現(xiàn)代加工技術(shù)-化學(xué)加工

化學(xué)加工1

燕榮杰ChemicalMachining

CHM目錄第一章概述第二章化學(xué)蝕刻第三章光化學(xué)腐蝕第四章化學(xué)拋光第五章化學(xué)鍍膜第六章發(fā)展趨勢(shì)第一章概述3化學(xué)加工的應(yīng)用較早，14世紀(jì)末已利用化學(xué)腐蝕的方法，來蝕刻武士的鎧甲和刀、劍等兵器表面的花紋和標(biāo)記。19世紀(jì)20年代，法國(guó)的涅普斯利用精制瀝青的感光性能，發(fā)明了日光膠板蝕刻法。不久又出現(xiàn)了照相制版法，促進(jìn)了印刷工業(yè)和光化學(xué)加工的發(fā)展。

到了20世紀(jì)，化學(xué)加工的應(yīng)用范圍顯著擴(kuò)大。第二次世界大戰(zhàn)期間，人們開始用光化學(xué)加工方法制造印刷電路。50年代初，美國(guó)采用化學(xué)銑削方法來減輕飛機(jī)構(gòu)件的重量。50年代末，光化學(xué)加工開始廣泛用于精密、復(fù)雜薄片零件的制造。60年代，光刻已大量用于半導(dǎo)體器件和集成電路的生產(chǎn)。

化學(xué)加工（ChemicalMachining,CHM)是利用酸、堿、鹽等化學(xué)溶液對(duì)金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，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?；瘜W(xué)加工的應(yīng)用形式很多，但屬于成形加工的主要有化學(xué)蝕刻和光化學(xué)腐蝕加工法。屬于表面加工的有化學(xué)拋光和化學(xué)鍍膜等。新聞——中國(guó)大客機(jī)首個(gè)大部段下線-定制特種設(shè)備全球第2臺(tái)2014年5月15日，中航工業(yè)洪都研制的國(guó)產(chǎn)C919大型客機(jī)首個(gè)大部段——前機(jī)身——在南昌成功下線。

新材料作為高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是當(dāng)前最重要和最具發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)前機(jī)身大部段采用以鋁為基、加入適量鋰的第三代鋁鋰合金材料。該材料在國(guó)內(nèi)民機(jī)應(yīng)用上尚屬首次，而洪都承接的前機(jī)身和中后機(jī)身兩個(gè)部段約占國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)整架飛機(jī)鋁鋰合金材料的65%。這就意味著，一場(chǎng)圍繞掌握“新材料”核心技術(shù)的攻堅(jiān)戰(zhàn)在洪都全面鋪開，曠日持久。自2010年承接了鋁鋰合金等直段的研制任務(wù)開始，洪都便組織實(shí)施專項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開展新材料的應(yīng)用研究。在3個(gè)月時(shí)間里，突破了鋁鋰合金鉆孔、鉚接、鈑金成型等技術(shù)難關(guān)，隨后的幾年里，通過承接國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)前機(jī)身工作包首件、翼身組合體試驗(yàn)件以及首架前機(jī)身任務(wù)，完成了該材料的制造工藝體系，突破了制造關(guān)鍵技術(shù)，形成了鋁鋰合金鈑金成形、表面處理、化學(xué)銑切等系列工藝規(guī)范，為大型客機(jī)的順利研制提供了技術(shù)保障。一、化學(xué)蝕刻加工7化學(xué)蝕刻加工又稱化學(xué)銑切(ChemicalMilling簡(jiǎn)稱CHM)。1．化學(xué)蝕刻加工的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用

1.1化學(xué)蝕刻加工的優(yōu)點(diǎn)8

1）可加工任何難切削的金屬材料，而不受硬度和強(qiáng)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(shí)加工多件。3）加工過程中不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力、裂紋、毛刺等缺陷，表面粗糙度可達(dá)Ra2.5～1.25um。4）加工操作技術(shù)比較簡(jiǎn)單。1.2化學(xué)蝕刻加工的缺點(diǎn)91）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(duì)設(shè)備和人體有危害，故需有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)性措施。1.3化學(xué)加工的應(yīng)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(jié)構(gòu)件的重量，對(duì)大面積或不利于機(jī)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(fù)雜的型孔。2.化學(xué)銑削工藝過程10其中主要的工序是涂保護(hù)層、刻形、化學(xué)腐蝕。表面預(yù)處理涂保護(hù)層（涂層厚度約0.2mm）固化刻形腐蝕清洗去保護(hù)層（1）表面預(yù)處理把工件表面的油污、氧化膜等清除干凈并在相應(yīng)的腐蝕液中進(jìn)行預(yù)腐蝕。（2）涂覆及固化在涂保護(hù)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(yīng)的腐蝕液中進(jìn)行預(yù)腐蝕。在某些情況下還要先進(jìn)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。12

保護(hù)層必須具有良好的耐酸、堿性能，并在化學(xué)刻蝕過程中粘接力不能下降。常用的保護(hù)層有氯丁橡膠、丁基橡膠、丁苯橡膠等耐蝕涂料。涂復(fù)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(shí)間和適當(dāng)溫度加以固化。（3）刻形或劃線13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(jìn)行腐蝕加工。刻型的方法一般采用手術(shù)刀沿樣板輪廓切開保護(hù)層，把不要的部分剝掉。刻型樣板多采用1mm左右的硬鋁板制作。當(dāng)銑切深度達(dá)到某值時(shí)，起尺寸關(guān)系表示：K=2H/（W2-W1）=H/B式中K——腐蝕系數(shù)，是腐蝕體系的屬性；H——腐蝕深度（mm）B——側(cè)面腐蝕寬度（mm）W1——刻型尺寸（mm）W2——最終腐蝕尺寸（mm）

（4）腐蝕把刻劃好防腐蝕圖形的毛坯，完全進(jìn)入到有腐蝕劑的槽中，并一直浸泡到使腐蝕掉的金屬厚度達(dá)到要求為止。腐蝕速度、腐蝕深度與腐蝕時(shí)間的關(guān)系：V=H/T式中;V——金屬的腐蝕速度（mm/min）H——工件表面的腐蝕深度（mm）T——腐蝕時(shí)間或浸泡時(shí)間（min）（5）清洗與清除防蝕層腐蝕加工完成后通常是把零件先放入專門的氧化物清洗槽內(nèi)，去除在零件表面上的留下的一層氧化物膜和反應(yīng)沉積污物，接著用水沖洗。防蝕層的清除一般用手工操作。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)、薄型零件應(yīng)使用化學(xué)膜溶劑，目的是把防蝕層泡脹，軟化和盡可能的降低粘附力，以便采用氣壓或水壓方法把防蝕層清除掉，或者有利于用手工剝離。

表加工材料及腐蝕液

表加工材料及腐蝕液

蝕刻工藝流程示意圖[標(biāo)清版].wmv二、光化學(xué)腐蝕加工20光化學(xué)腐蝕加工簡(jiǎn)稱光化學(xué)加工，(OpticalChemicalMachining,OCM)是光學(xué)照相制版和光刻相結(jié)合的一種精密微細(xì)加工技術(shù)。它與化學(xué)蝕刻（化學(xué)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(xì)的文字圖案，目前已在工藝美術(shù)、機(jī)制工業(yè)和電子工業(yè)中獲得應(yīng)用。

2.1照相制版的原理和工藝21原圖曝光顯影堅(jiān)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(xué)反應(yīng)，將圖案復(fù)制到涂有感光膠的銅（鋅）板上，經(jīng)堅(jiān)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(xué)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(fù)制（腐蝕）到銅（鋅）板上。照相制版不僅是印刷工業(yè)的關(guān)鍵工藝，而且還可以加工一些機(jī)械加工難以解決的具有復(fù)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）222.1.1原圖和照相原圖是將所需圖形按一定比例放大描繪在紙上或刻在玻璃上，一般需放大幾倍，然后通過照相，將原圖按需要大小縮小在照相底片上。照相底片一般采用涂有鹵化銀的感光板。

2.1.2金屬版和感光膠的涂覆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(qiáng)對(duì)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。2.1.3曝光、顯影和堅(jiān)膜23曝光是將原圖照相底片用真空方法，緊緊密合在己涂復(fù)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(xué)反應(yīng)，仍是水溶性的。照相底片上透光部分，由于參與了化學(xué)反應(yīng)，使膠膜變成不溶于水的絡(luò)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。照相制版曝光、顯影示意圖24為提高顯影后膠膜的抗蝕性，可將制版放在堅(jiān)膜液中進(jìn)行處理，類似于普通照相感光顯影后的定影處理。2.1.4固化25經(jīng)過感光堅(jiān)膜后的膠膜，抗蝕能力仍不強(qiáng)，必須進(jìn)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(jié)構(gòu)有關(guān)，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(shí)間5—7min，表面呈深棕色為止。固化溫度過高或時(shí)間太長(zhǎng)，深棕色變黑，致使膠裂或碳化，喪失了抗蝕能力。2.1.5腐蝕26經(jīng)固膜后的金屬版，放在腐蝕液中進(jìn)行腐蝕，即可獲得所需圖像。

腐蝕坡度例如腐蝕鋅版，其保護(hù)劑是由磺化蓖麻油等主要成分組成。腐蝕銅版的保護(hù)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(shí)，能產(chǎn)生一層白色氧化層，可起到保護(hù)側(cè)壁的作用。腐蝕坡度形成原理側(cè)壁保護(hù)機(jī)

另一種保護(hù)側(cè)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(cè)壁上，加溫熔化后松香粉附于側(cè)壁表面，也能起到保護(hù)側(cè)壁的作用。此法需重復(fù)許多次才能腐蝕到所要求的深度，操作比較費(fèi)事，但設(shè)備要求簡(jiǎn)單。2.2應(yīng)用（1）印刷工業(yè)上印刷版的制作（2）用于諸如微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的各種印刷電路、集成電路、柔性印刷電路、各類高導(dǎo)磁鐵芯片的微細(xì)加工。（3）復(fù)制傳統(tǒng)加工方法難以獲得的復(fù)雜圖案、花紋、文字等的加工。2.光刻加工的原理和工藝(1）光刻加工的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用范圍光刻是利用光致抗蝕劑的光化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)，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(duì)襯底表面進(jìn)行腐蝕，可獲得極為復(fù)雜的精細(xì)圖形。光致抗蝕劑，由感光樹脂、增感劑（見光譜增感染料）和溶劑三種主要成分組成的對(duì)光敏感的混合液體。感光樹脂經(jīng)光照后，在曝光區(qū)能很快地發(fā)生光固化反應(yīng)，使得這種材料的物理性能，特別是溶解性、親合性等發(fā)生明顯變化。經(jīng)適當(dāng)?shù)娜軇┨幚?，溶去可溶性部分，得到所需圖像。光刻的精度極高，尺寸精度可達(dá)0.01～0.005mm，是半導(dǎo)體器件和集成電路制造中的關(guān)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(xì)孔金屬網(wǎng)板、電路布線板、晶閘管元件等。(2）光刻的工藝過程原圖曝光顯影堅(jiān)模去膠腐蝕前烘襯底加工涂光刻膠光刻掩膜版制備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(jī)刻制可剝性薄膜，把不需要部分的薄膜剝掉，制成原圖。在半導(dǎo)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(jī)把原圖縮小制成初縮版然后采用分步重復(fù)照相機(jī)將初縮版精縮，使圖形進(jìn)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(fù)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。2)涂覆光致抗蝕劑光致抗蝕劑是光刻工藝的基礎(chǔ)，它是一種對(duì)光敏感的高分子溶液。根據(jù)其光化學(xué)特點(diǎn)，可分為正性和負(fù)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(fù)性光致抗蝕劑。在半導(dǎo)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(fù)性)、雙迭氮系(負(fù)性)和酯-二迭氮系(正性)等。3)曝光曝光光源的波長(zhǎng)應(yīng)與光刻膠感光范圍相適應(yīng)，一般采用紫外光，其波長(zhǎng)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(jìn)行曝光。另一種曝光方式是采用光學(xué)投影曝光，此時(shí)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(duì)精度要求更高的精細(xì)圖形進(jìn)行光刻時(shí)，其最細(xì)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(shù)。電子束曝光可以刻出寬度為0.25μm的細(xì)線條。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(xué)腐蝕、電解腐蝕、離子腐蝕等，其中常用的是化學(xué)腐蝕法。即采用化學(xué)溶液對(duì)帶有光致抗蝕劑層的襯底表面進(jìn)行腐蝕。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(qiáng)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