目前分類:EMAG ECM - Electro-Chemical Machining 電解拋光, 電化學加工技術, 電解去毛刺 (7)

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  • 可用於去除鑄件的皮膚和提亮和拋光複雜的零件,如凹槽內
 
珠寶拋光時的速度和拋光的質量是兩個主要標準。 
 

電解拋光

電解拋光是利用電流的外部源的金屬工件的電化學材料去除過程。它是用來拋光,鈍化和de-burr表面。
在此過程中,材料從工件(陽極),它被浸入在電解質特別適用於這種特定的金屬,從而大大降低了表面粗糙度除去。
 
電解拋光的優點是:
  • 金屬性的純面
  • 對晶體結構沒有影響
  • 腐蝕耐改進
  • (永久)表面光澤

 

 
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近幾年來,台灣的半導體產業產值在全球已佔有相當比例,成為台灣生產結構的重心,但是在半導體設備方面,因發展歷程較短,對於技術層面較高、產值較大的半導體前段製程設備及關鍵零組件,幾乎完全仰賴進口,無法自行生產。經由專家學者分析後了解,此段製程設備中關鍵零組件附加價值雖比系統設備低,但其所需的製造技術較接近我國相關產業目前的技術水準,其中又以氣體供應系統之關鍵零組件,包含各類閥件、接頭、管件、泵浦、真空腔體等,其具有用量大、汰換率高、單價高、市場龐大等優點,適合作為發展的踏板。半導體製程設備的構造材料,考量耐蝕性、強度、加工性,以不銹鋼最為廣泛使用。然而經過熱壓延後的素材表面,成形後含有複雜的雜質與介化合物的變質層,且覆蓋一層多孔性的氧化層,表層的晶界易被腐蝕,因而發生局部侵蝕,晶界的隙縫中會殘留氣體或液體而形成死區(dead zone),形成水分或氣體的吸附區,也是較易附著金屬微粒的原因,為了減少這些表面缺陷層、加工變質層,且表面粗度要盡可能變小,並且在表面覆蓋一層薄且緻密的氧化皮膜,故需要進行特殊的表面處理。

 由於半導體製程使用的零組件對於表面平滑、潔淨與抗腐蝕能力的需求越來越高,過去的處理方式面臨極限,如擦光研磨因局部加壓研磨,在加工表面留下磨痕,且在晶界處發現金屬粉末及油脂嵌入其中;而電解拋光法容易發生過度電解,於晶界發生腐蝕作用,並且在表面產生孔蝕缺陷;化學鈍化法無法移除變質層及改善粗糙度;化學研磨法的電解液調配複雜且電解液的保存與管理十分重要;光輝熱處理無法改善表面粗糙度;GBB處理會在表面上產生許多微小裂縫並且有金屬微粒及玻璃的破片嵌入表面。而上述處理方式,表面粗度大約都在0.1mm以上。

 電解複合研磨為金屬表面處理技術,適用於不銹鋼及鋁、鈦、銅等非鐵金屬,主要之加工機制是利用電解作用將材料逐層移除,再配合黏彈性磨料進行輔助性之微小切割,藉此排除電解生成物並使加工面均勻平滑,使得到高品質鏡面的加工技術。加工後表面形成披覆200-300蚊鈍化皮膜的高品質鏡面,表面粗糙度可達到0.1mm~0.01mm,品質穩定,且加工效率可達工業生產規模。

電解複合研磨
 電解複合研磨(Eletro Chemical Buffing,ECB) 為1976年開發之金屬表面處理技術,其加工示意圖(參照圖一)所示之原理,係利用電解作用將金屬原子由表面逐層移除,並配合黏彈性磨料進行輔助作用的微小切割,藉此排除電解生成物對工件表面產生絕緣效果之不良影響,經由反覆實施之方式,進而得到高品質鏡面。ECB加工系統示意圖(參照圖二),陰極側安裝電極與研磨材料,加工件連接於陽極側並與陰極保持一定的間隙,在兩電極其間供給電解液,同時輸入電流,並使研磨材與陽極接觸並移動,在電解作用下,陽極的金屬進行反應,並產生電解生成物,其覆蓋於工件表面凹凸部分,凸部被研磨材磨去,優先且有選擇性地逐步微量削減表面凸部的高低差距,在加工過程中,應力、熱及磨粒等殘留極少,可避免生成加工變質層。

 電解複合研磨(ECB)是使用電流密度約為0.1~0.4A/cm2,並配合施加壓力5~30kPa之電解研磨加工法。在此電流密度下進行電解,其加工面上會形成電解生成物,因其影響導電效果,使電流效率下降,導致電解作用減緩(參照圖三)。被磨粒摩擦而除去部分生成物,使其電解溶析反應恢復,電流效率快速升高至10-100% (參照圖四)。當磨料的移動速度在1m/s以上時,磨料選擇性地摩擦過表面微觀的凸部,而微觀的凹部其去除量近乎為零,因此表面粗糙度可以快速獲得改善。

 針對生技管件之主要產品尺寸以1/4”~3”或4”,而半導體管件之主要產品尺寸則以1/8”~1”,針對5-30mm的管或穴等內表面的加工方式,在經過各1~3道次的粗、中、鏡面精修的三道程序後,表面粗度從數mm(Ra)等級會減低到0.01mm(Ra)。

 另電極治具材質為聚氨基甲酸乙酯(urethane)、耐龍不織布以螺旋狀纏繞並固定兩端所構成,工具的外型直徑比工件的內徑稍大,使其再插入工件時可以因壓縮而產生磨擦壓力,在工具迴轉同時做振幅約為8~10mm的軸向往復運動(參照圖五),如此磨粒的運動軌跡便會產生適當的交叉角度。長度100mm以上的工件,假如整面同時做研磨,則研磨刀具在軸方向運動宜採定速方式。

 針對電解複合研磨製程因電解作用而對金屬表面產生材質成分的變化,依據相關資料顯示(參照表一),就SUS316L不銹鋼之表面材質成份,經電解複合研磨加工前後,鉻(Cr)增加約80%、鐵(Fe)減少約18%、鉻鐵比(Cr/Fe)約提升119%,且比值亦達1.57明顯增加工件表面之耐蝕性。

 另對電解複合研磨製程中磨料固定型式者,加工表面精度以Ra 1.0~0.01mm為其範圍,如為磨料非固定型式者,加工表面精度則可能達Ra 0.02~0.006mm(參照圖七),對未來在高強度、高韌性等材料特性或高精度、高潔淨度等要求下,應可滿足相關產業之加工需求,並因其使用中性鹽類電解液之製程特性,故對作業環境、工廠安全、廢水、廢液等環保問題之處理,應可符合綠色製程之要求,相信未來會突顯其特性,並對產業界做出貢獻。

產業背景
 不銹鋼是最被廣泛使用在食品、生技及半導體設備、超高真空元件的應用材料,其主要考量材質之耐蝕性、強度及加工性,因為就前述產業中光電、半導體產業之毒性、腐蝕性與微粒子問題皆是在材料選用上之重要考量,然而上述產業加工製程中需靠管件輸送大量工作流體,以行輸送、儲存、反應等功能,而上述潔淨管件對內表面之潔淨度、面粗度、材質成份等亦有高度的要求,故是本技術的適當運用場合。

 電解複合研磨(ECB)製程技術應用於生技、半導體產業之廠務設備及真空腔體等項目,日本使用最多,目前以神鋼特殊鋼管株式會社(KOBELCO)應用於不銹鋼潔淨管件,另日造精密研磨株式會社更應用於化學、醫藥、半導體、超真空等領域為最顯著(參照圖八)。

 目前國內光電、半導體產業所需之相關管閥件多為國外進口,不僅建廠成本增加,更使得建廠品質、時程、效率等在國際競爭下,皆處於相對不利的地位,尤其是主要競爭對手韓國已逐漸建立光電、半導體產業所需之相關零組件產業。

 為突破上述技術瓶頸,金屬工業研究發展中心針對上述產品之開發技術切入,希望能藉由設計、製造、檢測等面向建立相關技術,以期能改善所面臨的產業瓶頸。為符合SEMI的相關規範,需解決閥管件之內流道或接頭之內表面拋光問題,故不僅需克服電解拋光技術(Electrochemical Polishing),更需克服流道內面研磨技術,乃希望藉由電解複合研磨技術(Electrochemical Buffing)來達到內徑研磨、拋光等目的。

 就光電、半導體產業所需管件材質以SUS316L為主,由於管件使用場合不同,材質等級亦有差異,為達到對表面粗糙度、潔淨度、抗蝕性、化學反應性、洩漏率、加工性等要求,管配件表面處理可分為AP(Untreated)、CT(Chemical Treatment)、MP(Mechanical Polish)、BA(Bright Anneal Treatment)、CP(Chemical Polish)、EP(Electrochemical Polish)等製程,表面粗度量測規範以符合SEMI F19、F37及SEMASPEC 900120400B規範為準,SEMI對UHP(Ultra High Purity)管配件表面粗度建議規範為Ra ≦0.13mm,最大(Maximum) Ra ≦0.25mm,且對於研磨紋路(Texture)亦有所要求。過去吾人所施行的金屬表面處理方式仍然有其缺點,並無法達成高潔淨度及鏡面的要求,尤其是手工拋光更是耗時費工且不易達到要求,而金屬刷之工具磨耗及高熱、表面殘留應力等亦是難以克服之缺點,故電化學加工技術被應用於上述場合正可以滿足要求。

 金屬中心由93年開始規劃以潔淨管件加工為標的物,藉由完成潔淨管件內徑研磨漸次推展至彎管、小管徑、超鏡面等目標,目前已完成管件電解複合研磨拋光機開發,正逐漸建立前述技術之應用,並已完成實測且效果顯著。

加工實例:2”管接頭(fellow)
加工件材質:SUS316L
加工時間:2 min
表面粗度:加工前Ra 0.5mm 加工後Ra 0.08mm

結論
 隨著新時代的來臨,現階段傳統加工法已無法滿足我們在精微加工的需求,唯有跳脫巨觀進入微觀的領域,不斷創新才能突破現有的技術。換言之,在各種特殊材料不斷推新的航太、電子、生醫等高科技產業下,現代成熟的精微表面加工技術將是不可或缺的製程技術,而電化學複合加工技術更可突顯其特性。而電化學表面處理技術涵蓋範圍不止前述部份,但皆需靠精密與具功能性的設備,更需要系統化的know-how和配套的相關技術相互整合才可能發揮功效,如:穩定之電源供應器、具創意之電極治具、精密之電解液循環過濾系統及有效之廢液處理系統等,因此如何建立並應用電化學加工技術加速半導體、光電、生醫、模具等零組件關鍵技術的開發,並把握切入新興領域的龐大商機,是相關產業面臨的重大挑戰與轉型成長的關鍵。SST-AP/Taiwan

參考資料
1. CS半導體基盤技術研會:超高純度氣體的科學,REALIZE INC. (1994)
2. 間宮富士雄:化學研磨和電解研磨,楨書店(1997)
3. 朱樹敏:電化學加工及相關特種加工工藝技術,精微電化學加工技術研討會(2006)
4. 李碩仁:The polishing mechanism of electrochemical mechanical polishing technology,journal of Materials Processing Technology 140 (2003)
5. ASME:Bio processing Equipment,ASME BPE(2002)
6. ASME:Surface Texture,ANSI/ASME B46.1-2002

 

reference: http://ssttpro.acesuppliers.com/meg/meg_1_4023122820071619285876806_8323.html 

 

 

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半導體氣體供應零組件要求高潔淨性、表面平滑性、抗蝕性、低洩漏率等,目前適用於半導體元
件的表面處理方法有:機械拋光法+化學鈍化法、化學抛光法(chemicalpolishing, CP)、光輝熱
處理(bright annealing, BA)與電解拋光法(electro-polishing,EP)等。由於電解拋光法具有以下
幾種特性,衍然已成為半導體製程中重要閥件與零組件處理流道表面的主要方法。

● 鈍化層:不銹鋼材料在進行EP處理後的表面,會在表面生成鈍化層,鈍化層生成原因是因為
EP在處理時,鐵鎳移去的速率比鉻快,造成表面富鉻化效應,同時在表面生成氧化鉻層,可有
效提昇表面抗腐蝕能力,此為其他種抛光無法達到的特色。

 

● 光澤化:抛光能力優越,較機械抛光更佳,可以達到鏡面級的光澤,商品化的管件可以用EP
達到Ra=0.01µm的層次。

 

● 高潔淨度:EP製程將工程表面移去一層,因此表面之髒汙層、氧化層、雜質層、碳化層、應
力層等,都會被EP所移去,同時表面平坦化,無藏污納垢的凹陷,因此可使工件表面達到高潔
淨層度。

 

● 特殊形狀加工:EP過程中,接觸工件的僅有電解液,工件在處理過程中,不受任何應力,可
處理薄型工件,且可除去因機械加工產生的表面應力層。同時,EP可處理特殊形狀工件,對於特
殊形狀表面可均勻拋光,對於小型工件的外部EP處理,可大批量一次進行,可減少加工時間。

 

由於EP處理具有以上幾項優點,因此在半導體設備的氣體供應元件中被大量使用,也因為僅有EP
可以達到表面超高潔淨度之要求,且對於氣體流道的鈍化效果可提供優越的抗腐蝕能力,能確保
管件不受多種特別強腐蝕性氣體腐蝕,在對於線幅越來越小的半導體製程中,潔淨度的要求越來
越高之條件下,未來對EP處理之產品的要求勢必越來越重要。


電解拋光技術在歐美早已成熟30年以上,直到近年來半導體工業的發展,才使得這項技術在國內
有發展之契機。EP技術可分為外表面與內孔表面兩種,數年前國內業者始引進外表面EP技術,然
而內孔表面EP技術因涉及電極夾治具的設計障礙,致使國內業者仍缺乏這方面之技能。本部門從
事半導體設與閥件之研發,深深瞭解EP關鍵技術在各項零組件流到表面處理的重要性,因此致力
於研究與開發內孔表面EP技術,以提昇本部門在關鍵零組件之研發與製造之能力。

 電解拋光原理


電解拋光原理乃將工件接於陽極,以某種金屬接於陰極,置於電解液中通以直流電,以電解作用將
工件表面金屬移除,亦即反電鍍作用,如圖2-3所示(詳情請參考附件)。在適當的電解液和操作條
件下,使工件表面發生材料之消蝕,具有清除毛稜之作用,使工件表面光澤化與平坦化。以不銹鋼
而言,所含之元素如鐵、鉻、鎳都同時參與此反電鍍反應,在工件表面發生材料之消蝕,並發生表
面平順化作用,造成拋光效果。在此同時也會生成一些副產物,這些副產物必須小心地予以控制以
得到最高的拋光品質;例如不銹鋼所含之不同金屬成分有所差異,元素的溶解移除速率也就不盡相
同,鐵原子會先被移除掉,因此留下的表面鎳與鉻含量會變高,使得表面出現“富鉻化”的效果,
產生EP工件重要的鈍化層,此乃有助於提昇工件表面的抗蝕能力。

 

電解拋光之所以有抛光效果,主要有以下幾種效應:

(一) 電場集中效應:亦稱之為避雷針效應,此為最主要之拋光效應。將工件表面放大而視之,可
        發現表面凹凸不平,尖突處如同避雷針,可吸附較大電場,造成局部的電流密度增加,因此
        尖端 處的金屬迅速的被侵蝕;而凹陷處之電流密度較低,金屬被侵蝕較少,因此有抛光平坦
        化之效果。

 

(二) 陽極膜飽和效應(黏度效應):電解抛光過程中,將產生厚約0.1mm的陽極膜(anode film),
        陽極膜呈黏膜狀,具高電阻,金屬帶正電離子不易擴散出與陰極離子結合,因此電流不易通過
        。由於表面凹陷處電解液流動較慢,易形成飽和陽極膜,電流密度因而降低;而尖突處電解液
        流動較快,不易生成飽和陽極膜,電流密度較高,因而具有拋效果。

 

(三) 氣體擾動效應:電解拋光過程中,陽極會產生氧氣氣泡,而尖突處電流大,所以產生氣泡較多
        , 因此也較易打破陽極膜,形成抛光之效果。


電解拋光發展現況與趨勢


電解拋光技術在歐美早已成熟30年以上,目前主要專注於特殊金屬如鈮鉭等金屬的拋光技術,以及
特殊電解液的添加濟配方等方向發展。另方面,對於自動化設備及節省成本的新製程,如各種大小
管件、彎曲管件、細長無縫鋼管、大小筒槽、大量散裝件之製程及專用機自動化設備等,都是發展
之重點。以日本而言,早已完成30m無縫EP鋼管製程,並已於市場銷售,目前正研發300m無縫
鋼管EP鋼管製程。就整體EP技術而言,美國優於歐日;以無縫EP鋼管技術來說,日本技術最為領
先。早些年在台灣的民間業者已自行引入外表面EP技術,主要應用於欄杆、不銹鋼門窗光澤美化等
。幾年前,中科院為研製飛機零組件,也引進外表面EP技術;工研院化工所、清大機械所及雲林技
術學院機械系也曾就外表面EP技術進行研究。


至少內孔EP技術,主要關鍵在於夾治具的設計,其次才是電解液之配方。夾治具視待EP工件形狀與
數量而定,一般而言,夾治具必須包括電極連接端子與連接線與電源供應器相連接,外部EP夾治具
一般為掛架,懸掛工件置於電解槽內或是吊籃滾筒類以安置小型工件,內孔EP夾治具則為提供電解
液流動通道並電解液流出入內孔。夾治具材料因需抗電解液腐蝕,需通電的通常用鎢或鈦,不通電
則選用PTFE或PP類材質。


以EP製程本身而言,夾治具設計受到工件不同而具有相當大的歧異性,由於國外廠商將夾治具的設計
列為機密,以致國內對此技術完全闕如。再則,夾治具設計需要多方面的分析模擬以及實驗的驗證,
再加以經驗之累積使成,因此在國內少有業者願意投資研發,致使此項技術延宕至今,另一項需要經
驗累積的則是EP參數的調整,此方面技術也需進行長時間的試驗及累積足夠的資料庫後,始可達到良
好的控制。同時,對於EP處理後的品質檢驗程序技術,國內的能力與經驗也略嫌不足,這方面仍有待
投入更多的時間與人力持續從事研發工作。有鑑於此,本部門於開發質流控制器的同時,也深切體會
到EP技術的重要性,因此積極開發此項關鍵技術,以期提升產品品質,並落實本土化技術。

 

 

 

 

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OTEC公司專門研發製造金屬和非金屬的精密表面處理技術及設備,如:切削刀具的鎢鋼和高速鋼之表面處理,並廣泛為世界級大廠所採用如:Guhring oHG;Iskar等等。利豐行引進最先進的去毛邊, 去毛刺, 導角, 精密研磨和拋光技術,並希望提供台灣廠商提昇產業競爭力及生產效益和使用壽命。OTEC精密表面處理技術被認定為世界的領導者之一。去毛邊, 去毛刺, 研磨拋光、邊緣導角、功能性、裝飾性,這些精密表面處理技術除了令人讚嘆外,OTEC的技術整合還考量到生產者的需求,讓生產者在質量上和效益上及成本上有一個完美的平衡。機械操作除了更人性化還能額外整合生產者目前的製造設備。OTEC的產品兼具美觀及實耐用,不佔空間卻能在最小的單位中創造出最大的質量,當你採購了OTEC的設備後,除了擁有出眾的表面處理技術讓您的競爭力提升外,當客戶拜訪您公司時也不免對您令眼相看而發出讚嘆,OTEC是您生意的好伙伴。

 

VTD為德國PVD真空鍍膜技術的佼佼者,其前身為東德的研究機構,技術開發人員就有二千多位,近來更是提供Laser Arc雷射鑽石鍍膜的設備及技術. 最新的ta-C雷射鑽石鍍膜比傳統的DLC類鑽膜更加堅強, 是一種無氫結構的鍍層, 可以低溫沈積並且可以沈積厚膜達30um以上在工件上. 加上最新的filter過濾技術, 在刀具及模具上可以鍍上光亮平滑且無droplet的鍍層. 這種新穎的PVD鍍膜技術在未來的工具鍍應用上, 精采可期!

 

另外有 EMAG ECM GmbH (ECM / PECM / uECM) 精微電化學加工技術在未來各種細微加工應用中佔有極大的優勢。該技術之優點係在於其加工能力與材料硬度無關,且能加工出微細及形狀複雜之表面結構,經由該製程加工後之產品表面具有粗糙度佳、無殘留應力及無裂縫產生, 無毛邊刺等優良特性,常應用於航太、光電半導體、醫療器材、綠色能源、模具等產業上,本次研討會中特別邀請國內外知名學者及專家,介紹於精微電化學領域內之各種加工技術,可應用於燃料電池雙極板、生物晶片、微流體動壓軸承、微噴嘴、次世次流體分配閥元件、模具等產品加工上,機會難得,精彩可期。 EMAG ECM GmbH為精密電化學切削的工程公司,其領先的技術,已在精密電化學切削領域達到量產化的水準。供顧客PECM精密電化學切削生產技術和客制化的製程設備。 

 

利豐行著重於表面處理之前後製程技術,提供客戶individual & total finishing solutions 的整合作業,協助產業提升效能並降低成本。

 

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本館專門提供 OTEC 表面處理技術皆集中於去毛邊, 去毛刺, 導角, 精密研磨,拋光, deburring, smoothingand polishing. 還有VTD PVD 超硬工具鍍膜 tool coating, ta-C雷射鑽石鍍膜, 精密光學鍍膜 optical coating, 真空金屬鍍膜 metalization 和 absolute chemiePVD/CVD 退鍍工藝和 EMAG ECM / Precise Electrochemical Machining 精密電化學加工技術, 去毛邊刺, EMAG 硬車削/乾式切削 hard turning, Koepfer 滾齒加工製造技術, Reinecker, KARSTENS外圓研磨+內圓曲面磨削, Naxos-Union曲柄軸研磨, 凸輪軸, KOPP非圓研磨, SW中心加工機, EMAG 雷射焊接, 自動化設備. 其它非相關資料純粹供同好分享.  

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近幾年來,台灣的半導體產業產值在全球已名列前茅,成為台灣生產結構的重心,但是在半導體設備方面,因發展歷程較短,對於技術層面較高、產值較大的半導體前段製程設備及關鍵零組件,幾乎完全仰賴進口,無法自行生產。經由專家學者分析後了解,此段製程設備中關鍵零組件附加價值雖比系統設備低,但其所需的製造技術較接近我國相關產業目前的技術水準,其中又以氣體供應系統之關鍵零組件,包含各類閥件、接頭、管件、泵浦、真空腔體等,具有用量大、更新率高、市場龐大等優點,適合作為發展的踏板[1]。半導體製程設備的構造材料,考量耐蝕性、強度、加工性,以不銹鋼最為廣泛使用。然而經過熱壓延後的素材表面,成形後含有複雜的雜質與介化合物的變質層,且覆蓋一層多孔性的氧化層,表層的晶界易被極度腐蝕,因而發生局部侵蝕,晶界的隙縫中會殘留氣體或液體而形成死區(dead zone),形成水分或氣體的吸附區,亦是較易附著金屬微粒的原因,圖一為SUS304熱壓延的酸處理材的表面SEM觀察[2]。
為了減少這些表面缺陷層、加工變質層,且表面粗糙度要盡可能變小,並且在表面覆蓋一層薄且緻密的酸化皮膜,需要進行特殊的鏡面加工處理。過去用來處理金屬表面的方式包括:擦光(buffing)、電解拋光(electro polishing,EP)、化學鈍化(chemical passivation)、化學拋光(chemical polishing)、光輝熱處理(bright annealing ,BA)、Glass beads blast (GBB)等。
由於半導體製程使用的零組件表面對於平滑、潔淨與抗腐蝕能力的需求越來越高,過去的處理方式面臨極限,如擦光研磨因局部加熱加壓研磨,在加工表面留下磨痕,且在晶界處發現金屬粉末及油脂嵌入其中;而電解拋光容易發生過度電解,於晶界發生腐蝕作用,並且在表面產生孔蝕缺陷;化學鈍化法無法移除變質層及改善粗糙度;化學拋光法的電解液調配複雜且電解液的保存與管理十分重要;光輝熱處理無法改善表面粗糙度;GBB處理會在表面上產生許多微小裂縫並且有金屬微粒及玻璃的破片嵌入表面。而上述處理方式,表面粗度大約都在0.1mm以上。因而有必要導入電解複合研磨(Electrochemical buffing,ECB),使表面品質得到更進一步的改善。

加工原理
電解複合研磨為1976年開發之金屬表面處理新技術,適用於不銹鋼及鋁、鈦、銅等非鐵金屬,圖二為ECB加工示意圖。系統主要包括電解槽、電解液、電解液過濾循環系統、直流電源供應器、電極研磨刀具、電極進給系統等。加工時,陰極端係為電極與研磨材交互排列所製成之刀具,工件於陽極端藉由磨輪接觸與陰極保持一定的間隙,注入電解液,施以適當電壓,在電解作用下使工件表面生成不動態皮膜。工件表面的凹凸部分生成不動態皮膜的期間,同時將研磨刀具壓在工件上迴轉,凸部被磨粒摩擦去除,且陽極進行溶解時有選擇性高點優先被電解溶出,兼得兩者的長處,圖三為鏡面形成過程的模擬[3][4]。 

鏡面的達成
金屬材料的表面層有凹凸、殘留應變、研磨劑、氧化物嵌入,晶界處容易與氧、水、硫之類起化學反應,過去使用擦光、EP、CP、GBB之類的處理來去除這些加工變質層。但是,設備的高集積化,高品質化伴隨而來,面臨了這些處理方法的極限,電解複合研磨(ECB)進而被廣加利用。圖四為機械拋光後看起來宛如鏡面的表面狀態經SEM放大後觀察,因為研磨過程局部遭受加壓加熱變形,產生磨痕、毛邊,且有金屬粉、油脂等雜質嵌入晶界處。相較之下,圖五的ECB處理面,品質穩定,表面粗糙度可達到Ra0.1mm~0.01mm以下,變質層及缺陷都被去除,也沒有嵌入異物,進而得到高品質鏡面。

電解複合研磨之特徵
1. 鏡面般的表面:同時以一邊拋光一邊電解的方式,快速達到鏡面般的平面。
2. 表面結構均勻:在電解過程中將一些因機械加工或研磨拋光所嵌入之雜質攜出,讓表面回復均勻結晶面。
3. 高抗腐蝕性:係利用電解作用將鐵離子大量攜出,讓Cr/Fe比提高達到抗腐蝕效果。
4. 表面不易黏著雜質:由於拋光後表面粗糙度接近光滑平順面,所以任何黏著的雜質不易附著且能輕易地清除。
5. 針對複雜自由曲面也能拋光:針對平面、凹凸面、自由曲面、超大型表面,也都能處理。
6. 可針對不同材料進行拋光:主要以導電性金屬為主(例如:一般的碳鋼、不銹鋼、銅、鋁和鈦)都能加工。

結論
由於半導體業對於超潔淨元件加工後處理製程要求非常嚴謹,國外各主要製造業者對於相關技術發展均保持高度機密,在文獻中也僅有一般性技術理論描述,鮮少有針對半導體設備元件的製程發表專業研究報告,本文可謂開此研究之先驅。希望能起一個拋磚引玉的效果,促進相關研究人員的興趣及投入。SST-AP/Taiwan

參考文獻
1. 宣立傳,《台灣半導體製程設備》,台灣整廠雙月刊,第八十四期,第4-8頁,民國92年9月
2. 半導體基盤技術研究會編,超高純度科學2,第二分冊,株式會社,第213-226頁,平成6年4月
3.馬場吉康、佐藤憲二,電解複合研磨金屬超鏡面化技術,表面科學,第11卷,第6號,1990
4.日造精密研磨株式會社,網路資料,http://www.uft.co.jp/japanese/kenma/
 
reference: http://ssttpro.acesuppliers.com/semiconductor/Magazine_Details_Index_Id_109.html 
 
 

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  • 電解拋光 :


可使沃斯田鐵組織顯現,改善表面粗度,使表面趨於平滑光亮;並移除表面殘留物及雜質,增加氧化層厚度,提高耐蝕性、減少積垢,清洗容易,提高工作效率。在拋光時,機器會不停的轉動,把物體表面越拋越光亮。但因為手工拋光很耗時,一般是用在機器拋不到的小面積或是較小的物體上。拋光的使用上因其潔淨、平滑、抗腐蝕之特性,廣泛應用於半導體、光電廠、生化科技、航太工業、醫療以及食品等精密儀器的設備及管路上。「噴沙」則是和「拋光」相反,是把物體表面噴成霧面。把物體放到機器中,噴鐵沙,讓物體表面磨成霧狀,如霧狀玻璃。拋光與噴沙常用於金屬、壓克力、樹脂、玻璃...等材質。 

  • SUS304


為不鏽鋼及耐熱鋼使用最廣的鋼種。用於食品設備、一般化學及與原子能有關設備。

  • SUS304L


304的極低碳素鋼,耐晶界腐蝕,熔接後不用熱處理的零件類。

  • SUS316


高溫潛變、破斷強度高。用於熱交換機器零件、高溫耐蝕用螺栓等。

  • SUS316L


具高抗腐蝕性,用於家具、油氣設備、化學工業、及食品工業。由於316L不鏽鋼具有高抗腐蝕性,故主要應用於家俱、油氣設備、化學工業、及食品工業。其優異的抗腐蝕性,是因為不鏽鋼中至少含11%之鉻元素,使得在其表面上形成緻密之氧化層而避免外在腐蝕環境的侵蝕。由於316L不鏽鋼之高韌性,加上粉末冶金製程其顯微結構會有孔隙的產生,故對於316L不鏽鋼在切削時,其切屑容易在鑽頭的表面上,進而使鑽頭表面的磨耗量增加,而縮短了鑽頭的使用壽命。

 

 

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電解去毛刺electrochemical deburring

利用電解作用去除金屬零件毛刺的一種電解加工方法,英文簡稱ECD。





圖[電解去毛刺原理圖]為電解去毛刺的原理。將工具陰極(一般用黃銅)固定放置在工件有毛刺的部位附近,兩者相距一定的間隙(一般為0.3~1毫米)。工具陰極的導電部分對準毛刺棱邊,其他表面用絕緣層覆蓋起來,使電解作用集中在毛刺部分。加工時工具陰極接直流電源負極,工件接直流電源正極。壓力為0.1~0.3兆帕的低壓電解液(一般用硝酸鈉或氯 ​​酸鈉水溶液)流過工件與陰極之間。當接通直流電源後,毛刺便產生陽極溶解而被去除,被電解液帶走。電解液有一定腐蝕性,工件去毛刺後應經過清洗和防銹處理。電解去毛刺適用於去除零件中隱蔽部位交叉孔或形狀複雜零件的毛刺,生產效率高,去毛刺時間一般只需幾秒至幾十秒。這種方法常用於齒輪、花鍵、連桿、閥體和曲軸油路孔口等去毛刺,以及尖角倒圓等。缺點是零件毛刺的附近也受到電解作用,表面會失去原有光澤,甚至影響尺寸精度。
  

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OTEC公司專門研發製造金屬和非金屬的精密表面處理技術及設備,如:切削刀具的鎢鋼和高速鋼之表面處理,並廣泛為世界級大廠所採用如:Guhring oHG;Iskar等等。利豐行引進最先進的去毛邊, 去毛刺, 導角, 精密研磨和拋光技術,並希望提供台灣廠商提昇產業競爭力及生產效益和使用壽命。OTEC精密表面處理技術被認定為世界的領導者之一。去毛邊, 去毛刺, 研磨拋光、邊緣導角、功能性、裝飾性,這些精密表面處理技術除了令人讚嘆外,OTEC的技術整合還考量到生產者的需求,讓生產者在質量上和效益上及成本上有一個完美的平衡。機械操作除了更人性化還能額外整合生產者目前的製造設備。OTEC的產品兼具美觀及實耐用,不佔空間卻能在最小的單位中創造出最大的質量,當你採購了OTEC的設備後,除了擁有出眾的表面處理技術讓您的競爭力提升外,當客戶拜訪您公司時也不免對您令眼相看而發出讚嘆,OTEC是您生意的好伙伴。

另外有 EMAG ECM GmbH (ECM / PECM / uECM) 精微電化學加工技術在未來各種細微加工應用中佔有極大的優勢。該技術之優點係在於其加工能力與材料硬度無關,且能加工出微細及形狀複雜之表面結構,經由該製程加工後之產品表面具有粗糙度佳、無殘留應力及無裂縫產生, 無毛邊刺等優良特性,常應用於航太、光電半導體、醫療器材、綠色能源、模具等產業上,本次研討會中特別邀請國內外知名學者及專家,介紹於精微電化學領域內之各種加工技術,可應用於燃料電池雙極板、生物晶片、微流體動壓軸承、微噴嘴、次世次流體分配閥元件、模具等產品加工上,機會難得,精彩可期。 EMAG ECM GmbH為精密電化學切削的工程公司,其領先的技術,已在精密電化學切削領域達到量產化的水準。供顧客PECM精密電化學切削生產技術和客制化的製程設備。 Electrochemical machining / pulse electrochemical machining / precise electrochemical machining.Electro chemical machining (ECM) is a method of removing metal by an electrochemicalprocess. It is used for working extremely hard materials or materials ...
 
利豐行著重於表面處理之前後製程技術,提供客戶individual & total finishing solutions 的整合作業,協助產業提升效能並降低成本。
 
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本館專門提供 OTEC 表面處理技術皆集中於去毛邊, 去毛刺, 導角, 精密研磨,拋光, deburring, smoothing and polishing. 還有VTD PVD 超硬工具鍍膜 tool coating, 精密光學鍍膜 optical coating, 真空金屬鍍膜 metalization 和 absolute chemie PVD/CVD 退鍍工藝和 EMAG ECM / Precise Electrochemical Machining 精密電化學加工技術, 去毛邊刺, EMAG 硬車削/乾式切削 hard turning, Koepfer 滾齒加工製造技術, Reinecker, KARSTENS外圓研磨+內圓曲面磨削, Naxos-Union曲柄軸研磨, 凸輪軸, KOPP非圓研磨, SW中心加工機, EMAG 雷射焊接, 自動化設備. 其它非相關資料純粹供同好分享.  
 

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PECM / PEM 精密電解加工
PECM – 高精密電解加工
電解加工保證了最高的表面光潔度,哪怕是韌性特大或特硬的工件也能保證其最高的加工質量。為了滿足零件越來越小,而成形加工的精度要求卻越來越高的發展趨勢,埃馬克研發專家潛心鑽研,在電解加工的基礎上開發了精密電解加工。


精密電解加工
PECM 是英語精密電解加工的縮寫,是更高層次的電解加工。在電解加工基礎上研發精密電解加工技術時,研發人員一直圍繞著兩個核心問題:如何減少電解液流過的工件和刀具(陰極)的加工間隙;如何提高電解液的充分交換。
 
精密電解加工時,一方面為保證成形精度,加工間隙因盡量小;另一方面通過疊加的機械振盪可盡量提高電解質的交換率和再生率。為了在這麼小的加工間隙下保證刀具運動時電流的暢通,埃馬克技術採用了可自由設置的脈衝電流,所以精密電解加工時材料的電解更高效,更精密。
 
匹配完美
採用精密電解加工時,埃馬克專家也會從整體解決方案著手全盤考慮,為用戶提供符合個性 化需求的量身定制方案。配置的電流模塊元件和專利電源技術也都採用模塊化結構,可根據產能需求隨時拓展。電解金屬加工:採用精密電解法加工整體葉盤飛機發動機的製造正面臨著要求越來越高的挑戰。 因此不斷提高渦輪效率勢在必行,無法避免。要提高渦輪效率,關鍵是提高轉速和壓力比例,棘手的是這樣就必定會增加空壓機葉輪的負荷,所以往往會使用由高強度材料製造的整體葉盤(Blade integrated disk –簡稱Blisk)。ECM電解加工和PECM精密電解加工:不會形成毛刺由於整體葉盤的幾何形狀非常複雜,而且用的材料是都是鎳合金,甚至是鈦合金,所以往往需要通過精密電解技術(PECM)加工:精密電解加工的刀具磨損小,重複定位精度高,表面光潔度佳,而且採用ECM電解和PECM精密電解加工時不會形成毛刺。
  

ECM 金屬電解成型加工
電解鑽孔加工,ECM 鑽活塞孔
電解鑽孔加工:高難度加工
在許多應用領域,鑽孔切削無疑是快速而有效的加工手段。但如果由於工件的材料太硬,銑刀負荷太大;或工件形狀複雜,又有空腔,很難進行銑削加工時,又該怎麼辦呢?–在這種棘手場合,電解鑽孔加工便有了用武之地,提供了巨大的經濟有效加工的可能性。


ECM-鑽孔加工: 降低刀具成本
進行電解鑽孔加工時,刀具幾乎無磨損,即使在加工特硬工件時,刀具陰極的壽命也很長。而且加工時進給速度高 達5 mm/min。在加工形狀複雜、加工位置可達性差、或加工實心孔時,電解加工技術也顯示出了獨一無二的優點:那就是加工後不會形成毛刺或飛邊,所以後面的去毛刺工藝可以完全省略。另外可多孔(20或更多孔)可加工,這在加工凸輪軸這類工件時就顯示出了無比的優越性。總的來說:電解鑽孔加工的優點是節拍時間小,工藝鏈短。

 
電解鑽活塞孔:絕對精密
轉速高,渦輪增壓,直接噴油系統:讀到以上關鍵詞,大家馬上會聯想到它給轎車和商用車發動機活塞提出的高要求。為了能長時承受巨大負荷力,一方面活塞得使用高強度的合金材料,另一方面,當今新發動機的設計理念決定了活塞的幾何形狀都非常複雜。受這些因素的影響,電解鑽孔加工活塞時顯示出了不可替代的優勢。 電解鑽孔加工:工藝鏈短電解鑽孔加工時,不僅刀具磨損小,進給速度不受材料硬度影響,而且加工時不會形成毛刺和飛邊。這些特點在加工活塞這類複雜零件時顯示了不可替代的優點:後續去毛刺工序可以完全省略,另外在加工可達性差或空心體時,電解鑽孔法的效率更高。例如在加工活塞的冷卻環通道時,電解加工法也顯示了無法逾越的優勢。


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