刻、佈植等製程。

顯影不足會使應去除的光阻殘留；顯影過度則可能造成線條變細、圖形損失或尺寸偏差。