急求一篇 表面技术与先进制造业关系 的论文

【专家解说】：材  料  表  面  工  程  撰稿 :林光隆 绘图 :钟明锦成功大学 材料科学及工程学系一、简介材料表面工程相关技术1. 表面分析,特性描述如光学显微镜，扫瞄式电子显微镜，X光绕射，原子力显微镜，欧杰电子光谱，化学分析电子光谱（或称X光电子光谱）。2. 性能,功能研究如微硬度，腐蚀，磨耗，电性，旋光性质，电磁性质等。3. 表面工程(制程技术)本课程讨论是以表面工程技术为主。表面工程技术分类表面工程可分为个别制程，且其表面仅具单一功能或性能，以及整合制程，且其表面具多种功能或性能。表面工程以技术原理区分可分类如下：1. 机械方法研磨, 拋光,布磨；喷砂-砂粒喷砂；压接；机械式镀锌；珠击2. 热能方法热浸镀（锌，铝锌，铝）；焊锡(在引线架上)；扩散被覆；热熔射；雷射处理；渗碳；渗氮；电浆转换电弧3. 化学方法化学蚀刻；脱脂；化成皮膜处理(如磷酸盐皮膜)；无电镀；溶胶－凝胶法；4. 电化学方法电拋光；电镀；电铸；阳极处理5. 真空方法化学气相沉积－加热式，电浆辅助式，有机金属式；物理气相沉积（离子镀，溅镀，蒸镀）；离子布植；氮化法；碳化法6. 物理方法油漆；烤漆表面工程功能与目的﹕简言之，表面工程的功能与目的为增进基材特殊的性质，以赋予其原不具有之性能或延长使用寿命，大致如下：1. 抗腐蚀/氧化l飞机蒙皮(铝合金)-阳极处理；汽车车身板金(钢材)-热浸镀锌，电镀锌，上涂料；船的甲板(钢材)-热熔射，上涂料；建筑物-如桥梁，电塔可使用热浸镀锌与上涂料等方式；个人计算机机壳-热浸镀锌，电镀锌，上涂料；石化输油管线-覆盖披覆；2. 耐磨耗－硬铬，氮化钛，离子氮化，渗碳氮化，钻石薄膜，雷射表面处理l轴承；轴心；钻孔切割工具；硬盘3. 光学性质l建筑用窗框；光学玻璃；单色光；相机机身，显示器4. 磁性l记录媒体；光盘；硬盘5. 导电性l半导体电路；联接导线；微电子金属化制程6. 装饰l装饰品；眼镜；手表7. 热传导性/热传阻抗－黑镍，黑铬，氧化锆l  涡轮叶片热阻层l  太阳能电池吸热层8. 机械寿命l  疲劳寿命9. 制造、加工l  电铸，微机电表面工程技术选用考量因素选择表面工程技术以进行材料表面改质有诸多考虑因素，如下所述：1. 材料（涂布,析镀,沉积,即是指表面覆盖）之可应用性－单一/多种材料* 这是主要的考量因素*参考表面工程的功能与目的－ 腐蚀寿命：在使用环境下的腐蚀速率－ 磨耗寿命：使用条件下的磨耗速率－ 疲劳寿命：应力作用下的寿命周期，热疲劳的寿命周期（热膨胀系数差异所造成）－ 光学性质：亮度的需求，反射率的需求－ 磁旋光性质：信号/噪声比－ 导电性：电阻率－ 装饰：颜色，视觉效果－ 热传导/阻抗：热传导性－ 制造：可加工性2. 基材适性－温度；例如不均匀结构的薄板金属片不适用于热浸镀锌－活性；钝性的基材须要适当的前处理，活性极佳的基材，如钛，不易施以电镀－机械强度;热熔射会使薄件产生变形3. 技术的可行性－ 热熔射通常需要表面粗度大的基材，不适用于陶瓷基材－ 化学汽相沉积需要气相的化学药品以及真空处理－ 物理汽相沉积会因工作腔室的空间而限制了试样的尺寸与形状－ 电镀通常会因拋镀力差而使均匀性变差4. 经济因素需要考虑初成本与长时间的保固成本，特别是建筑物的结构可能影响成本的因素：镀层的材料，化学药品的来源，制程的困难度，市场占有率等5. 单一技术/技术整合单一技术—纯金属，合金或混合析镀的单一镀层技术整合-如多层镀层，连续处理可选用之表面工程技术表面工程技术种类繁多，前节曾依技术原理分类，下述则依功能分类，并列出相关可能应用之技术(I) 一般的前处理I-1 机械法1. 喷砂(砂粒喷砂)；2. 研磨/布磨/拋光I-2 化学法1. 脱脂；2. 酸洗I-3 电化学法1. 电拋光；2. 电解清洗I-4 干式1. 电浆蚀刻；2. 离子蚀刻(II) 耐蚀性覆层/改质II-1 锌覆层1. 热浸镀锌；2. 电镀；3. 热熔射II-2 铝覆层1. 热熔射；2. 扩散涂层；3. 热浸镀II-3 镍覆层1. 热熔射；2. 电镀；3. 无电镀II-4 涂料1. 有机涂料；2. 富锌无机涂料II-5 化成皮膜1. 阳极处理；2. 铬酸盐皮膜处理；3. 磷酸盐皮膜处理(III) 磨耗/装饰涂层III-1 复合镀层1. 电弧转换电浆；2. 镍/陶瓷复合电镀；3. 无电镀镍/陶瓷或铁氟龙（PTFE），镀钻石膜4. 雷射覆盖III-2 陶瓷复层：氧化物，碳化物，氮化物，钻石膜1. 热熔射；2. 化学气相沉积；3. 物理气相沉积－溅镀，离子镀，电浆电弧III-3 硬铬1. 电镀III-4 无电镀镍1. 无电镀析镀III-5 表面硬化1. 渗碳法；2. 渗氮法；3. 雷射处理III-6 装饰用/光学的1. 热浸镀锌发色；2. 铝阳极处理；3. 不锈钢发色(IV) 覆层/改质在电性上的应用IV-1 电子的－氧化物；IrO2，PdO2等1. 电镀2. 热分解IV-2 太阳能电池－硫化物1. 电镀(V) 电子的覆层V-1 聚亚醯铵介电质1. 旋转涂布V-2 铜导线－印刷电路板1. 电镀V-3 焊锡导线－印刷电路板1. 电镀；2. 波焊V-4 焊锡球－覆晶接合，卷带式自动接合1. 电镀；2. 蒸镀（物理气相沉积）；3. 浸镀焊锡V-5 黄金隆点（或称凸块）1. 电镀V-6 铝导线，铝垫1. 蒸镀（物理气相沉积）V-7 隆点底层金属，电极金属1. 电镀；2. 溅镀；3. 无电镀V-8 微影膜1. 印刷制程V-9 半导体1. 有机金属化学气相蒸镀（VI） 生物医学所使用的涂层/薄膜/改质VI-1 氢氧基磷灰石1. 热熔射VI-2 复合析镀－牙齿研磨机1. 电镀二、一般前处理 (General Pretreatment)前处理大抵是所有表面工程技术生产流程的第一步骤（如下流程所述），本单元叙述各种的处理技术，并不针对特定镀层技术所需讨论。基材à前处理à覆盖表层à机械前处理à化学前处理à覆盖表层à刷磨，喷砂à研磨，布磨à拋光，珠击à脱脂à酸洗à覆盖表层前处理的主要目的与功能一般而言，前处理主要目的包括： (1) 清洁表面清除附着在基材表面的杂质，键结化合物，瑕庛等。 (2) 表面活化/敏化活化基材表面或使钝性基材敏感化。经各种前处理之后，所发挥的主要功能为增加附着强度，即增加覆层(涂布，析镀，沉积)与基材间的附着强度。以下即叙述各种前处理技术1. 机械法 (Mechanical Pretreatment)1.1 喷砂 (Abrasive Blasting)操作—利用水或空气将砂粒喷出，以击打对象的表面。湿式喷砂—将砂粒与水溶液混合以喷砂的方法。            主要应用在：l     需要精细处理的工件表面l     易燃的环境，如管线或是储油槽干式喷砂—主要应用在大量的处理l       清除键结较强的化合物如：铁锈，厚的油漆或泥土 l       清除深埋的铸砂 l       清除钻孔机，铸件与切割产品的毛边 l       使对象表面粗糙以增加后续覆层的附着强度如热熔射镀层 1.2 砂粒 （Abrasives ）砂粒 — 金属或非金属的微小颗粒，用于撞击对象表面金属：(a) 钢珠：圆形的钢球或是铝线，钢线，钢球的大小约0.1424    ~2.82mm，金属线约0.51~1.54mm(b) 角粒：不规则形状的锐角，硬度为HRC45，56，或65，大小约0.043~2.82mm非金属： (a) 硅砂 (b) 金钢砂 (c) 玻璃珠1.3 刷磨/ 研磨/布磨/拋光 (Brushing/Grinding/Buffing/Polishing)除了刷磨外，其余多用以处理较干净的工件表面。1.3.1 布磨、带磨、拋光 (Buffing, Belt Grinding, Polishing)应用在大型的工件操作：将布包裹滚轮或是将角粒(碳化硅)黏于皮带上，应用于表面平整处理或是最后的处理。 1.3.2 刷磨(Brushing) 利用钢刷或钢棉作表面平整处理，应用在大型的工件。1.4 大量研磨/拋光 (Mass finishing)应用在量多的小型工件，无法使用于局部面积处理。1.4.1 滚磨、拋光（Barrel Tumbling, Polishing）应用在量多的小型零件 操作：将对象与角粒放入滚桶中作研磨与拋光。1.4.2 振动拋光(Vibratory Polishing)类似滚桶拋光，但是将转动改为振动1.5 珠击（ shot peening）增加金属的疲劳寿命并预防应力腐蚀的冷加工制程操作：利用钢球撞击对象表面作用：每个撞击的动作就像极小的铁锤在敲打，藉以增加表层的压缩应力，使表层的疲劳寿命增加与减少应力腐蚀的破坏机制。可能产生的压缩应力约是材料最大抗拉强度的一半。例子：l     汽车所使用的弹簧l     轴心与轮轴，传动带，连杆l     硬度在Rc50以上的钢材(抗拉强度在250000psi以上，如飞机的齿轮)l     镀铬前使用珠击法l     无电镀镍析镀前使用珠击法l     曲柄轴与焊接的热效应区2. 化学法 (Chemical Pretreatment)    利用化学反应清除表面的污染物    污染物包括：                i) 油脂：产生于其它机械的接触或是抗腐蚀/氧化的保护层               ii) 化合物：化学成分产生反应或氧化2.1 脱脂 (Degreasing)目的：清除表面吸附的油脂脱脂方法(Types of Process)2.1.1 高温氧化，如燃烧l       在200~400℃的高温下，碳氢化合物会生成二氧化碳或水蒸气而蒸发；蒸发可避免氧化时所产生的碳化物。操作：将对象曝露在高温，含有保护气氛的通风环境下进行脱脂。应用例子：连续式热浸镀锌，电镀2.1.2 有机溶剂脱脂l  许多油脂可溶于脂肪族酯类的有机溶剂中 (低闪点使用于冷脱脂如煤油，石油脂)或是含氯的碳氢化合物溶剂(无闪点使用于冷脱脂或蒸气脱脂，如二氯甲烷，四氯乙烯，三氯乙烯，1,1,1,-三氯乙烷，三氯氟乙烷(CFC)).这些溶剂都有极性，且有高蒸气压，故易造成空气污染。应用：初始的脱脂，因为有些溶剂会再吸附于对象表面操作：利用浸泡或是蒸气清洗的方法 2.1.3碱洗脱脂 l在较高温的条件下，油脂会与碱性的溶液产生皂化反应。一般使用的碱性溶液包含：氢氧化钠，碳酸钠，碳酸氢钠，硫酸钠，亚磷酸钠。操作：在70-80℃的温度下使用碱性水溶液进行碱洗，有时会加入适 当的添加剂。应用场合：i) 有机化合物可能会破坏对象，或是有空气污染与经济效应顾虑。ii) 一些氧化物，如三氧化二铝亦会溶于碱性溶液，因此碱性水溶液可清洗表面达到清洁的效果。特别注意的问题：化学药品有可能会破坏对象表面，故要依对象材料的不同来选择碱洗的溶液。例如，高浓度的氢氧化钠只适用于钢材，有时亦会添加硅酸钠或其它适当的抑制剂，以避免对象表面受到严重的破坏。另外，锌或铝的合金最常使用的碱洗溶液是碳酸钠或碳酸氢钠。2.1.4 电碱洗脱脂：在脱脂的碱洗溶液中有时会加入电解质形成电解液，使对象在阳极/阴极发生气泡生成反应以产生搅拌去除附着性较强的油脂，如碳钢的电解液成分如下：55 g/l 氢氧化钠，18 g/l 碳酸氢钠， 6 g/l 磷酸钠， 1 g/l琥珀酸，对象放在阳极，电流密度为10 A/dm22.2 酸洗 (Pickling, Acidic cleaning, Etching)目的：清除表面的氧化物，碳化物或其它的化合物，如铁锈。应用：电路制程时蚀刻金属，析镀前塑料蚀刻操作：将对象含浸在适当的无机酸水溶液中，常在脱脂后使用酸洗。2H+ + MO à H2O + M+22H+ + MCO3 à M+2 + H2O + CO2特别注意的问题：化学药品的添加会影响酸洗的效能，而有些钝化膜需要强酸来蚀刻。加入适当的添加剂可避免过蚀刻如：硫尿，有机酸，铵等。经酸洗后的对象须用水(最好是去离子水)清洗，以完全清除所吸附的酸。范例：                   钢铁 碳钢：5~20%硫酸                              5~20%盐酸                              抑制剂                   不锈钢：用10%硫酸加10%盐酸酸洗                   接着再用10%硝酸加10%氢氟酸                   铝﹔铝合金：1~2%氢氟酸                       10~30%硝酸                   铝镁合金：用15%硫酸酸洗                             接着用5%氢氧化钠                      最后用50%硝酸                   镍合金：英高镍（Inconel）－硫酸﹕酒石酸钠 = 1﹕1蒙镍（Monel）－盐酸﹕氯化铜﹕水 = 1﹕1﹕2塑料蚀刻：塑性镀层的功能：1. 使塑料表面强化2. 防止塑料过热，受光老化，风化3. 耐磨耗4. 避免静电产生可析镀的塑料：丙烯睛－丁二烯－苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）聚丙烯（Polypropylene，PP）聚氧化亚苯（Polyphenylene Oxide，PPO）聚多芳基酯（Polyaryl Ether ，PAE）蚀刻作用：蚀刻出分子产生微小裂纹，使金属层与塑料有”钉住”的效果。例如，对于丙烯睛-丁二烯-苯乙烯(ABS)，1 µm的丁二烯分子(或塑料分子 )在丙烯睛苯乙烯中分解。塑料的蚀刻溶液：1.丙烯睛－丁二烯－苯乙烯，聚烯化亚苯，聚多芳基醚可使 用高浓度的铬酸水溶液2.聚丙烯可使 用低浓度的铬酸水溶液例如：丙烯睛－丁二烯－苯乙烯可使用硫酸180ml/l，铬酸430 g/l，添加剂与在65℃下含浸5分钟聚丙烯可使用硫酸390 ml/l，磷酸425 ml/l，铬酸40   g/l，与添加剂在85℃下含浸15分钟