电化整饰小型零部件

wsf5431625 · 发表于 2011-8-8 21:35:22

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小型装置的部件需要全面的精饰，目的是满足对完全毛边清除和极佳表面质量的严格设计需求。没有合适的精饰方法，装置不可能实现所预期的设计功能和使用寿命。传统工艺常常因为以下原因而不是最佳的选择：
1．针对汽车、航空和医学行业中常见合金所实现的材料清除率低；
2．相对较小的特征尺寸；
3．与手工操作有关的人工成本高。
化学与直流电（DC）化学技术已被证明在许多用途中获得成功。然而，难控制化学技术的应用对于工人或环境均不安全，需要开发出替代性技术。本文所介绍的先进电化学工艺就是这样的一种替代方法。
法拉第工艺金属清除机理是阳极溶解。与以前工艺的主要差别是用于控制金属溶解方式的控制机理。法拉第工艺利用了脉冲电场，推动溶解过程，以及控制溶解方式。从化学控制转变到电气控制，简单的水基中性电解盐液被利用，同时实现对过程控制的强化。例如，用于不锈钢电解法抛光的普通电解液含有41%的硫酸和45%的磷酸，渐升温度至少为77°C。利用法拉第工艺，在室温下应用硝酸钠电解液已实现相近的结果，不会有难控制的附加物。
当前，针对PCB上线路和空间的低成本快速蚀刻，法拉第工艺正在开发当中。与依靠强化学蚀刻剂和对流力来清除物料的传统喷涂蚀刻相比，法拉第工艺基于从电气上对蚀刻工艺进行调整。这种工艺将能对宽度30μm以下的线路和空间进行蚀刻。而且，它不需要净室条件。所以，对于最少的资本开支，应用这种加工工艺所做出的装置的单价会比其它技术的低得多。
接下来对法拉第工艺以及小型零部件的电化学精饰进行综述。
法拉第工艺参数
法拉第工艺的核心是脉冲电场。通过电脑控制电源获得电场，不对称波形完全由用户定义。波形将此工艺与传统的直流电化学工艺区别开，在这种工艺中用户唯一确定的电场方面变量是电流或电压值。这一部分确定了用户可得到的波形参数。
典型的波形由保持一段时间的正向电压脉冲及随后的无电压空闲时段所组成。对于强化的工艺控制，保持一段固定时间的逆向电压脉冲也许是必要的。波形时段是工作时间和空闲时间的总和。频率是时间的倒数。占空比被定义为工作就间与波形时间的比值。占空比是为正向脉冲和逆向脉冲而确定的。平均电压=正向电压-逆向电压。平均电压影响着物料清除速率、尺寸精度和表面质量。（图1显示的是脉冲波形的一个简单例子。）对于某一平均电压，传统直流工艺被限于仅一个工艺变量（稳态电压或电流）。但是，在电气调节工艺中，有着几乎无限多的工艺参数组合，能产生所需的平均电压。通过选择合适的参数组合，整体输送速率、电流分布和流体条件可以在金属溶解过程中受到强烈影响。有关这些条件日的大致探讨将在以下段落中呈上。

图1 典型的法拉第波形整体输送: 法拉第工艺过程中的整体输送是稳态和非稳态扩散的结合。受整体输送限制的电流密度与被溶解金属离子浓度有关联，也与扩散层厚度有关。在稳态直流电解中，对于某一电解几何学和流体学，扩散层厚度是不随时间变化的量。Cheh et al探讨了电流脉冲过程中整体输送的理论。与直流电解相比，扩散层厚度从脉冲开始时的0变化到Nernst扩散层被完全建立起时的稳态值。对应的扩散限定电流密度将等于t=0时的无限值，并降到等于直流限定电流密度的稳态值。更高的电流密度峰值将能在快于直流蚀刻的速率之下实现有效蚀刻。
在法拉第工艺过程中，在扩散层厚度有机会达到稳态值之前电流被中断。这使溶解离子能从电极表面扩散走，使表面浓度能在下一次电流中断之前降回到起始值。所以，邻近电极的起作用样板的浓度随着调整频率而浮动。
整体输送效果的另一个考虑因素是与表面形状有关的分界层尺寸。如果扩散层厚度与形状高度大致相同，那么分界层就被认为是贴合真实形状的（见图2，面板）。这种情况被当作是宏轮廓。在整体输送控制之下，贴合真实形状的分界层形成均一的电流分布和均一的材料清除。如果扩散层厚度远远大于外形高度，那么就存在不贴合真实形状的分界层（见图2，底板）。这被当作是微轮廓。在整体输送控制之下，电流分布和物料移除是不统一的。

贴合真实形状的分界层（顶部）和不贴合真实形状的分界线（底部）电流分布: 在脉冲工艺中，电流分布由初级（几何学的）、次级（运动学的）和第三级（整体输送）因素组成，它们都影响着材料清除速率、尺寸精度和表面质量。
与初级电流分布相比，动力学或第三级效果的加入使电流分布更为均匀。脉冲电场的应用影响着动力和整体输送因素所起的作用，从而明显改变了与直流工艺相比的电流分布。而且，根据阴极与阳极之间的分隔距离，电极尺寸的比率可被用来使工作电极上电流分布不均匀性最小化或最大化。通过了解脉冲波形对电流分布的影响，可以选择工艺参数来提供所需的电流分布。
流体条件: 恰当选择的波形有助于在工具和工件之间的空隙里保持均匀的流体条件。在传统电化加工中，利用了稳定的电场，由所施电流而产生的热能和非所需产品被高速率电解液流体移除掉。
在法拉第工艺中，加入恰当选择的空闲时间增强了从空隙中除去废品的能力，同时降低了对高电解液流速的需要。而且，正向脉冲过程中在工具表面形成的初始气泡可以在逆向时期里被阳极消耗掉。这减少了电解液中气泡的存在，能大大改变电解液密度、导热性和流速。而且，它降低了工具表面的局部pH值，防止金属碱的沉积。这些反应在如下公式中得到体现。
正向调整（也就是工具上的阴极反应）： 2H2O + 2e →H2 + 2OH-
逆向调整（也就是工具上的阳极反应）： H2 + 2OH → 2H2O + 2e- (4)
Kozak公司已就有关流体不均匀性对电化学加工工艺的影响进行了详细探讨。
动态条件: 如前所述，为某一应用选择合适的波形涉及到大量的因素。在实际中，必须考虑另一个因素，也就是表面形状会随着水准测量的发生而改变。所以，所应用的波形也必须在整个工艺中是动态的。例如，初始加工条件表明，一个贴合真实形状的分界层会形成如图2所示（上）。而且，目的是要提供峰值的局部分解。一个高频、高振幅的波形会提供理想的结果。
但是，当工艺继续下去时，形状被拉平，它从一种贴合形状的分界情形转为如图2所示（下）的不贴合形状的情形。在这一点上，如果你继续初始的波形，均一的清除金属是有利的。所以，你在一段时期内不会实现表面粗糙度的明显改善。如果应用会重组低频低振幅波形的不同波形，金属分解会再一次支持峰值清除，在相对高的速率上会继续水准测量。在最短时间内提供最佳的精饰性能方面，这种波形的先后次序是一个关键的工具。以今天的电源，这种加工可以被设计成自动发生。
工业化应用
在相近情况下，可能会有一种应用，同一个部件里的边角和表面精饰是理想的。一种例子是两个交叉的孔，需要清除毛头，以及对两个孔的内表面进行抛光。在这里可以应用排序波形的概念，提供完整的毛头清除，再提供整个孔的水准微测量。这种方法的一个工业化范例出现在为半导体工业加工不锈钢阀的时候（见图3）。毛头和模线显示在中图。在这种情况下，毛头清除与表面抛光都发生在总共约30秒的周期时间里。

图3. 不锈钢阀门（左），精整前的交叉点（中），
精整后的交叉点（右）法拉第工艺是一种在汽车、航空、医学和半导体工业有着广泛应用的技术。以下段落提供了使这种技术适应于各种应用的过往与正在进行的研发工作范例。
不锈钢可变压缩比密封管的电解抛光: 这个项目的目标是优化市场现有的电解工艺，从而可变压缩比密封管斜角上可看到的蚀损斑被清除掉（图4，中）.这个技术研究的重点是要调整所应用的波形，且/或调节电解液的成分/浓度以实现这个目标。图4中的显微图（右）表明，应用法拉第工艺，成功消除了蚀损斑。

图4. 可变压缩比密封管（左），精饰前的斜角显微图（中），
精饰后的斜角显微图（右）多层印刷线路板内层的电蚀刻：这个项目的重点是要发展法拉第工艺，以取代传统化学喷涂蚀刻，用于生产多层印刷线路板（PCB）内层的精细铜导体图5中有PCB基层（左）的照片和法拉第处理之前（右上）和之后（右下）PCB铜导体横截面的光学显微图。法拉第处理（图5，右）之后的导体显微图显示出，铜的清除基本上是各向异性的，在感光性树脂之下清除掉的铜量已被降到最低。而且，导体的顶部与顶部宽度在尺寸上是相近的。导体尺寸从63到140 mm，导体之间的空隙从38到89 mm。

图5. PCB内层基材（左），法拉第处理之前的铜导体剖面光学显微图（右上），
处理之后的图（右下）

法拉第工艺是在汽车、航空、医学和半导体行业有着广泛应用的技术。小型装置的边角与表面精饰在部件实现设计性能和所需使用寿命方面是至关重要的。将小型装置的复杂设计与先进材料的应用相结合，形成了应用传统精饰工艺难于实现的精饰要求。电气控制的精饰是种非接触式的电化学工艺，在整个脉冲电场的应用中提供更强的控制。不同于其它电化学工艺，如电解法抛光和用乙二醇进行电化学修边，法拉第工艺不依赖于电解液的强烈性质，所以应用了水基的中性盐溶液。而且，该工艺可以实现自动化，可针对大型表面和极精细情形进行升级。
文章关键词：汽车、材料、零部件、金属

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