現(xiàn)代加工技術(shù)化學(xué)加工

現(xiàn)代加工技術(shù)化學(xué)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(xué)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(xué)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(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。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(xué)蝕刻加工二、光化學(xué)腐蝕加工三、化學(xué)拋光四、化學(xué)鍍膜第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月一、化學(xué)蝕刻加工5化學(xué)蝕刻加工又稱化學(xué)銑切(ChemicalMilling簡(jiǎn)稱CHM)，先把工件非加工表面用耐腐蝕性涂層保護(hù)起來，需要加工的表面露出來，浸入到化學(xué)溶液中進(jìn)行腐蝕，使金屬按特定的部位溶解去除，達(dá)到加工目的。1．化學(xué)蝕刻加工的原理、特點(diǎn)和應(yīng)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(hù)層下面的側(cè)向也溶解，并呈圓弧狀，如圖中的H和R。?化學(xué)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(xué)刻蝕加工的特點(diǎn)6金屬的溶解速度與工件材料的種類及溶液成分有關(guān)。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。第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)刻蝕加工的特點(diǎn)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(duì)設(shè)備和人體有危害，故需有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)性措施。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。第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2.化學(xué)銑削工藝過程8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）固化刻型腐蝕清洗去保護(hù)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(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。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。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(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?？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(xué)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(xué)腐蝕加工12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。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(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）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(jiān)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(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。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(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。第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）曝光、顯影和堅(jiān)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(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。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(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。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(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。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(jìn)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(hù)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(cè)壁保護(hù)腐蝕機(jī)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(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。腐蝕坡度形成原理第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。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(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。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(jiān)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(jī)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(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。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(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。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(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。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(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。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(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，甲苯等有機(jī)溶劑去膠。第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月光化學(xué)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(xué)拋光化學(xué)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(xué)拋光的原理和特點(diǎn)2.化學(xué)拋光的工藝要求及應(yīng)用第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1.化學(xué)拋光的原理和特點(diǎn)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(kuò)散、溶解于酸性溶液中，因此使加工表面逐漸被整平，達(dá)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(xué)拋光的特點(diǎn)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(fù)雜的零件，不需外加電源、設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，成本低。其缺點(diǎn)是化學(xué)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(xué)拋光的工藝要求及應(yīng)用(1)金屬的化學(xué)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(shí)必須嚴(yán)格控制溶液溫度和時(shí)間。(2)半導(dǎo)體材料的化學(xué)拋光鍺和硅等半導(dǎo)體基片在機(jī)械研磨平整后，還要用化學(xué)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(xué)拋光樣件38第38頁，課件共43頁，創(chuàng)作