现代加工技术10化学加工市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术化学加工化学加工1贾宝贤贾宝贤 (5687026 Chemical MachiningCHM第第1页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术课程内容纲领课程内容纲领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快速快速原原型型制造制造9 9电子束、离子束加工电子束、离子束加工1010化学化学加工加工、等离子体、磁性磨料加工、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨、挤压珩磨第第2页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术基本概念基本概念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，改改变变工工件件尺尺寸寸和和形形状状（或或表表面面性性能能）一一个个加工方法。加工方法。化化学学加加工工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有有化学抛光化学抛光和和化学镀膜化学镀膜等。等。第第3页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术本讲内容本讲内容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、化学镀膜第第4页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术一、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部部位位溶溶解解去去除除，到到达加工目标。达加工目标。1化学蚀刻加工原理、特点和应用范围化学蚀刻加工原理、特点和应用范围 金金属属溶溶解解作作用用，不不但但在在垂垂直直于于工工件件表表面面深深度度方方向向，而而且且在在保保护护层层下下面面侧侧向向也也溶溶解解，并并呈呈圆圆弧弧状状，如如图中图中H和和R。化学铣削加工化学铣削加工3 3分分28.mp428.mp4第第5页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术化学刻蚀加工特点化学刻蚀加工特点6金属溶解速度与工件材料种类及溶液成份相关。金属溶解速度与工件材料种类及溶液成份相关。1）可可加加工工任任何何难难切切削削金金属属材材料料，而而不不受受硬硬度度和和强强度度限限制制，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、毛毛刺刺等等缺缺点点，表面粗糙度可达表面粗糙度可达Ra2.51.25um。4）加工操作技术比较简单。）加工操作技术比较简单。第第6页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术化学刻蚀加工特点化学刻蚀加工特点71）不宜加工窄而深槽和型孔等。）不宜加工窄而深槽和型孔等。2）原材料中缺点和表面不平度、划痕等不易消除。）原材料中缺点和表面不平度、划痕等不易消除。3）腐蚀液对设备和人体有危害，故需有适当防护性办法。）腐蚀液对设备和人体有危害，故需有适当防护性办法。化学加工应用范围化学加工应用范围1）主主要要用用于于较较大大工工件件金金属属表表面面厚厚度度减减薄薄加加工工。铣铣切切厚厚度度普普通通小小于于13mm。如如在在航航空空和和航航天天工工业业中中惯惯用用于于局局部部减减轻轻结结构构件件重重量，对大面积或不利于机械加工薄壁形整体壁板加工亦适宜。量，对大面积或不利于机械加工薄壁形整体壁板加工亦适宜。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型孔。薄壁零件上加工复杂型孔。第第7页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术2.2.化学铣削工艺过程化学铣削工艺过程8其中主要工序是涂保护层、刻形、化学腐蚀。其中主要工序是涂保护层、刻形、化学腐蚀。表面预处理表面预处理涂保护层（涂层厚度涂保护层（涂层厚度约约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第8页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术（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油油污污、氧氧化化膜膜等等去去除除洁洁净净，再再在在对对应应腐腐蚀蚀液液中中进进行行预预腐腐蚀蚀。在在一一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，使使表表面面形形成成一一定定粗粗糙糙度度，以以确确保保图图层层与与金金属属表表面面粘粘接牢靠。接牢靠。保保护护层层必必须须含含有有良良好好耐耐酸酸、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。惯惯用用保保护护层层有有氯氯丁丁橡橡胶胶、丁丁基基橡橡胶胶、丁丁苯苯橡橡胶胶等等耐耐蚀蚀涂料。涂料。涂涂复复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。涂涂层层厚厚度度普普通通控控制制在在0.2mm左左右右。涂涂后后需需经经定时间和适当温度加以固化。定时间和适当温度加以固化。第第9页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术（2 2）刻形或划线）刻形或划线10刻刻形形是是依依据据样样板板形形状状和和尺尺寸寸，把把待待加加工工表表面面涂涂层层去去掉掉方方便便进进行行腐腐蚀蚀加加工工。刻刻型型方方法法普普通通采采取取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，把不要部分剥掉。刻型样板多采取把不要部分剥掉。刻型样板多采取1mm左右硬铝板制作。左右硬铝板制作。第第10页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术化学蚀刻样件11http:/ Chemical Machining,OCM)是是光光学学摄摄影影制制版版和和光光刻刻相相结结合合一一个个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）主主要要区区分分是是不不靠靠样样板板人人工工刻刻形形、划划线线，而而是是用用摄摄影影感感光光来来确确定定工工件件表表面面要要蚀蚀除除图图形形、线线条条，所所以以能能够够加加工工出出非非常常精精细细文文字字图图案案，当当前前已在工艺美术、机制工业和电子工业中取得应用。已在工艺美术、机制工业和电子工业中取得应用。1.摄影制版原理和工艺摄影制版原理和工艺2.光刻加工原理和工艺光刻加工原理和工艺第第12页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术1 1摄影制版原理和工艺摄影制版原理和工艺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摄影摄影金属金属板板涂感涂感光胶光胶印印刷刷版版 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，使使感感光光胶胶含含有有一一定定抗抗腐腐蚀蚀性性能能，最最终终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。摄摄影影制制版版不不但但是是印印刷刷工工业业关关键键工工艺艺，而而且且还还能能够够加加工工一一些些机机械械加加工工难难以以处处理理含含有有复复杂杂图图形形薄薄板板，薄薄片片或或在在金金属属表表面面上上蚀蚀刻刻图图案案、花花纹等。纹等。整理整理（去胶）（去胶）第第13页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术流程图14曝光曝光显影显影坚膜坚膜烘烤烘烤修正修正腐蚀腐蚀去胶去胶原图原图摄影摄影金属版金属版涂感光胶涂感光胶印刷版印刷版第第14页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术（1 1）原图和摄影）原图和摄影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，使使感感光光胶胶含含有有一一定定抗抗腐腐蚀蚀性性能能，最最终终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，即将所需图案复制（腐蚀）到铜（锌）板上。即将所需图案复制（腐蚀）到铜（锌）板上。第第15页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术（2 2）金属版和感光胶涂覆）金属版和感光胶涂覆16 金金属属版版多多采采取取微微晶晶锌锌版版和和纯纯铜铜版版，但但要要求求含含有有一一定定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，以增强对感光胶膜吸附能力。以增强对感光胶膜吸附能力。惯用感光胶有聚乙烯醇、骨胶、明胶等。惯用感光胶有聚乙烯醇、骨胶、明胶等。第第16页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术（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摄摄影影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金金属属版版上上，经经过过紫紫外外光光照照射射，使使金金属属版版上上感感光光胶胶膜膜按按图图像像感感光光。摄摄影影底底片片上上不不透透光光部部分分，因因为为挡挡住住了了光光线线照照射射，胶胶膜膜不不参参加加光光化化学学反反应应，仍仍是是水水溶溶性性。摄摄影影底底片片上上透透光光部部分分，因因为为参参加加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，使使未未感感光胶膜用水冲洗掉，使胶膜展现出清楚图像。光胶膜用水冲洗掉，使胶膜展现出清楚图像。第第17页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术摄影制版曝光、显影示意图摄影制版曝光、显影示意图18为为提提升升显显影影后后胶胶膜膜抗抗蚀蚀性性，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，类似于普通摄影感光显影后定影处理。类似于普通摄影感光显影后定影处理。第第18页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术（4 4）固化）固化19 经经过过感感光光坚坚膜膜后后胶胶膜膜，抗抗蚀蚀能能力力仍仍不不强强，必必须须深深入入固固化化。聚聚乙乙烯烯酵酵胶胶普普通通在在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相相关关，微微晶晶锌锌版版固固化化温温度度不不超超出出200摄摄氏氏度度，铜铜版版固固化化温温度度不不超超出出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化，丧失了抗蚀能力。碳化，丧失了抗蚀能力。第第19页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术（5 5）腐蚀）腐蚀20 经经固固膜膜后后金金属属版版，放放在在腐腐蚀蚀液液中中进进行行腐腐蚀蚀，即即可可取得所需图像。取得所需图像。第第20页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术钻蚀钻蚀添加保护剂采取专用腐蚀装置添加保护剂采取专用腐蚀装置形成一定腐蚀坡度形成一定腐蚀坡度第第21页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术侧壁保护腐蚀机理第第22页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术 比比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主要成份组成。等主要成份组成。腐腐蚀蚀铜铜版版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，可起到保护侧壁作用。可起到保护侧壁作用。腐蚀坡度形成原理第第23页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术 另另一一个个保保护护侧侧壁壁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作作用用。此此法法需需重重复复许许屡屡次次才才能能腐腐蚀蚀到到所所要要求求深深度度，操操作作比比较较费费事事，但设备要求简单。但设备要求简单。有粉腐蚀法有粉腐蚀法第第24页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术2.2.光刻加工原理和工艺光刻加工原理和工艺(1(1）光刻加工原理、特点和应用范围）光刻加工原理、特点和应用范围光刻是利用光致抗蚀剂光化学反应特点，将掩膜版上光刻是利用光致抗蚀剂光化学反应特点，将掩膜版上图形准确印制在涂有光致抗蚀剂衬底表面，再利用光图形准确印制在涂有光致抗蚀剂衬底表面，再利用光致抗蚀剂耐腐蚀特征，对衬底表面进行腐蚀，可取得致抗蚀剂耐腐蚀特征，对衬底表面进行腐蚀，可取得极为复杂精细图形。极为复杂精细图形。光刻精度极高，尺寸精度可达光刻精度极高，尺寸精度可达0.010.010.005mm0.005mm，是半导，是半导体器件和集成电路制造中关键工艺之一。体器件和集成电路制造中关键工艺之一。利用光刻原理还可制造一些精密产品零部件，如刻线利用光刻原理还可制造一些精密产品零部件，如刻线尺、刻度盘、光栅、细孔金属网板、电路布线板、晶尺、刻度盘、光栅、细孔金属网板、电路布线板、晶闸管元件等。闸管元件等。第第25页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术(2(2）光刻工艺过程）光刻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第26页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术1)1)原图和掩模版制备原图和掩模版制备 原图制备首先在透明或半透明聚脂基板上，原图制备首先在透明或半透明聚脂基板上，涂覆一层醋酸乙烯树脂系红色可剥性薄膜，然涂覆一层醋酸乙烯树脂系红色可剥性薄膜，然后把所需图形按一定百分比放大几倍至几百倍，后把所需图形按一定百分比放大几倍至几百倍，用绘图机刻制可剥性薄膜，把不需要部分薄膜用绘图机刻制可剥性薄膜，把不需要部分薄膜剥掉，制成原图。剥掉，制成原图。第第27页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术掩膜版制备掩膜版制备在半导体集成电路光刻中，为了取得准确掩膜在半导体集成电路光刻中，为了取得准确掩膜版，需要先利用初缩摄影机把原图缩小制成初缩版版，需要先利用初缩摄影机把原图缩小制成初缩版然后采取分步重复摄影机将初缩版精缩，使图形深然后采取分步重复摄影机将初缩版精缩，使图形深入缩小，从而取得尺寸准确摄影底版。再把摄影底入缩小，从而取得尺寸准确摄影底版。再把摄影底版用接触复印法，将图形印制到涂有光刻胶高纯度版用接触复印法，将图形印制到涂有光刻胶高纯度铬薄膜板上，经过腐蚀，即取得金属薄膜图形掩膜铬薄膜板上，经过腐蚀，即取得金属薄膜图形掩膜版。版。第第28页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术 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基基础础，它它是是一一个个对对光光敏敏感感高高分分子子溶溶液液。依依据据其其光光化化学学特特点点，可可分分为为正正性和负性两类。性和负性两类。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抗抗蚀蚀涂涂层层一一类类光光致致抗抗蚀蚀剂剂，称称为正性光致抗蚀剂，反之则为负性光致抗蚀剂。为正性光致抗蚀剂，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惯惯用用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-二迭氮系二迭氮系(正性正性)等。等。第第29页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术3)3)曝光曝光 曝曝光光光光源源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，普普通采取紫外光，其波长约通采取紫外光，其波长约0.4m0.4m。曝曝光光方方式式惯惯用用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。另另一一个个曝曝光光方方式式是是采采取取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底表面直接接触。衬底表面直接接触。伴伴随随电电子子工工业业发发展展，对对精精度度要要求求更更高高精精细细图图形形进进行行光光刻刻时时，其其最最细细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，需需采采取取电电子子束束、离离子子束束或或x x射射线线等等曝曝光光新技术。电子束曝光能够刻出宽度为新技术。电子束曝光能够刻出宽度为0.25m0.25m细线条。细线条。第第30页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术4)4)腐蚀腐蚀 不一样光刻材料需采取不一样腐蚀液。腐蚀不一样光刻材料需采取不一样腐蚀液。腐蚀方法有各种，如化学腐蚀、电解腐蚀、离子腐蚀方法有各种，如化学腐蚀、电解腐蚀、离子腐蚀等，其中惯用是化学腐蚀法。即采取化学溶液对等，其中惯用是化学腐蚀法。即采取化学溶液对带有光致抗蚀剂层衬底表面进行腐蚀。带有光致抗蚀剂层衬底表面进行腐蚀。第第31页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术5)5)去胶去胶 为去除腐蚀后残留在衬底表面抗蚀胶膜，为去除腐蚀后残留在衬底表面抗蚀胶膜，可采取氧化去胶法，即使用强氧化剂可采取氧化去胶法，即使用强氧化剂(如硫如硫酸酸-过氧化氢混合液等过氧化氢混合液等)，将胶膜氧化破坏而，将胶膜氧化破坏而去除。也可采取丙酮，甲苯等有机溶剂去胶。去除。也可采取丙酮，甲苯等有机溶剂去胶。第第32页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术光化学蚀刻样件33http:/ 化化学学镀镀膜膜目目标标是是在在金金属属或或非非金金属属表表面面镀镀上上一一层层金金属属，起起装装饰饰、防防腐腐蚀蚀或或导导电电等等作用。作用。1.1.化学镀膜原理和特点化学镀膜原理和特点2.2.化学镀膜工艺关键点及应用化学镀膜工艺关键点及应用第第40页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术1.1.化学镀膜原理和特点化学镀膜原理和特点 其其原原理理是是在在含含金金属属盐盐溶溶液液镀镀液液中中加加入入一一个个化化学学还还原原剂剂，将将镀镀液液中中金金属属离离子子还还原原后后沉沉积积在在被被镀镀零件表面。零件表面。其其特特点点是是：有有很很好好均均镀镀能能力力，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主主要要；被被镀镀工工件件可可为为任任何何材材料料，包包含含非非导导体体如如玻玻璃璃、陶陶瓷瓷、塑塑料料等等；不不需需电电源源，设设备备简简单单；镀镀液液普普通通可可连连续续、再再生生使使用。用。第第41页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术2.2.化学镀膜工艺关键点及应用化学镀膜工艺关键点及应用 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，也也有有选选取取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。对对特特定定金金属属，需需选选取取特特定定还还原原剂剂。镀镀液液成成份份、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。镀镀前前还还应应对对工工件件表表面面进进行行除除油油、去去锈锈等等净化处理。净化处理。应应用用最最广广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表表面面用用化化学学镀镀镀镀上上很薄一层银或铜作为导电层和脱模之用。很薄一层银或铜作为导电层和脱模之用。第第42页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术化学镀样件43第第43页页