现代加工技术化学加工精.ppt

哈工大(威海)现代加工技术现代加工技术化学加工第1页，本讲稿共43页课程内容大纲课程内容大纲21 1绪论绪论2 2电火花加工电火花加工3 3电火花线切割加工电火花线切割加工4 4电化学加工电化学加工5 5超声波加工超声波加工6 6磨料与水喷射加工磨料与水喷射加工7 7激光加工激光加工8 8快速原型制造快速原型制造9 9电子束、离子束加工电子束、离子束加工1010化学加工化学加工、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨第2页，本讲稿共43页基本概念基本概念3 化化学学加加工工（Chemical Machining,CHM)是是利利用用酸酸、碱碱、盐盐等等化化学学溶溶液液对对金金属属产产生生化化学学反反应应，使使金金属属溶溶解解，改改变变工件尺寸和形状（或表面性能）的一种加工方法。工件尺寸和形状（或表面性能）的一种加工方法。化化学学加加工工的的应应用用形形式式很很多多，但但属属于于成成形形加加工工的的主主要要有有化化学学蚀蚀刻刻和和光光化化学学腐腐蚀蚀加加工工法法。属属于于表表面面加加工工的的有有化化学学抛抛光光和和化学镀膜化学镀膜等。等。第3页，本讲稿共43页本讲内容本讲内容4一、化学蚀刻加工一、化学蚀刻加工二、光化学腐蚀加工二、光化学腐蚀加工三、化学抛光三、化学抛光四、化学镀膜四、化学镀膜第4页，本讲稿共43页一、化学蚀刻加工一、化学蚀刻加工5 化化学学蚀蚀刻刻加加工工又又称称化化学学铣铣切切(Chemical Milling简简称称CHM)，先先把把工工件件非非加加工工表表面面用用耐耐腐腐蚀蚀性性涂涂层层保保护护起起来来，需需要要加加工工的的表表面面露露出出来来，浸浸入入到到化化学学溶溶液液中中进进行行腐腐蚀蚀，使使金金属属按按特特定定的的部部位位溶溶解解去去除除，达达到到加加工目的。工目的。1化学蚀刻加工的原理、特点和应用范围化学蚀刻加工的原理、特点和应用范围 金金属属的的溶溶解解作作用用，不不仅仅在在垂垂直直于于工工件件表表面面的的深深度度方方向向，而而且且在保护层下面的侧向也溶解，并呈圆弧状，如图中的在保护层下面的侧向也溶解，并呈圆弧状，如图中的H和和R。化学铣削加工化学铣削加工3 3分分28.mp428.mp4第5页，本讲稿共43页化学刻蚀加工的特点化学刻蚀加工的特点6金属的溶解速度与工件材料的种类及溶液成分有关。金属的溶解速度与工件材料的种类及溶液成分有关。1）可可加加工工任任何何难难切切削削的的金金属属材材料料，而而不不受受硬硬度度和和强强度度的的限限制制，如如铝铝合合金金、钼钼合合金金、钛钛合合金金、镁镁合合金金、不不锈锈钢等。钢等。2）适于大面积加工，可同时加工多件。）适于大面积加工，可同时加工多件。3）加加工工过过程程中中不不会会产产生生应应力力、裂裂纹纹、毛毛刺刺等等缺缺陷陷，表表面面粗糙度可达粗糙度可达Ra2.51.25um。4）加工操作技术比较简单。）加工操作技术比较简单。第6页，本讲稿共43页化学刻蚀加工的特点化学刻蚀加工的特点71）不适宜加工窄而深的槽和型孔等。）不适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、划痕等不易消除。）原材料中缺陷和表面不平度、划痕等不易消除。3）腐蚀液对设备和人体有危害，故需有适当的防护性措施。）腐蚀液对设备和人体有危害，故需有适当的防护性措施。化学加工的应用范围化学加工的应用范围1）主主要要用用于于较较大大工工件件的的金金属属表表面面厚厚度度减减薄薄加加工工。铣铣切切厚厚度度一一般般小小于于13mm。如如在在航航空空和和航航天天工工业业中中常常用用于于局局部部减减轻轻结结构构件件的的重重量量，对大面积或不利于机械加工的薄壁形整体壁板的加工亦适宜。对大面积或不利于机械加工的薄壁形整体壁板的加工亦适宜。2）用于在厚度小于）用于在厚度小于1.5mm薄壁零件上加工复杂的型孔。薄壁零件上加工复杂的型孔。第7页，本讲稿共43页2.2.化学铣削工艺过程化学铣削工艺过程8其中主要的工序是涂保护层、刻形、化学腐蚀。其中主要的工序是涂保护层、刻形、化学腐蚀。表面预处理表面预处理涂保护层（涂层厚度约涂保护层（涂层厚度约0.2mm）固化固化刻型刻型腐蚀腐蚀清洗清洗去保护层去保护层第8页，本讲稿共43页（1 1）涂覆）涂覆9在在涂涂保保护护层层之之前前，必必须须把把工工件件表表面面的的油油污污、氧氧化化膜膜等等清清除除干干净净，再再在在相相应应的的腐腐蚀蚀液液中中进进行行预预腐腐蚀蚀。在在某某些些情情况况下下还还要要先先进进行行喷喷砂砂处处理理，使使表面形成一定的粗糙度，以保证图层与金属表面粘接牢固。表面形成一定的粗糙度，以保证图层与金属表面粘接牢固。保保护护层层必必须须具具有有良良好好的的耐耐酸酸、碱碱性性能能，并并在在化化学学刻刻蚀蚀过过程中粘接力不能下降。程中粘接力不能下降。常用的保护层有氯丁橡胶、常用的保护层有氯丁橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶等耐蚀涂料。丁基橡胶、丁苯橡胶等耐蚀涂料。涂涂复复的的方方法法有有刷刷涂涂、喷喷涂涂、浸浸涂涂等等。涂涂层层要要求求均均匀匀，不不允允许许有有杂杂质质和和气气泡泡。涂涂层层厚厚度度一一般般控控制制在在0.2mm左左右右。涂涂后后需需经经定定时时间间和和适适当温度加以固化。当温度加以固化。第9页，本讲稿共43页（2 2）刻形或划线）刻形或划线10刻刻形形是是根根据据样样板板的的形形状状和和尺尺寸寸，把把待待加加工工表表面面的的涂涂层层去去掉掉以以便便进进行行腐腐蚀蚀加加工工。刻刻型型的的方方法法一一般般采采用用手手术术刀刀沿沿样样板板轮轮廓廓切切开开保保护护层层，把把不要的部分剥掉。刻型样板多采用不要的部分剥掉。刻型样板多采用1mm左右的硬铝板制作。左右的硬铝板制作。第10页，本讲稿共43页化学蚀刻样件11http:/ Chemical Machining,OCM)是是光光学学照照相相制制版版和和光光刻刻相相结结合合的的一一种种精精密密微微细细加加工工技技术术。它它与与化化学学蚀蚀刻刻（化化学学铣铣削削）的的主主要要区区别别是是不不靠靠样样板板人人工工刻刻形形、划划线线，而而是是用用照照相相感感光光来来确确定定工工件件表表面面要要蚀蚀除除的的图图形形、线线条条，因因此此可可以以加加工工出出非非常常精精细细的的文文字字图图案案，目目前前已已在在工工艺艺美美术、机制工业和电子工业中获得应用。术、机制工业和电子工业中获得应用。1.照相制版的原理和工艺照相制版的原理和工艺2.光刻加工的原理和工艺光刻加工的原理和工艺第12页，本讲稿共43页1 1照相制版的原理和工艺照相制版的原理和工艺13原图原图曝光曝光显影显影坚模坚模烘烤烘烤修正修正腐蚀腐蚀照相照相金属板金属板涂感涂感光胶光胶印刷印刷版版 将将所所需需图图案案摄摄影影到到底底片片上上，经经光光化化学学反反应应，将将图图案案复复制制到到涂涂有有感感光光胶胶的的铜铜（锌锌）板板上上，经经坚坚模模固固化化处处理理，使使感感光光胶胶具具有有一一定定抗抗腐腐蚀蚀性性能能，最最后后经经过过化化学学腐腐蚀蚀，使使其其余余涂涂胶胶被被水水溶溶解解掉掉，从从而而使使铜铜（锌锌）板板受受到到腐腐蚀蚀，即即将将所所需需图图案案复复制制（腐腐蚀蚀）到到铜铜（锌锌）板板上上。照照相相制制版版不不仅仅是是印印刷刷工工业业的的关关键键工工艺艺，而而且且还还可可以以加加工工一一些些机机械械加加工工难难以以解解决决的的具具有有复复杂杂图图形形的的薄薄板板，薄薄片片或或在在金金属属表表面面上蚀刻图案、花纹等。上蚀刻图案、花纹等。整理整理（去胶）（去胶）第13页，本讲稿共43页流程图14曝曝光光显显影影坚坚膜膜烘烘烤烤修修正正腐腐蚀蚀去去胶胶原原图图照照相相金金属属版版涂涂感感光光胶胶印印刷刷版版第14页，本讲稿共43页（1 1）原图和照相）原图和照相15 将将所所需需图图案案摄摄影影到到底底片片上上，经经光光化化学学反反应应，将将图图案案复复制制到到涂涂有有感感光光胶胶的的铜铜（锌锌）板板上上，经经坚坚模模固固化化处处理理，使使感感光光胶胶具具有有一一定定抗抗腐腐蚀蚀性性能能，最最后后经经过过化化学学腐腐蚀蚀，使使其其余余涂涂胶胶被被水水溶溶解解掉掉，从从而而使使铜铜（锌锌）板板受受到到腐腐蚀蚀，即即将将所所需图案复制（腐蚀）到铜（锌）板上。需图案复制（腐蚀）到铜（锌）板上。第15页，本讲稿共43页（2 2）金属版和感光胶的涂覆）金属版和感光胶的涂覆16 金金属属版版多多采采用用微微晶晶锌锌版版和和纯纯铜铜版版，但但要要求求具具有有一一定定的的硬硬度度和和耐耐磨磨性性，表表面面光光整整，无无杂杂质质、氧氧化化层层、油油垢垢等等，以以增增强强对感光胶膜的吸附能力。对感光胶膜的吸附能力。常用的感光胶有聚乙烯醇、骨胶、明胶等。常用的感光胶有聚乙烯醇、骨胶、明胶等。第16页，本讲稿共43页（3 3）曝光、显影和坚膜）曝光、显影和坚膜17 曝曝光光是是将将原原图图照照相相底底片片用用真真空空方方法法，紧紧紧紧密密合合在在己己涂涂复复感感光光胶胶的的金金属属版版上上，通通过过紫紫外外光光照照射射，使使金金属属版版上上的的感感光光胶胶膜膜按按图图像像感感光光。照照相相底底片片上上不不透透光光部部分分，由由于于挡挡住住了了光光线线照照射射，胶胶膜膜不不参参与与光光化化学学反反应应，仍仍是是水水溶溶性性的的。照照相相底底片片上上透透光光部部分分，由由于于参参与与了了化化学学反反应应，使使胶胶膜膜变变成成不不溶溶于于水水的的络络合合物物。然然后后经经过过显显影影，使使未未感感光光的的胶胶膜膜用用水水冲冲洗洗掉掉，使使胶胶膜膜呈现出清晰的图像。呈现出清晰的图像。第17页，本讲稿共43页照相制版曝光、显影示意图照相制版曝光、显影示意图18为为提提高高显显影影后后胶胶膜膜的的抗抗蚀蚀性性，可可将将制制版版放放在在坚坚膜膜液液中中进进行行处处理理，类似于普通照相感光显影后的定影处理。类似于普通照相感光显影后的定影处理。第18页，本讲稿共43页（4 4）固化）固化19 经经过过感感光光坚坚膜膜后后的的胶胶膜膜，抗抗蚀蚀能能力力仍仍不不强强，必必须须进进一一步步固固化化。聚聚乙乙烯烯酵酵胶胶一一般般在在180摄摄氏氏度度下下固固化化15min，即即呈呈深深棕棕色色。因因固固化化温温度度还还与与金金属属板板分分子子结结构构有有关关，微微晶晶锌锌版版固固化化温温度度不不超超过过200摄摄氏氏度度，铜铜版版固固化化温温度度不不超超过过300摄摄氏氏度度，时时间间57min，表表面面呈呈深深棕棕色色为为止止。固固化化温温度度过过高高或或时时间间太太长长，深深棕棕色色变变黑黑，致致使使胶胶裂裂或或碳碳化化，丧丧失失了了抗抗蚀能力。蚀能力。第19页，本讲稿共43页（5 5）腐蚀）腐蚀20 经经固固膜膜后后的的金金属属版版，放放在在腐腐蚀蚀液液中中进进行行腐腐蚀蚀，即即可可获得所需图像。获得所需图像。第20页，本讲稿共43页钻蚀钻蚀添加保护剂采用专用腐蚀装置添加保护剂采用专用腐蚀装置形成一定的腐蚀坡度形成一定的腐蚀坡度第21页，本讲稿共43页侧壁保护腐蚀机理第22页，本讲稿共43页 例例如如腐腐蚀蚀锌锌版版，其其保保护护剂剂是是由由磺磺化化蓖蓖麻麻油油等等主主要成分组成。要成分组成。腐腐蚀蚀铜铜版版的的保保护护剂剂由由乙乙烯烯基基硫硫脲脲和和二二硫硫化化甲甲脒脒组组成成，在在三三氯氯化化铁铁腐腐蚀蚀液液中中腐腐蚀蚀铜铜版版时时，能能产产生生一一层层白白色色氧氧化化层层，可起到保护侧壁的作用。可起到保护侧壁的作用。腐蚀坡度形成原理第23页，本讲稿共43页 另另一一种种保保护护侧侧壁壁的的方方法法是是有有粉粉腐腐蚀蚀法法，其其原原理理是是把把松松香香粉粉刷刷嵌嵌在在腐腐蚀蚀露露出出的的图图形形侧侧壁壁上上，加加温温熔熔化化后后松松香香粉粉附附于于侧侧壁壁表表面面，也也能能起起到到保保护护侧侧壁壁的的作作用用。此此法法需需重重复复许许多多次次才才能能腐腐蚀蚀到到所所要要求求的的深深度度，操操作作比比较较费费事事，但但设设备备要要求简单。求简单。有粉腐蚀法有粉腐蚀法第24页，本讲稿共43页2.2.光刻加工的原理和工艺光刻加工的原理和工艺(1(1）光刻加工的原理、特点和应用范围）光刻加工的原理、特点和应用范围光刻是利用光致抗蚀剂的光化学反应特点，将掩膜版上的图形精光刻是利用光致抗蚀剂的光化学反应特点，将掩膜版上的图形精确的印制在涂有光致抗蚀剂的衬底表面，再利用光致抗蚀剂的耐确的印制在涂有光致抗蚀剂的衬底表面，再利用光致抗蚀剂的耐腐蚀特性，对衬底表面进行腐蚀，可获得极为复杂的精细图形。腐蚀特性，对衬底表面进行腐蚀，可获得极为复杂的精细图形。光刻的精度极高，尺寸精度可达光刻的精度极高，尺寸精度可达0.010.010.005mm0.005mm，是半导体器，是半导体器件和集成电路制造中的关键工艺之一。件和集成电路制造中的关键工艺之一。利用光刻原理还可制造一些精密产品的零部件，如刻线尺、利用光刻原理还可制造一些精密产品的零部件，如刻线尺、刻度盘、光栅、细孔金属网板、电路布线板、晶闸管元件刻度盘、光栅、细孔金属网板、电路布线板、晶闸管元件等。等。第25页，本讲稿共43页(2(2）光刻的工艺过程）光刻的工艺过程原图原图曝光曝光显影显影坚模坚模去胶去胶腐蚀腐蚀前烘前烘衬底衬底加工加工涂光涂光刻胶刻胶光刻掩膜光刻掩膜版制备版制备第26页，本讲稿共43页1)1)原图和掩模版的制备原图和掩模版的制备 原图制备首先在透明或半透明的聚脂基板上，原图制备首先在透明或半透明的聚脂基板上，涂覆一层醋酸乙烯树脂系的红色可剥性薄膜，然后涂覆一层醋酸乙烯树脂系的红色可剥性薄膜，然后把所需的图形按一定比例放大几倍至几百倍，用绘把所需的图形按一定比例放大几倍至几百倍，用绘图机刻制可剥性薄膜，把不需要部分的薄膜剥掉，图机刻制可剥性薄膜，把不需要部分的薄膜剥掉，制成原图。制成原图。第27页，本讲稿共43页掩膜版制备掩膜版制备在半导体集成电路的光刻中，为了获得精确的掩膜版，在半导体集成电路的光刻中，为了获得精确的掩膜版，需要先利用初缩照相机把原图缩小制成初缩版然后采用分需要先利用初缩照相机把原图缩小制成初缩版然后采用分步重复照相机将初缩版精缩，使图形进一步缩小，从而获步重复照相机将初缩版精缩，使图形进一步缩小，从而获得尺寸精确的照相底版。再把照相底版用接触复印法，将得尺寸精确的照相底版。再把照相底版用接触复印法，将图形印制到涂有光刻胶的高纯度铬薄膜板上，经过腐蚀，图形印制到涂有光刻胶的高纯度铬薄膜板上，经过腐蚀，即获得金属薄膜图形掩膜版。即获得金属薄膜图形掩膜版。第28页，本讲稿共43页 2)2)涂覆光致抗蚀剂涂覆光致抗蚀剂 光光致致抗抗蚀蚀剂剂是是光光刻刻工工艺艺的的基基础础，它它是是一一种种对对光光敏敏感感的的高高分分子子溶溶液液。根根据据其其光光化化学学特特点点，可可分分为为正正性性和和负负性性两类。两类。凡凡能能用用显显影影液液把把感感光光部部分分溶溶除除而而得得到到和和掩掩模模版版上上挡挡光光图图形形相相同同的的抗抗蚀蚀涂涂层层的的一一类类光光致致抗抗蚀蚀剂剂，称称为为正正性光致抗蚀剂，反之则为负性光致抗蚀剂。性光致抗蚀剂，反之则为负性光致抗蚀剂。在在半半导导体体工工业业中中常常用用的的光光致致抗抗蚀蚀剂剂有有：聚聚乙乙烯烯醇醇一一肉肉桂桂酸酸脂脂泵泵(负负性性)、双双迭迭氮氮系系(负负性性)和和酯酯-二二迭迭氮系氮系(正性正性)等。等。第29页，本讲稿共43页3)3)曝光曝光 曝曝光光光光源源的的波波长长应应与与光光刻刻胶胶感感光光范范围围相相适适应应，一一般采用紫外光，其波长约般采用紫外光，其波长约0.4m0.4m。曝曝光光方方式式常常用用的的有有接接触触式式曝曝法法，即即将将掩掩模模版版与与涂涂有有光光致致抗抗蚀蚀剂剂的的衬衬底底表表面面紧紧密密接接触触而而进进行行曝曝光光。另另一一种种曝曝光光方方式式是是采采用用光光学学投投影影曝曝光光，此此时时掩掩模模版版不不与与衬衬底底表表面面直接接触。直接接触。随随着着电电子子工工业业的的发发展展，对对精精度度要要求求更更高高的的精精细细图图形形进进行行光光刻刻时时，其其最最细细的的线线条条宽宽度度要要求求到到1m1m以以下下，紫紫外外光光已已不不能能满满足足要要求求，需需采采用用电电子子束束、离离子子束束或或x x射射线线等等曝曝光光新新技技术术。电电子子束曝光可以刻出宽度为束曝光可以刻出宽度为0.25m0.25m的细线条。的细线条。第30页，本讲稿共43页4)4)腐蚀腐蚀 不同的光刻材料需采用不同的腐蚀液。腐蚀的方法不同的光刻材料需采用不同的腐蚀液。腐蚀的方法有多种，如化学腐蚀、电解腐蚀、离子腐蚀等，其中常有多种，如化学腐蚀、电解腐蚀、离子腐蚀等，其中常用的是化学腐蚀法。即采用化学溶液对带有光致抗蚀剂用的是化学腐蚀法。即采用化学溶液对带有光致抗蚀剂层的衬底表面进行腐蚀。层的衬底表面进行腐蚀。第31页，本讲稿共43页5)5)去胶去胶 为去除腐蚀后残留在衬底表面的抗蚀胶膜，为去除腐蚀后残留在衬底表面的抗蚀胶膜，可采用氧化去胶法，即使用强氧化剂可采用氧化去胶法，即使用强氧化剂(如硫酸如硫酸-过氧化氢混合液等过氧化氢混合液等)，将胶膜氧化破坏而去除。也，将胶膜氧化破坏而去除。也可采用丙酮，甲苯等有机溶剂去胶。可采用丙酮，甲苯等有机溶剂去胶。第32页，本讲稿共43页光化学蚀刻样件33http:/ 化化学学镀镀膜膜的的目目的的是是在在金金属属或或非非金金属属表表面面镀镀上上一层金属，起装饰、防腐蚀或导电等作用。一层金属，起装饰、防腐蚀或导电等作用。1.1.化学镀膜的原理和特点化学镀膜的原理和特点2.2.化学镀膜的工艺要点及应用化学镀膜的工艺要点及应用第40页，本讲稿共43页1.1.化学镀膜的原理和特点化学镀膜的原理和特点 其其原原理理是是在在含含金金属属盐盐溶溶液液的的镀镀液液中中加加入入一一种种化化学学还还原剂，将镀液中的金属离子还原后沉积在被镀零件表面。原剂，将镀液中的金属离子还原后沉积在被镀零件表面。其其特特点点是是：有有很很好好的的均均镀镀能能力力，镀镀层层厚厚度度均均匀匀，这这对对大大表表面面和和精精密密复复杂杂零零件件很很重重要要；被被镀镀工工件件可可为为任任何何材材料料，包包括括非非导导体体如如玻玻璃璃、陶陶瓷瓷、塑塑料料等等；不不需电源，设备简单；镀液一般可连续、再生使用。需电源，设备简单；镀液一般可连续、再生使用。第41页，本讲稿共43页2.2.化学镀膜的工艺要点及应用化学镀膜的工艺要点及应用 化化学学镀镀铜铜主主要要用用硫硫酸酸铜铜，镀镀镍镍主主要要用用氯氯化化镍镍，镀镀铬铬用用溴溴化化铬铬，镀镀钴钴用用氯氯化化钴钴溶溶液液。以以次次磷磷酸酸钠钠或或次次硫硫酸酸钠钠作作为为还还原原剂剂，也也有有选选用用酒酒石石酸酸钾钾钠钠或或葡葡萄萄糖糖等等为为还还原原剂剂的的。对对特特定定的的金金属属，需需选选用用特特定定的的还还原原剂剂。镀镀液液成成分分、质质量量分分数数、温温度度和和时时间间都都对对镀镀层层质质量量有有很很大大影影响响。镀镀前前还应对工件表面进行除油、去锈等净化处理。还应对工件表面进行除油、去锈等净化处理。应应用用最最广广的的是是化化学学镀镀镍镍、钴钴、铬铬、锌锌，其其次次是是镀镀铜铜、锡锡。在在电电铸铸前前，常常在在非非金金属属的的表表面面用用化化学学镀镀镀镀上上很很薄薄的的一一层层银或铜作为导电层和脱模之用。银或铜作为导电层和脱模之用。第42页，本讲稿共43页化学镀样件43第43页，本讲稿共43页