（机械制造及其自动化专业论文）精密电铸微成型装备设计及其工艺实验研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g i-i i i p r e c i t l o ne l e c t r o t o r m l n qe q u l p m e n td e s l q na n d c r a f tt e s t i n g m a s t e rc a n d i d a t e h ej i e s h a n s u p e r v i s o r ：p r o f g u oz h o n g n i n g j u n e 2 0 1 0 s c h o o lo fe l e c t r o - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，pr c h i n a ，5 10 0 0 6 7 叭0叭6叭5眦47川1洲y 摘要 摘要 电铸是一种基于电化学沉积的精密加工制造技术，有着其它加工技术无法比 拟的复制精度和尺寸精度。它经济实用，加工成本较低，在一些异型、复杂的精 密微细零件制作中甚至是唯一的加工方法。同时电铸又是一种影响因素多，表面 质量缺陷多的，并且沉积机理研究不够透彻的加工制造方法。因此非常有必要对 该制造工艺进行深入研究。本文设计了具有特色的电铸成型装备，提出了搅拌方 案，对流场和电流场进行有限元分析，采用屏蔽方法改善沉积质量，接着进行了 各种因素的单因素实验，总结了影响规律。采用不同轨迹的阴极移动方式，研究 了不同轨迹对沉积层的影响。最后进行了关于半导体光伏薄膜电化学沉积的探索 性实验，结果和电铸类似，得出电位和搅拌是薄膜沉积的关键因素。 本文所做的主要内容如下： 1 设计机电一体的电铸装备。针对电铸工艺要求，本论文设计了电铸成型装备。 该装备的特点是可同时采用双缸工作，制作效率成倍提高；采用p l c 集中控制电 气元件；具有旋转搅拌装置和多轨迹移动搅拌工作台，可用于研究最佳搅拌的方 式；采用a d 模块处理温度信号进行精确的温度控制，同时a d 模块也用于p h 值的检测。这些措施为精密电铸工艺提供良好保证。 2 液体流场和电流场有限元分析。由于溶液流动形式对电化学传质有积极的影 响，本文在有初速度的条件下，利用流体分析模块f l o t r a nc f d 对电铸液的流 场做有限元分析，结果得出增加垂直于表面方向的流动速度，可以使溶液深入微 槽，增加溶液的分散性和均匀性；由于电铸的边缘效应使得无论极间距是否相等， 总会出现不均匀现象，应用了有限元分析软件a n s y s 对阴极表面的电流场进行了 仿真分析，采用屏蔽阴极改善沉积层的均匀性，并且优化了屏蔽距离。 3 精密电铸实验。在电铸实验中，为了得到更多的可调电参数，电源采用专门 定制的正负脉冲电源；电铸液采用低应力、高效率的氨基磺酸镍做主盐。然后采 用3 0 4 不锈钢作阴极基底做关于平均电流密度、频率、占空比、温度对表面粗糙 度、内应力影响的单因素实验，讨论了各因素的影响规律。对实验结果进行分析 后，得出平均电流密度是铸层内应力的最显著因素，其次是温度的影响；占空比 是表面粗糙度的最显著因素。通过单因素实验，得到最佳的电铸规范为：平均电 流密度5 a d m 2 ，占空比0 2 ，频率1 5 0 0 h z ，温度6 0 。c 。还分别设计了旋转搅拌和 摘要 由编程实现的移动搅拌，用于研究对流传质的形式对沉积层质量的影响，结果证 明了波浪型的搅拌有利于溶液深入细槽内，得到更均匀的铸层，这和流场分析的 结果一致。 4 电化学沉积光伏薄膜实验。主要探索了铜铟硒( c i s ) - - 元电化学共沉积的优 化方法，主要包括沉积电位和搅拌。电位对薄膜电沉积元素含量有重要的作用， 沉积电位变负有利于多元素共沉积，一定的搅拌可以促进电沉积过程。同时为了 增加i n 和s e 含量，可以采用两步法先沉积i n 和s e ，然后再共沉积c i s 。 关键词：电铸，电铸成型装备，p l c ，脉冲电源，光伏薄膜 i i a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o f o r m i n gi sak i n do fp r e c i s em a n u f a c t u r i n gb a s e do ne l e c t r o c h e m i c a l d e p o s i t i o n t h ea c c u r a c yo ft h em e t h o do nr e p r o d u c t i o na n dd i m e n s i o ni sm u c hh i g h e r t h a nt h eo t h e r s ，w i t ht h ec o s tl o wa n de c o n o m i c i nm o s ta r e a se v e nb e c o m e st h eo n l y f e a s i b l em e t h o dt om a k et h ep r e c i s ea n ds o p h i s t i c a t e dp a r t s m e a n w h i l ei ti st h o u g h tt o b ed e f i c i tw i t hs om a n yf a c t o r se f f e c t i n gi t ，a n dt h em e c h a n i s mh a sn o tt ob es t u d i e d c l e a r l y s oi ti sn e c e s s a r yt od of u r t h e rr e s e a r c h m e n t i nt h i sa r t i c l e ，f i r s t l yd e s i g na n e q u i p m e n tw i t hg o o df e a t u r e s f o l l o w , t h ef l o wf i e l do fs o l u t i o na n dt h ec u r r e n tf i e l d w e r ea n a l y z e dw i t ht h eh e l po fa n s y s ；t h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n tw a se m p l o y e d w h i c hr e f e r st oa l lt h em a i nf a c t o r s t h e nt h el a wo fh o wf a c t o r si n f l u e n c e e l e c t r o f o r m i n gw a ss u m m a r i z e d d i f f e r e n tm o v i n gt r a c k so fc a t h o d ea r ea p p l i e di n r e s e a r c h i n gt h ei m p a c tc a u s e db yt h o s et r a c k so nt h ed e p o s i t i o n a f t e rt h a t ，t h e e x p l o r a t o r ye l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o ne x p e r i m e n t s ，a b o u th o wt om a k et h ef i l m s e m i c o n d u c t o rp h o t o v o l t a i cm a t e r i a l ，a r ep r e l i m i n a r i l ys t u d i e d t h er e s u l t ，w h i c hi s s i m i l a rt oe l e c t r o f o r m i n g ，s h a r e st h ec o n c l u s i o nt h a ta p p l y i n gp r o t e t i a la n dt h es t i r i n g m e t h o da r et h ek e yf a c t o r si ne l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o np r o c e s s t h em a j o rt a s k sm a d ei nt h i sa r c t i c a la r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a ne l e c t r o f o r m i n gm e c h a t r o n i c se q u i p m e n ti sd e s i g n e d ，a i m i n ga tt h eb e t t e r c r a f tc a nb ea p p l i e d t h ee q u i p m e n ti sc h a r a c t e r i z e db yt w ow o r k i n gp l a c e sw i t h h i g h e re f f i c i e n c y e m p l o y i n gp l cu n i tt oc o n t r o lt h ee l e c t r i c a lp a r t s ，p r o v i d i n gt h e s t i r i n gp a r ta n dt h em u l t i - p a t hm o v i n gp a r td r i v e nb ym o t o r , f o rr e s e a r c h i n gb e t t e r s t i r i n gm e t h o d e m p l o y i n ga dm o d e lt od e a lw i t ht h es i g n a lf o rp r e c i s et e m p e r a t u r e c o n t r o l ，m e a n w h i l eu s i n gt h i sm o d e lt oc h e c kt h ep hv a l u e a l lo ft h em e a s u r e sm a k e s u r et h ee l e c t r o f o r m i n gt e c h n i c a lc a l lb ew e l lp e r f o r m e d ( 2 ) t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ol i q u i df l o wf i e l da n dc u r r e n tf i e l da r ep e r f o r m e d n o t i c et h a tt h ef o r mo ft h el i q u i df l o wc a np r o d u c ed i f f e r e n te f f e c t so nt r a n s m i s s i o ni n e l e c t r o c h e m i c a l ，u s i n gt h el i q u i da n a l y s i sm o d e lf l o t r a nc f dt od of i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st o w a r d st h i ss o l u t i o n ，w i t ht h ei n i t i a lv e l o c i t y t h er e s u l tp o i n t so u tt h a t a d d i n gt h ev e l o c i t yp e r p e n d i c u l a r t ot h es u r f a c e ，c a nm a k es o l u t i o n g o i n t ot h e i i i 广东工业大学硕士学位论文 m i c r o c h a n n e l ，t h e ng e tm o r ed i s p e r s i o na n du n i f o r m i t y n o t i c et h a tt h ee g d ee f f e c t e x s i t s ，n om a t t e rw h e t h e rt h es p a c eb e t w e e nt h ee l e c t r o d e si se q u a l ，t h en o n u n i f o r m i t y s t i l lh a p p e n s s oi ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ec u r r e n tf i e l di nt h es u r f a c eo ft h e c a t h o d e f o rt h i sr e a s o n ，a p p l yt h es h i e l da b o v et h ec m h o d ec a t h o dt oi m p r o v et h e u n i f o r m i t ya n do p t i m i zt h es p a c eb e t w e e nt h es h i e l da n dt h ec a t h o d e ( 3 ) t h ep r e c i s ee l e c t r o f o r m i n ge x p e r i m e n t s w h e nd o i n ge x p e r i m e n t s ，t h ep u l s e p o w e rw i t hp o s i t i v ea n dn e g a t i v es h a p ei se m p l o y e d ，i no r d e rt og e tm o r ec h a n g i n g c o n t r o lp a r a m e t e r s c h o o s i n gt h en i c k e ls u l f a m a t es o l u t i o nw i t hl o wi n t e r n a ls t r e s sa n d h i g he f f i c i e n c y t h e nc h o o s i n g3 0 4s t a i n l e s ss t e e la st h es u b s t r a t e ，t h e ns i n g l ef a c t o r e x p e r i m e n tl i k et h ea v e r a g ec u r r e n td e n s i t y , f r e q u e n c y , d u t yc y c l ea n dt e m p e r a t u r e e f f e c t i n go nt h es u r f a c e ，h a v eb e e nr e s e a r c h e d ，d i s c u s s i n gt h el a wo fi t a f t e ra n a l y z i n g t h er e s u l t ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ea v e r a g ec u r r e n td e n s i t yi st h em o s ts i g n i f i c a n t f a c t o rf o rt h ei n t e r n a ls t r e s s ，a n dt h et e m p e r a t u r ei st h es e c o n d d u t yc y c l ei st h em o s t s i g n i f i c a n tf a c t o rf o r t h es u r f a c er o u g h n e s s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，t h ea r t i c l e p r e s e n t st h a tt h eb e t t e rc r a f tc o n d i t i o ns h o u l db e ：t h ea v e r a g ec u r r e n td e n s i t yi s5 a d m 2 ， t h ed u t yc y c l ei s0 2 ，t h ef r e q u e n c yi s15 0 0 h z ，t h et e m p e r a t u r ei s6 0 0 c a f t e rt h a t ， a p p l y i n gt h es t i r r i n gp a r ta n dt h em u l t i - p a t hm o v i n gp a r td r i v e nb ym o t o r , f o r r e s e a r c h i n gt h eq u a l i t yo ft h ed e p o s i t i o ne f f e c t e db yt h ef l o w i n gf o r m t h er e s u l t p o i n t s o u tt h ef a c tt h a tt h ew a v e s t i r r i n gc a nm a k em o r es o l u t i o ng oi n t ot h e m i c r o c h a n n e l ，s om o r eu n i f o r ml a y e rc a nb eg e t ，w h i c h i sc o n s i s t e n tw i t ht h e p r e d i c t i o no fl i q u i df l o wm o d e la n a l y z e db ya n s y s ( 4 ) t h ep r e p a r a t o r ye x p e r i m e n to ft h ef i l mp h o t o v o l t a i cm a t e r i a ld e p o s i t i o ni s r e s e a r c h e d ，a i m i n ga to p t i m i z i n gt h em e t h o do fc i sc o - d e p o s i t i o n ，m a i n l yi n c l u d i n g t h ep o t e n t i a la n dt h es t i r r i n gm e t h o d t h ep o t e n t i a lm a k e sa ni m p o r t a n tr o l ef o rt h e c o n t e n t so fd e p o s i t e de l e m e n t s w h e nt u r n i n gm o r en e g a t i v e ，m o r ec o n t e n t sc a r lb e g o t t e n ，a l s ot h es t i r r i n gi sg o o df o rm u l t i d e p o s i t i o np r o c e s s m e a n w h i l e ，i fa i m i n gt o g e tm o r ec o n t e n t so fi na n ds ei nt h ef i l m ，t h et w o s t e pm e t h o d ，w h i c hf i r s td e p o s i t si n a n ds e ，c a nb ee m p l o y e d ，t h e nc o - d e p o s i t et h ec i s k e yw o r d s ：e l e c t r o f o r m i n g ，e l e c t r o f o r m i n ge q u i p m e n t ，p l c ，p u l s ep o w e r , i v p h o t o v o l t a i cf i l m a b s l r a c t v 广东工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v i c o n t e n t s i x 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究状况2 1 2 1 电铸在国外的发展状况3 1 2 2 电铸在国内发展状况4 1 2 3 电化学沉积在半导体薄膜制作的应用5 1 3 电化学沉积理论一7 1 - 3 1 法拉第定律和电结晶过程和控制步骤7 1 3 2 双电层和扩散层8 1 3 3 电结晶的三个电极过程9 1 3 4 过电位与极化作用10 1 4 电铸中的问题1 1 1 4 1 内j 立力1 1 1 4 2 析氢12 1 4 3 不均匀性1 3 1 5 电铸电源的特点和应用1 4 1 5 1 脉冲电流的电容效应1 5 1 6 本课题的研究意义1 7 1 7 课题来源17 1 8 研究的内容和研究目标1 7 第二章电铸成型装备的总体设计1 8 2 1 电铸装备的要求1 8 2 2 整机的设计方案论证1 9 2 3 阴极夹具头2 l v i 目录 2 4 铸液的循环一体化2 3 2 5 正负脉冲电铸电源2 4 2 5 1 主要技术指标的确定2 4 2 5 2 主电路结构2 5 2 6 搅拌的方案2 6 2 6 1 旋转导电部件2 7 2 6 2 两轴工作台搅拌的总体方案2 8 2 6 3p l c 选型依据2 9 2 6 4p l c 的程序设计3 0 2 7 温度控制31 2 7 1 模块f x o n 3 a 的介绍31 2 7 2 温度变送器3 3 2 7 3 工业电镀温度控制3 4 2 8p h 检测3 6 2 9 本章小结3 6 第三章电铸过程的流场和电流场仿真分析3 8 3 1 流场分析3 8 3 2 电流场分析一4 2 3 3 减少边角效应的方法4 7 3 4 本章小结4 9 第四章精密电铸试验研究基础和试验方法5 0 4 1 精密模具电铸制作工艺流程5 0 4 1 1 基底材料的选择5 0 4 1 2 前处理5 l 4 2 后处理的常用方法5 2 4 3 铸液体系的选择5 2 4 4 测试方法和有关量的计算5 4 4 4 1 沉积速度的计算5 4 4 4 2 电流效率的计算5 5 4 4 3 铸层的内应力计算5 5 v i i 广东工业大学硕士学位论丈 4 5 单因素工艺实验5 6 4 5 1 平均电流密度对内应力的影响5 7 4 5 2 平均电流密度对表面粗糙度的影响5 9 4 5 3 占空比对粗糙度的影响6 0 4 5 4 频率对粗糙度的影响6 2 4 5 5 p h 值6 4 4 5 6 温度对内应力的影响一6 4 4 5 7 温度对粗糙度的影响6 5 4 5 8 单因素工艺实验小结6 6 4 6 旋转阴极实验6 7 4 7 多轨迹移动阴极搅拌实验6 8 4 8 本章小结7 3 第五章半导体薄膜电沉积实验7 4 5 1 电沉积法制作薄膜存在的问题7 4 5 2 实验方案7 5 5 3 电位对薄膜沉积的影响7 6 5 4 本章小结7 9 结论和展望8 0 参考文献8 2 攻读学位期间发表论文8 6 独创性声明8 7 致谢8 8 附录l 8 9 i 咐录2 9 3 v i i i c o n t e n t s co n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s ( e n g h s h ) c h a p t e r 1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1f o r e w o r d 1 1 2t h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o f o r m i n ga th o m ea n da b r o a d 2 1 2 1 t h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o f o r m i n ga b r o a d 3 1 2 2 t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o f o r m i n ga th o m e 4 1 2 3t h e a p p l i c a t i o no fe l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o ni nm a k i n gs e m i c o n d u c t o rt h i n f i l m 5 1 3t h et h e o r yo fe l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o n 7 1 3 1f a r a d a y sl a wa n de l e c t r i cc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw i t hi t sc o n t r o ls t e p s 7 1 3 2t h ed o u b l el a y e ra n dd i f f u s i o nl a y e r 8 1 3 3t h et h r e ee l e c t r o d er e a c t i o ni nc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s 9 1 3 4 一t h ee f f e c to fo v e r p o t e n t i a la n dp o l a r i z a t i o n 10 1 4t h ep r o b l e m si ne l e c t r o f o r m i n g 11 1 4 1t h ei n t e r n a ls t r e s s 11 1 4 2h y d r o g e nr e l e a s e 1 2 1 4 3t h en o n u n i f o r m i t y 1 ：； 1 5t h ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no f t h ep o w e rs o u r c ei ne l e c t r o f o r m i n g 1 4 1 5 1 t h ec a p a c i t a n c ee f f e c t so f p u l s e p o w e r 1 5 1 6t h es i g n i f i c a n c eo f t h es t u d yo ne l e c t r o f o r m i n gi nt h i sa r t i c a l 1 7 1 7s u b j e c to r i g i n 17 1 8t h ec o n t e n t sa n dt h ep u r p o s ei nt h i ss u b j e c tr e s e a r c h 17 c h a p t e r 2 t h ee n t i r ed e s i g nf o rt h ee l e c t r o f o r m i n ge q u i p m e n tm a k i n gs m a l lp a r t s 2 1t h ed e s i r ef o rt h ee q u i p m e n t 18 广东工业大学硕士学位论文 2 2t h ec o n t r a s to ft h e p r o p o s a l s 19 2 3t h ec l a m p i n gp a r tf o rc a t h o dh o l d i n g 2 1 2 4l o o pi n t e g r a t i o no fs o l u t i o n 2 3 2 5t h ep u l s ep o w e rw i t hp o s i t i v ea n dn e g a t i v ef o r mu s i n gf o re l e c t r o f o r m i n g 2 4 2 5 1 t h ed e t e r m i n ef o rt h em a i nt e c h n i c a lt a r g e t 2 4 ：! 5 2 t h em a i nl a y o u to fc i r c u i t 2 5 ：! 6t h es t i r i n gp r o p o s a l 2 6 2 6 1t h er o t a t i n gp a r t 2 7 2 6 2t h eo v e r a l lp r o p o s a lo f t w o - a x i sm o v i n gc o n t r 0 1 2 8 ：z 6 3t h eb a s i sf o rc h o o s i n gt h et y p eo fp l c 2 9 2 6 4t h ep r o g r a md e s i g nf o rp l c 3 0 2 7t e m p e r r a t u r ec o n t r 0 1 31 2 7 1t h ei n t r o d u c t i o nf o rm o d e lf x o n 3 a 31 ：2 7 2t h et e m p e r a t u r et r a n s m i t t e r 3 3 ：2 7 3t e m p e r r a t u r ec o n t r o li ni n d u s t r ya p p l i c a t i o