电铸工艺技术课件.pptx

1、電鑄加工光蝕加工 電化學加工 電鑄加工電鑄原理在電解液中，使陰陽兩極相向通電，陽極部會發生電解溶出，這可用於電解研磨、電解研削、電解加工等電化學去除加工。在陰極部發生金屬離子放電而電著，此稱電鑄（Electroforming）或電鍍(Electroplating)。電鑄加工過程設設計計圖圖面面工模設工模設計與母計與母模設計模設計離模處理離模處理導體化處理導體化處理細修細修檢查檢查剝離剝離電著電著完成圖完成圖不導體母模場合不導體母模場合導體母模場合導體母模場合反轉電鍍反轉電鍍母模種類（a）耐久母模：這是對表面實行離模處理，可從母模剝離多次而用的母模。（b）消耗母模：這是每次電鑄，破壞母模而得電鑄

2、品。（c）其他母模：剝離時，表面會變化，所以使用次數比耐久模少。母模的表面處理1.導體化處理：賦予導體性的方法有塗佈石墨或金屬粉，濺散蒸著、無電解鍍金的化學方法。2.離模處理：在表面形成金屬還原皮膜或石墨塗膜，可使母模有導電性，也容易剝離電著金屬。處理方法有機械式與化學式兩種。電鑄性質 電鑄使用的金屬種類取決於各種要因，最重要的是硬度、抗拉強度、延性等機械性質，若選擇適當的金屬，可得到極廣泛的硬度及伸長度。最常用的金屬為銅、鎳、鐵等。電鑄浴種類與電鑄品機械性質電鑄鎳浴種類(I)1.瓦特鍍浴（瓦特鍍浴（Watts Bath）：）：主要以硫酸鎳（N i S O47 H2O）、氯 化 鎳（NiCl2

3、 6H2O）、硼酸（H3BO3）所組成，而目前大多數使用的鍍鎳液只以瓦特鍍液為基礎而稍加修改。2.胺基磺酸鹽鍍鎳浴：胺基磺酸鹽鍍鎳浴：胺基磺酸鎳由於具有較佳的沈積速率和較低的內應力，所以較常被使用在電鑄及功能性鍍鎳上。電鑄鎳浴種類(II)3.氟硼酸鹽鍍鎳浴：氟硼酸鹽鍍鎳浴：氟硼酸鹽鍍鎳鍍液中的金屬離子含量高，金屬沈積速度快，而其鍍層性質與瓦特鍍浴相似，目前由於鍍浴的腐蝕性強且成本高，所以應用上並不普遍，只用在厚鍍及電鑄上。4.全硫酸鹽鍍鎳浴：全硫酸鹽鍍鎳浴：此鍍液中不含氯化物僅添加幾乎等量的硫酸鎳與硼酸，用於不溶性陽極的場合，鍍液不會腐蝕電解時亦不會產生氯氣。主要應用在細長管子的內壁電鍍。電鑄

4、鎳浴種類(III)5.氯化物鍍鎳浴：氯化物鍍鎳浴：氯化物鍍鎳鍍液其導電高及分散能力佳，鍍層結晶細緻、平滑、硬度高，但由於其鍍層應力過大和鍍液腐蝕力強，所以目前使用不廣泛。電鑄方式1.複合電鍍複合電鍍：在傳統電解液的電鍍技術上，衍生以電鍍的方式將導體或非導體的微粒及金屬共沈積在基材上，所製成的複合鍍層，因功能上的需求，可使其具有增加導電性、抗磨耗、潤滑等特性。2.合金電鍍合金電鍍：在陰極上同時沈積兩種金屬，這種電鍍和以微量金屬鹽作為光澤劑所得到的光澤鍍層大大不同。光澤電鍍所含異種金屬鹽甚少，但合金電鍍則較多。電鑄浴控制參數1.鍍液組成：鍍液組成：一般鍍液的成分組成對鍍層有直接的影響。2.電流密度

5、：電流密度：電流密度增加金屬鍍層較活潑金屬的含量，這是因為隨著電流密度增加使陰極電位趨向負向，從而有利於還原電位更負的金屬離子電沈積。3.溫度：溫度：提高溫度能增加金屬鍍層較不活潑金屬的含量。電鑄浴控制參數4.pH值：值：pH值的變化將影響鍍液中錯合物的組成及其穩定性，且還顯著影響某些特殊合金鍍層如鎳鐵合金的物理性質。5.攪拌效應：攪拌效應：加強對流可以增加合金鍍層中較不活潑的金屬質傳數量。攪拌將減少了擴散層的厚度，使陰極過電位降低，有利於還原電位比較正的金屬離子電沈積。電鑄加工優點1.電鑄品的機械性質容易調整，例如硬度、抗拉強度等等。2.可減小與母模之誤差，加工精度高，公差可達 2.5 m。

6、3.加工面極良好，可得約0.2 mHm的加工面粗糙度。4.形狀無限制、尺寸無限制。5.適合製作一個或量產。電鑄加工缺點1.電著速度慢，生產時間比其他方法長，塑膠成形用模具的電鑄有時需2-3週。2.很難對母模全面電著均勻厚度，特別是銳角或深凹部等的電著厚度不均勻。3.電鑄加工的對象金屬種類有限。4.可忠實複製外形或模樣，所以母模上的小傷痕也會再生，這是優點也是缺點。5.可用其他方法量產者若用電鑄法，成本較高。電鑄未來發展由於電鑄的缺點已經敘述詳細，目前所要解決的問題如下：增加電鑄速度，以節省更多時間與金錢，進而或得更多效率。開發更新的複合電鑄，以得到更多性質的材料。光蝕工程光蝕刻加工示意圖Pho

7、to-Mask製作1.製作放大原圖（Art work）(1)放大到數倍至數百倍，(2)Stripping film或Cut and peel film透明的塑膠膜上形成醋酸乙烯系易剝離的著色層。利用Blade或Laser將film切割成任意大小的線或使film曝光現象作成放大原圖。(3)線寬B須考慮側蝕的補正 B=（b+t）：放大倍率。b：線寬。：側蝕率0.4-0.8。t：零件厚度。Photo-Mask製作2.照相工程（Camera work）(1)將放大原圖以縮小照相機縮小到原尺寸而成原版，再將複製很多原尺寸規則排列殖版（step and repeat）。(2)圖案最小線寬及線間受限於：照相

8、系統的合解像力K（條/mm）1/K=1/M+1/L M：透鏡的解像力（條/mm）。L：乾板乳劑的解像力。Photo-Mask製作3.光罩種類光罩種類 (1)乳劑光罩：乳劑光罩：照相乾板的銀鹽乳劑中間原圖照相製板可用里斯型感光材料最終縮小可用超微粒子李普曼型乳劑高解像乾板。(2)硬罩（硬罩（Hard mask-Cr mask）：）：使用光蝕刻法製作Cr mask，有on-off性與lift-off性。光阻(Photo-resist)負型（Negative resist）-感光部分不溶於現象液，使用負像光罩。正型（Positive resist）-感光部分溶於現象液，使用正像光罩。光蝕刻與光電鑄工

9、程對比正負光阻特性比較光阻膜形成法1.浸澤法（Dip coating）。2.流塗法（Flow coating）。3.Spinner coating：200-700rpm，膜薄均勻。4.Spray coating5.Roller coating曝光1.真空密著曝光（Wafer Aligner）(接觸式曝光法)光源富紫外線的碳弧燈，超高壓水銀燈。曝光時間過多；滲光部分增加。過少；膜硬化不足則膜會浮上 或流失。生產性高：操作簡單，但光罩易受傷。接觸式曝光法接觸式曝光中晶圓與光罩只分隔不到數微米的間隔來做對準。由於光罩和光阻的緊密接觸，光罩表面將沾黏光阻的微粒而降低光罩的壽命和積體電路的良率。曝光2.

10、非接觸式曝光 接近法用補正板使用光罩及光阻間5-10m，進行曝光，解像力不如密著曝光。投影曝光利用焦點深度身的透鏡曝光。光束掃描曝光不須光罩，直接利用光束 掃描圖案於光阻上。近接式曝光法 此法改良了接觸式，將光罩和光阻分開一段距離。但是由於曝光的間隔，容易造成繞射效應而使圖案轉移的解析度變差，所以此種方法不適合目前次微米製程。投影式曝光法 利用投影的方式將圖案轉移到光阻上面。通常先把圖案放大(約5倍或10倍)，利用光學鏡片聚焦再投影，此法缺點整個材料必須經過數十次曝光才能完成。曝光3.電子束曝光可直接製作硬罩 試映圖式掃到圖形時則電子束ON。向量式只掃到有圖形，無圖形不必掃描。特色：波長數。電

11、子束經受於其電流，可得0.1 m。焦點達10 m。掃描型不需光罩。曝光4.X光曝光軟X光4-20 波長。光繞射小，則光罩與光阻膜不必像紫外線的密著。靶：Al(8.3)、Rh(4.6)、Cu(13.3)光罩的基板材料：Si鍺氧化鋁、mylar等膜。5.遠紫外線曝光2000-2600波長。Xe-Hg電弧燈。現象方法：(1)浸漬法把材料浸入裝有現像液裡面。(2)噴液法以噴嘴把現像液噴向材料面而 現像。(3)蒸汽法使用低沸點三氯乙烯類加熱成 蒸汽。現象1.水溶性光阻：如重鉻酸系只乾燥則耐蝕性差，需加熱到100-150 而Burning使膜高分子化、架橋化以增加耐蝕性及附著力。2.溶劑型光阻：則進行Po

12、st-baking，可除去殘留溶劑及增高附著性。濕蝕刻 方式：(1)浸漬法腐蝕液、溫度、攪拌方式。(2)噴霧法 (3)電解蝕刻 蝕刻液種類：強酸、強氧化劑、氟化物、界面活性劑、起泡率、濡濕性、蝕刻率均勻性。濕蝕刻 加工形狀：等方性蝕刻 Side etch or under cut側蝕量隨加工 深度而增大。S=(W2-W1)/2；腐蝕係數：f=d/s=2d/(W2-W1)濕蝕刻 異方性蝕刻：Si-HF+HNO3+CH3COOH等方向性。-用氧化劑(銨、KOH等)螯合劑(異丙醇、Pyrocatechol等)水等組合 異方性蝕刻100方向蝕刻快。111方向蝕刻慢。選擇性蝕刻 乾蝕刻IC、LSI應用1

13、.遮蔽罩彩色TV用受像管。版厚0.1-0.18mm軟鋼上開孔徑250 m，間距650 m。1430萬個孔。2660萬個孔以上。2.印刷電路板。3.半導體。4.化學切削。電化學加工電化學加工原理 工具（陽極）與被加工物（陰極）之兩極間隙均為0.02-0.7mm，經電解液通電（5-20V、30-200A/cm2）將工件電解溶出與工具形狀一致的反轉外型之加工。又 稱 電 解 加 工（Electro-Chemical-Machining）。電化學加工原理 例如:（+）工件 Fe Fe+2+2e-（-）工具 2Na+2H2O+2e 2NaOH+H2 Fe+2+2Cl-FeCl2 FeCl2+2NaOH

14、2Na+2Cl-+Fe（OH)2 Fe+2H2O Fe（OH)2+H2（gas）氫氣發生 於陰極工具上or4Fe（OH)2+2H2O+O2 4Fe（OH)3 淤渣。電化學加工原理 當電流大、加工間隙極小，電解液易被急速加熱至沸騰，則電流流通不均勻，因此，電解液的 （i）流速（6-60m/sec）。（ii）噴出口形狀、尺寸、個數、位置等，使使電解生成物、液升溫等適當消除。電解加工-加工速度 法拉第定律：電解溶出1g當量元素所需電量為F庫倫。通IA電流、t sec溶出元素量為Wg：It=W*n F/M n:原子價 M:原子量計算公式 溶出量溶出量 W：W MIt/nF 除去理論體積除去理論體積Vo

15、 Vo MIt/nFVsIt 元素密度 Vs比加工體積（mm3/A*min）實際除去理論體積實際除去理論體積 V：V Vo MIt/nF VsIt 電流效率電解液功能1.工具陰極不發生電著，以高電流效率電解溶出陽極。2.從加工間隙除去電解生成物。3.除去加工中發生的熱。電解液特色1.不發生使被加工物表面不動態化的不溶解生成物，Cl-、SO4較適合。2.陽離子不電著於工具上，Na+、K+、H+較適當。3.電導度高、黏度低。4.腐蝕性少、無毒性、廉價、亦購得。電解液種類1.中性鹽溶液：中性鹽溶液：以NaCl水溶液（食鹽水）為主，食鹽水不拘電流密度大小，對大部分材料都可以得到100的電流效率，但加工

16、精度差。2.酸溶液：酸溶液：以HCl之類稀酸溶液，用於加工深孔效果很好。3.鹼溶液：鹼溶液：對大部分金屬不能用鹼溶液，。因為會藉著陽極氧化變成氧化物，但W、Mo藉NAOH使之成氧化物，成鎢酸、鉬酸而陽極溶出。電解加工優點1.加工速度與工件材料硬度、韌性無關。2.工具電極全無消耗。3.加工速度快，電流密度大則加工速度快。4.能加工複雜外形，不生毛屑。5.無熱作用及機械力，加工面部發生應力、應變及變質層。6.鏡面加工。電解加工缺點1.電解液有腐蝕性。2.電解生成物難處理。3.加工電極難製作。4.加工精度不佳、間隙不易控制。電解加工的應用1.電解開孔。2.電解凹部加工（Die cavity，sinking）。3.成形加工（Shaping）。4.切斷。5.電解研削。電解研削用砂輪1.石墨砂輪：石墨砂輪：旋轉不含磨料的石墨砂輪，取代砂輪，石墨輪不與工件接觸，可視為電解加工變形。2.鑽石砂輪：鑽石砂輪：以鑽石為磨料，連同金屬結合材燒，或藉電著金屬把鑽石磨料保持於金屬輪表面。3.加磨料的導電砂輪：加磨料的導電砂輪：以石墨或金屬燒結氧化鋁、碳化矽之類磨料，可做成各種組合。電解總形研削的工程