現(xiàn)代加工技術化學加工

現(xiàn)代加工技術化學加工第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月課程內(nèi)容大綱2?1緒論?2電火花加工?3電火花線切割加工?4電化學加工?5超聲波加工?6磨料與水噴射加工?7激光加工?8快速原型制造?9電子束、離子束加工?10化學加工、等離子體、磁性磨料加工、擠壓珩磨第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月基本概念3化學加工（ChemicalMachining,CHM)是利用酸、堿、鹽等化學溶液對金屬產(chǎn)生化學反應，使金屬溶解，改變工件尺寸和形狀（或表面性能）的一種加工方法。化學加工的應用形式很多，但屬于成形加工的主要有化學蝕刻和光化學腐蝕加工法。屬于表面加工的有化學拋光和化學鍍膜等。第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月本講內(nèi)容4一、化學蝕刻加工二、光化學腐蝕加工三、化學拋光四、化學鍍膜第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月一、化學蝕刻加工5化學蝕刻加工又稱化學銑切(ChemicalMilling簡稱CHM)，先把工件非加工表面用耐腐蝕性涂層保護起來，需要加工的表面露出來，浸入到化學溶液中進行腐蝕，使金屬按特定的部位溶解去除，達到加工目的。1．化學蝕刻加工的原理、特點和應用范圍金屬的溶解作用，不僅在垂直于工件表面的深度方向，而且在保護層下面的側向也溶解，并呈圓弧狀，如圖中的H和R。?化學銑削加工3分28.mp4第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月化學刻蝕加工的特點6金屬的溶解速度與工件材料的種類及溶液成分有關。1）可加工任何難切削的金屬材料，而不受硬度和強度的限制，如鋁合金、鉬合金、鈦合金、鎂合金、不銹鋼等。2）適于大面積加工，可同時加工多件。3）加工過程中不會產(chǎn)生應力、裂紋、毛刺等缺陷，表面粗糙度可達Ra2.5～1.25um。4）加工操作技術比較簡單。第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月化學刻蝕加工的特點71）不適宜加工窄而深的槽和型孔等。2）原材料中缺陷和表面不平度、劃痕等不易消除。3）腐蝕液對設備和人體有危害，故需有適當?shù)姆雷o性措施?；瘜W加工的應用范圍1）主要用于較大工件的金屬表面厚度減薄加工。銑切厚度一般小于13mm。如在航空和航天工業(yè)中常用于局部減輕結構件的重量，對大面積或不利于機械加工的薄壁形整體壁板的加工亦適宜。2）用于在厚度小于1.5mm薄壁零件上加工復雜的型孔。第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2.化學銑削工藝過程8其中主要的工序是涂保護層、刻形、化學腐蝕。表面預處理涂保護層（涂層厚度約0.2mm）固化刻型腐蝕清洗去保護層第8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）涂覆9在涂保護層之前，必須把工件表面的油污、氧化膜等清除干凈，再在相應的腐蝕液中進行預腐蝕。在某些情況下還要先進行噴砂處理，使表面形成一定的粗糙度，以保證圖層與金屬表面粘接牢固。保護層必須具有良好的耐酸、堿性能，并在化學刻蝕過程中粘接力不能下降。常用的保護層有氯丁橡膠、丁基橡膠、丁苯橡膠等耐蝕涂料。涂復的方法有刷涂、噴涂、浸涂等。涂層要求均勻，不允許有雜質(zhì)和氣泡。涂層厚度一般控制在0.2mm左右。涂后需經(jīng)—定時間和適當溫度加以固化。第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）刻形或劃線10刻形是根據(jù)樣板的形狀和尺寸，把待加工表面的涂層去掉以便進行腐蝕加工?？绦偷姆椒ㄒ话悴捎檬中g刀沿樣板輪廓切開保護層，把不要的部分剝掉?？绦蜆影宥嗖捎?mm左右的硬鋁板制作。第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月化學蝕刻樣件11/html/shikewang.html第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光化學腐蝕加工12光化學腐蝕加工簡稱光化學加工，(OpticalChemicalMachining,OCM)是光學照相制版和光刻相結合的一種精密微細加工技術。它與化學蝕刻（化學銑削）的主要區(qū)別是不靠樣板人工刻形、劃線，而是用照相感光來確定工件表面要蝕除的圖形、線條，因此可以加工出非常精細的文字圖案，目前已在工藝美術、機制工業(yè)和電子工業(yè)中獲得應用。1.照相制版的原理和工藝2.光刻加工的原理和工藝第12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1．照相制版的原理和工藝13原圖曝光顯影堅模烘烤修正腐蝕照相金屬板涂感光膠印刷版將所需圖案攝影到底片上，經(jīng)光化學反應，將圖案復制到涂有感光膠的銅（鋅）板上，經(jīng)堅模固化處理，使感光膠具有一定抗腐蝕性能，最后經(jīng)過化學腐蝕，使其余涂膠被水溶解掉，從而使銅（鋅）板受到腐蝕，即將所需圖案復制（腐蝕）到銅（鋅）板上。照相制版不僅是印刷工業(yè)的關鍵工藝，而且還可以加工一些機械加工難以解決的具有復雜圖形的薄板，薄片或在金屬表面上蝕刻圖案、花紋等。整理（去膠）第13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月流程圖14曝光顯影堅膜烘烤修正腐蝕去膠原圖照相金屬版涂感光膠印刷版第14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）原圖和照相15將所需圖案攝影到底片上，經(jīng)光化學反應，將圖案復制到涂有感光膠的銅（鋅）板上，經(jīng)堅模固化處理，使感光膠具有一定抗腐蝕性能，最后經(jīng)過化學腐蝕，使其余涂膠被水溶解掉，從而使銅（鋅）板受到腐蝕，即將所需圖案復制（腐蝕）到銅（鋅）板上。第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）金屬版和感光膠的涂覆16金屬版多采用微晶鋅版和純銅版，但要求具有一定的硬度和耐磨性，表面光整，無雜質(zhì)、氧化層、油垢等，以增強對感光膠膜的吸附能力。常用的感光膠有聚乙烯醇、骨膠、明膠等。第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）曝光、顯影和堅膜17曝光是將原圖照相底片用真空方法，緊緊密合在己涂復感光膠的金屬版上，通過紫外光照射，使金屬版上的感光膠膜按圖像感光。照相底片上不透光部分，由于擋住了光線照射，膠膜不參與光化學反應，仍是水溶性的。照相底片上透光部分，由于參與了化學反應，使膠膜變成不溶于水的絡合物。然后經(jīng)過顯影，使未感光的膠膜用水沖洗掉，使膠膜呈現(xiàn)出清晰的圖像。第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月照相制版曝光、顯影示意圖18為提高顯影后膠膜的抗蝕性，可將制版放在堅膜液中進行處理，類似于普通照相感光顯影后的定影處理。第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）固化19經(jīng)過感光堅膜后的膠膜，抗蝕能力仍不強，必須進一步固化。聚乙烯酵膠一般在180攝氏度下固化15min，即呈深棕色。因固化溫度還與金屬板分子結構有關，微晶鋅版固化溫度不超過200攝氏度，銅版固化溫度不超過300攝氏度，時間5—7min，表面呈深棕色為止。固化溫度過高或時間太長，深棕色變黑，致使膠裂或碳化，喪失了抗蝕能力。第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）腐蝕20經(jīng)固膜后的金屬版，放在腐蝕液中進行腐蝕，即可獲得所需圖像。第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月鉆蝕添加保護劑采用專用腐蝕裝置形成一定的腐蝕坡度第21頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月側壁保護腐蝕機理第22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月例如腐蝕鋅版，其保護劑是由磺化蓖麻油等主要成分組成。腐蝕銅版的保護劑由乙烯基硫脲和二硫化甲脒組成，在三氯化鐵腐蝕液中腐蝕銅版時，能產(chǎn)生一層白色氧化層，可起到保護側壁的作用。腐蝕坡度形成原理第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

另一種保護側壁的方法是有粉腐蝕法，其原理是把松香粉刷嵌在腐蝕露出的圖形側壁上，加溫熔化后松香粉附于側壁表面，也能起到保護側壁的作用。此法需重復許多次才能腐蝕到所要求的深度，操作比較費事，但設備要求簡單。有粉腐蝕法第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2.光刻加工的原理和工藝(1）光刻加工的原理、特點和應用范圍光刻是利用光致抗蝕劑的光化學反應特點，將掩膜版上的圖形精確的印制在涂有光致抗蝕劑的襯底表面，再利用光致抗蝕劑的耐腐蝕特性，對襯底表面進行腐蝕，可獲得極為復雜的精細圖形。光刻的精度極高，尺寸精度可達0.01～0.005mm，是半導體器件和集成電路制造中的關鍵工藝之一。利用光刻原理還可制造一些精密產(chǎn)品的零部件，如刻線尺、刻度盤、光柵、細孔金屬網(wǎng)板、電路布線板、晶閘管元件等。第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月(2）光刻的工藝過程原圖曝光顯影堅模去膠腐蝕前烘襯底加工涂光刻膠光刻掩膜版制備第26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1)原圖和掩模版的制備原圖制備首先在透明或半透明的聚脂基板上，涂覆一層醋酸乙烯樹脂系的紅色可剝性薄膜，然后把所需的圖形按一定比例放大幾倍至幾百倍，用繪圖機刻制可剝性薄膜，把不需要部分的薄膜剝掉，制成原圖。第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月掩膜版制備在半導體集成電路的光刻中，為了獲得精確的掩膜版，需要先利用初縮照相機把原圖縮小制成初縮版然后采用分步重復照相機將初縮版精縮，使圖形進一步縮小，從而獲得尺寸精確的照相底版。再把照相底版用接觸復印法，將圖形印制到涂有光刻膠的高純度鉻薄膜板上，經(jīng)過腐蝕，即獲得金屬薄膜圖形掩膜版。第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2)涂覆光致抗蝕劑光致抗蝕劑是光刻工藝的基礎，它是一種對光敏感的高分子溶液。根據(jù)其光化學特點，可分為正性和負性兩類。凡能用顯影液把感光部分溶除而得到和掩模版上擋光圖形相同的抗蝕涂層的一類光致抗蝕劑，稱為正性光致抗蝕劑，反之則為負性光致抗蝕劑。在半導體工業(yè)中常用的光致抗蝕劑有：聚乙烯醇一肉桂酸脂泵(負性)、雙迭氮系(負性)和酯-二迭氮系(正性)等。第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月3)曝光曝光光源的波長應與光刻膠感光范圍相適應，一般采用紫外光，其波長約0.4μm。曝光方式常用的有接觸式曝法，即將掩模版與涂有光致抗蝕劑的襯底表面緊密接觸而進行曝光。另一種曝光方式是采用光學投影曝光，此時掩模版不與襯底表面直接接觸。

隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對精度要求更高的精細圖形進行光刻時，其最細的線條寬度要求到1μm以下，紫外光已不能滿足要求，需采用電子束、離子束或x射線等曝光新技術。電子束曝光可以刻出寬度為0.25μm的細線條。第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月4)腐蝕不同的光刻材料需采用不同的腐蝕液。腐蝕的方法有多種，如化學腐蝕、電解腐蝕、離子腐蝕等，其中常用的是化學腐蝕法。即采用化學溶液對帶有光致抗蝕劑層的襯底表面進行腐蝕。第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月5)去膠為去除腐蝕后殘留在襯底表面的抗蝕膠膜，可采用氧化去膠法，即使用強氧化劑(如硫酸-過氧化氫混合液等)，將膠膜氧化破壞而去除。也可采用丙酮，甲苯等有機溶劑去膠。第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月光化學蝕刻樣件33/www/products_detail.php?cid=1101012&id=65第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月三、化學拋光化學拋光的目的是改善工件表面粗糙度或使表面平滑化和光澤化。1.化學拋光的原理和特點2.化學拋光的工藝要求及應用第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1.化學拋光的原理和特點一般是用硝酸或磷酸等氧化劑溶液，在一定條件下，使工件表面氧化，此氧化層又能逐漸溶入溶液，表面微凸起處被氧化較快較多，微凹處則被氧化較慢較少。同樣凸起處的氧化層又比凹處更多、更快的擴散、溶解于酸性溶液中，因此使加工表面逐漸被整平，達到表面平滑化和光澤化。第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月化學拋光的特點可以大面或多件拋光薄壁、低剛度零件，可以拋光內(nèi)表面和形狀復雜的零件，不需外加電源、設備，操作簡單，成本低。其缺點是化學拋光效果比電解拋光效果差，且拋光液用后處理較麻煩。第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2.化學拋光的工藝要求及應用(1)金屬的化學拋光常用硝酸、磷酸、硫酸、鹽酸等酸性溶液拋光鋁、鋁合金、鉬、鉬合金、碳鋼及不銹鋼等。拋光時必須嚴格控制溶液溫度和時間。(2)半導體材料的化學拋光鍺和硅等半導體基片在機械研磨平整后，還要用化學拋光去除表面雜質(zhì)和變質(zhì)層。常用氫氟酸和硝酸、硫酸的混合液或雙氧水和氫氧化銨的水溶液。第37頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月化學拋光樣件38第38頁，課件共43頁，創(chuàng)作