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1、化学加工,1,贾宝贤,5687026,Chemical MachiningCHM,课程内容大纲,2,1绪论2电火花加工3电火花线切割加工4电化学加工5超声波加工6磨料与水喷射加工7激光加工8快速原型制造9电子束、离子束加工10化学加工、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨,基本概念,3,化学加工（Chemical Machining,CHM)是利用酸、碱、盐等化学溶液对金属产生化学反应，使金属溶解，改变工件尺寸和形状（或表面性能）的一种加工方法。化学加工的应用形式很多，但属于成形加工的主要有化学蚀刻和光化学腐蚀加工法。属于表面加工的有化学抛光和化学镀膜等。,本讲内容,4,一、化学蚀刻加工二、光化学
2、腐蚀加工三、化学抛光四、化学镀膜,一、化学蚀刻加工,5,化学蚀刻加工又称化学铣切(Chemical Milling简称CHM)，先把工件非加工表面用耐腐蚀性涂层保护起来，需要加工的表面露出来，浸入到化学溶液中进行腐蚀，使金属按特定的部位溶解去除，达到加工目的。,1化学蚀刻加工的原理、特点和应用范围,金属的溶解作用，不仅在垂直于工件表面的深度方向，而且在保护层下面的侧向也溶解，并呈圆弧状，如图中的H和R。,化学铣削加工3分28.mp4,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。1）可加工任何难切削的金属材料，而不受硬度和强度的限制，如铝合金、钼合金、钛合金、镁合金、不
3、锈钢等。2）适于大面积加工，可同时加工多件。3）加工过程中不会产生应力、裂纹、毛刺等缺陷，表面粗糙度可达Ra2.51.25um。4）加工操作技术比较简单。,化学刻蚀加工的特点,7,1）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。3）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1）主要用于较大工件的金属表面厚度减薄加工。铣切厚度一般小于13mm。如在航空和航天工业中常用于局部减轻结构件的重量，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。2）用于在厚度小于1.5mm薄壁零件上加工复杂的型孔。,2.化学铣削工艺过程,8,其中主要的工序
4、是涂保护层、刻形、化学腐蚀。,表面预处理,涂保护层（涂层厚度约0.2mm）,固化,刻型,腐蚀,清洗,去保护层,（1）涂覆,9,在涂保护层之前，必须把工件表面的油污、氧化膜等清除干净，再在相应的腐蚀液中进行预腐蚀。在某些情况下还要先进行喷砂处理，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。保护层必须具有良好的耐酸、碱性能，并在化学刻蚀过程中粘接力不能下降。常用的保护层有氯丁橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶等耐蚀涂料。涂复的方法有刷涂、喷涂、浸涂等。涂层要求均匀，不允许有杂质和气泡。涂层厚度一般控制在0.2mm左右。涂后需经定时间和适当温度加以固化。,（2）刻形或划线,10,刻形是根据样板的形状
5、和尺寸，把待加工表面的涂层去掉以便进行腐蚀加工。刻型的方法一般采用手术刀沿样板轮廓切开保护层，把不要的部分剥掉。刻型样板多采用1mm左右的硬铝板制作。,化学蚀刻样件,11,二、光化学腐蚀加工,12,光化学腐蚀加工简称光化学加工，(Optical Chemical Machining,OCM)是光学照相制版和光刻相结合的一种精密微细加工技术。它与化学蚀刻（化学铣削）的主要区别是不靠样板人工刻形、划线，而是用照相感光来确定工件表面要蚀除的图形、线条，因此可以加工出非常精细的文字图案，目前已在工艺美术、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2.光刻加工的原理和工艺,1照相制版的原理和
6、工艺,13,原图,曝光,显影,坚模,烘烤,修正,腐蚀,照相,金属板,涂感光胶,印刷版,将所需图案摄影到底片上，经光化学反应，将图案复制到涂有感光胶的铜（锌）板上，经坚模固化处理，使感光胶具有一定抗腐蚀性能，最后经过化学腐蚀，使其余涂胶被水溶解掉，从而使铜（锌）板受到腐蚀，即将所需图案复制（腐蚀）到铜（锌）板上。照相制版不仅是印刷工业的关键工艺，而且还可以加工一些机械加工难以解决的具有复杂图形的薄板，薄片或在金属表面上蚀刻图案、花纹等。,整理（去胶）,流程图,14,（1）原图和照相,15,将所需图案摄影到底片上，经光化学反应，将图案复制到涂有感光胶的铜（锌）板上，经坚模固化处理，使感光胶具有一定
7、抗腐蚀性能，最后经过化学腐蚀，使其余涂胶被水溶解掉，从而使铜（锌）板受到腐蚀，即将所需图案复制（腐蚀）到铜（锌）板上。,（2）金属版和感光胶的涂覆,16,金属版多采用微晶锌版和纯铜版，但要求具有一定的硬度和耐磨性，表面光整，无杂质、氧化层、油垢等，以增强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。,（3）曝光、显影和坚膜,17,曝光是将原图照相底片用真空方法，紧紧密合在己涂复感光胶的金属版上，通过紫外光照射，使金属版上的感光胶膜按图像感光。照相底片上不透光部分，由于挡住了光线照射，胶膜不参与光化学反应，仍是水溶性的。照相底片上透光部分，由于参与了化学反应，使胶膜变成不溶于水的络
8、合物。然后经过显影，使未感光的胶膜用水冲洗掉，使胶膜呈现出清晰的图像。,照相制版曝光、显影示意图,18,为提高显影后胶膜的抗蚀性，可将制版放在坚膜液中进行处理，类似于普通照相感光显影后的定影处理。,（4）固化,19,经过感光坚膜后的胶膜，抗蚀能力仍不强，必须进一步固化。聚乙烯酵胶一般在180摄氏度下固化15min，即呈深棕色。因固化温度还与金属板分子结构有关，微晶锌版固化温度不超过200摄氏度，铜版固化温度不超过300摄氏度，时间57min，表面呈深棕色为止。固化温度过高或时间太长，深棕色变黑，致使胶裂或碳化，丧失了抗蚀能力。,（5）腐蚀,20,经固膜后的金属版，放在腐蚀液中进行腐蚀，即可获得
9、所需图像。,钻蚀,添加保护剂采用专用腐蚀装置形成一定的腐蚀坡度,侧壁保护腐蚀机理,例如腐蚀锌版，其保护剂是由磺化蓖麻油等主要成分组成。腐蚀铜版的保护剂由乙烯基硫脲和二硫化甲脒组成，在三氯化铁腐蚀液中腐蚀铜版时，能产生一层白色氧化层，可起到保护侧壁的作用。,腐蚀坡度形成原理,另一种保护侧壁的方法是有粉腐蚀法，其原理是把松香粉刷嵌在腐蚀露出的图形侧壁上，加温熔化后松香粉附于侧壁表面，也能起到保护侧壁的作用。此法需重复许多次才能腐蚀到所要求的深度，操作比较费事，但设备要求简单。,有粉腐蚀法,2.光刻加工的原理和工艺,(1）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
10、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0.010.005mm，是半导体器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、刻度盘、光栅、细孔金属网板、电路布线板、晶闸管元件等。,(2）光刻的工艺过程,原图,曝光,显影,坚模,去胶,腐蚀,前烘,衬底加工,涂光刻胶,光刻掩膜版制备,1)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，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，用绘图机刻制可剥性薄膜，把不
11、需要部分的薄膜剥掉，制成原图。,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，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，即获得金属薄膜图形掩膜版。,2)涂覆光致抗蚀剂,光致抗蚀剂是光刻工艺的基础，它是一种对光敏感的高分子溶液。根据其光化学特点，可分为正性和负性两类。凡能用显影液把感光部分溶除而得到和掩模版上挡光图形相同的抗蚀涂层的一类光致抗蚀剂，称为正性光致抗蚀剂，反之则为负性光致抗蚀剂。在半导体工业中常用的光致抗蚀剂有：聚
12、乙烯醇一肉桂酸脂泵(负性)、双迭氮系(负性)和酯-二迭氮系(正性)等。,3)曝光,曝光光源的波长应与光刻胶感光范围相适应，一般采用紫外光，其波长约0.4m。曝光方式常用的有接触式曝法，即将掩模版与涂有光致抗蚀剂的衬底表面紧密接触而进行曝光。另一种曝光方式是采用光学投影曝光，此时掩模版不与衬底表面直接接触。随着电子工业的发展，对精度要求更高的精细图形进行光刻时，其最细的线条宽度要求到1m以下，紫外光已不能满足要求，需采用电子束、离子束或x射线等曝光新技术。电子束曝光可以刻出宽度为0.25m的细线条。,4)腐蚀,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，
13、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层的衬底表面进行腐蚀。,5)去胶,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(如硫酸-过氧化氢混合液等)，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。,光化学蚀刻样件,33,三、化学抛光,化学抛光的目的是改善工件表面粗糙度或使表面平滑化和光泽化。1.化学抛光的原理和特点2.化学抛光的工艺要求及应用,1.化学抛光的原理和特点,一般是用硝酸或磷酸等氧化剂溶液，在一定条件下，使工件表面氧化，此氧化层又能逐渐溶入溶液，表面微凸起处被氧化较快较多，微凹处则被氧化较慢较少。同样凸起处的氧化层又比凹处更多、更快的扩
14、散、溶解于酸性溶液中，因此使加工表面逐渐被整平，达到表面平滑化和光泽化。,化学抛光的特点,可以大面或多件抛光薄壁、低刚度零件，可以抛光内表面和形状复杂的零件，不需外加电源、设备，操作简单，成本低。其缺点是化学抛光效果比电解抛光效果差，且抛光液用后处理较麻烦。,2.化学抛光的工艺要求及应用,(1)金属的化学抛光常用硝酸、磷酸、硫酸、盐酸等酸性溶液抛光铝、铝合金、钼、钼合金、碳钢及不锈钢等。抛光时必须严格控制溶液温度和时间。(2)半导体材料的化学抛光锗和硅等半导体基片在机械研磨平整后，还要用化学抛光去除表面杂质和变质层。常用氢氟酸和硝酸、硫酸的混合液或双氧水和氢氧化铵的水溶液。,化学抛光样件,38
15、,化学抛光样件,39,四、化学镀膜,化学镀膜的目的是在金属或非金属表面镀上一层金属，起装饰、防腐蚀或导电等作用。1.化学镀膜的原理和特点2.化学镀膜的工艺要点及应用,1.化学镀膜的原理和特点,其原理是在含金属盐溶液的镀液中加入一种化学还原剂，将镀液中的金属离子还原后沉积在被镀零件表面。其特点是：有很好的均镀能力，镀层厚度均匀，这对大表面和精密复杂零件很重要；被镀工件可为任何材料，包括非导体如玻璃、陶瓷、塑料等；不需电源，设备简单；镀液一般可连续、再生使用。,2.化学镀膜的工艺要点及应用,化学镀铜主要用硫酸铜，镀镍主要用氯化镍，镀铬用溴化铬，镀钴用氯化钴溶液。以次磷酸钠或次硫酸钠作为还原剂，也有选用酒石酸钾钠或葡萄糖等为还原剂的。对特定的金属，需选用特定的还原剂。镀液成分、质量分数、温度和时间都对镀层质量有很大影响。镀前还应对工件表面进行除油、去锈等净化处理。应用最广的是化学镀镍、钴、铬、锌，其次是镀铜、锡。在电铸前，常在非金属的表面用化学镀镀上很薄的一层银或铜作为导电层和脱模之用。,化学镀样件,43,
