CN114908408B - 一种具有整平能力的电化学抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有整平能力的电化学抛光方法，包括以下步骤：制备超光滑超平整的固体电解质抛光垫；将固体电解质抛光垫放置于电解池中；放置金属工件；进行电化学抛光加工。本发明扩展了电化学抛光技术，利用了固体电解质抛光垫内部可进行电解液和电解产物物质传递的性质和它的超平整表面，可在进行电化学抛光的同时对工件表面生成的粘膜层进行形状约束。因而不管是在粗糙峰尺度还是波纹度尺度，因粘膜层薄厚差异造成了工件高低点处电阻差异进而使工件高点去除率显著高于低点，工件被逐渐抛光整平。本发明中固体电解质的应用使适用于抛光加工的钝化电位比传统的电化学抛光提高了约5倍，从而显著提高了加工效率。

Description

一种具有整平能力的电化学抛光方法
技术领域
本发明涉及一种金属平面件的整平和抛光技术，尤其涉及一种金属平面件的高效电化学整平抛光方法。
背景技术
高质量无缺陷的金属平面件在航空航天、精密机械、电子工业等领域有着重要的应用。以铜平面件为例，在这些领域中为满足超平坦和超光滑铜基板、低电磁损耗铜表面等应用需求，需要加工出超光滑超平整无缺陷的表面。
在依赖机械力实现的金属表面抛光工艺中，化学机械抛光是广泛应用于金属表面平坦化的一种抛光方法，它利用化学反应与机械磨损的协同作用，实现铜表面的抛光。化学反应使工件表面生成一层质地较软的化学反应膜，从而降低了去除表面材料的阈值力，但表面缺陷，如磨粒嵌入、微划痕、微裂纹、工件变形仍然是不可避免的。因此，依赖机械力实现材料去除的抛光方法难以获得超光滑无缺陷的工件表面。
无应力抛光方法是高质量无缺陷表面最具潜力的加工方法。现有的无应力抛光方法主要有化学抛光、能量束抛光和电化学抛光等。其中，由于化学抛光的临界加工粗糙度仅为亚微米并不能达到超光滑表面的使用要求；由于能量束抛光所用设备昂贵、使用费用较高以及加工效率较低等问题，也并不适合应用于大面积表面加工；电化学抛光是将金属工件作为阳极浸泡于抛光电解液中在特定电压下进行电解抛光的无应力加工工艺，铜的电化学抛光粘膜理论认为在电化学抛光过程中会在工件表面生成电阻比电解液大得多的粘膜层。在微观尺度上，可近似认为粘膜层为理想平面，由于粘膜层在微粗糙峰峰顶处比谷底处更薄，电阻小，因此会有更大的电流密度，所以峰顶处铜的去除速度也会更快。随着电化学抛光的进行，峰值会逐渐减小，从而实现工件表面纳米级粗糙度的抛光加工。但是在宏观尺度上，如果工件初始面形不是理想平面，则粘膜层形状也会随面形而起伏变化，所以对于表面形貌的波纹度误差来说，其高低点处粘膜层平均厚度没有明显差异，因而无法实现波纹度高低点处的异速去除。所以电化学抛光没有整平波纹度特征改善面形的能力。
综上所述，现有方法存在的问题：
1、依赖机械力的抛光方法易出现划痕、磨粒嵌入、工件变形等缺陷。
2、金属的化学抛光临界加工粗糙度仅为亚微米，不能达到超光滑表面的使用要求。
3、能量束抛光所用设备昂贵、使用费用较高、加工效率较低，不适用于大面积的金属表面加工。
4、电化学抛光无法整平工件表面波纹度特征提高面形精度。
所以到目前为止还没有一种低成本、效率高且兼具超光滑表面抛光和面形精度提高两种能力的无应力抛光方法。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提供一种低成本、效率高且兼具超光滑表面抛光和面形精度的具有整平能力的电化学抛光方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有整平能力的电化学抛光方法，包括以下步骤：
A、制备超光滑超平整的固体电解质抛光垫
固体电解质抛光垫采用固体电解质制备，具体步骤如下：
A1、在烧杯中配制固体电解质溶液；
A2、将配制好的预制溶液迅速倒入模具中，溶液过量，使之上表面成拱形，迅速且小心地将洁净的具有超光滑超平整表面的物体盖压在模具上避免产生气泡；
A3、待电解质溶液完全固化后将固体电解质从模具中取出，得到超光滑超平整的固体电解质抛光垫；
B、将固体电解质抛光垫放置于电解池中
将固体电解质抛光垫的超平整表面朝上置于盛有抛光电解液的电解池中，使固体电解质抛光垫的超平整表面保持水平且电解液液面在固体电解质抛光垫的超平整表面之下；
C、放置金属工件
将前处理后的金属工件的待抛光面朝下置于固体电解质抛光垫的超平整表面上，金属工件连接导线作为工作电极；
D、进行电化学抛光加工
在金属工件和固体电解质抛光垫具有相对运动的状态下，对金属工件进行电化学抛光加工；
E、取下金属工件
将金属工件从固体电解质抛光垫上取下，加工完毕。
进一步的，步骤A所述固体电解质包括聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶或琼脂糖凝胶。
进一步的，步骤A所述超光滑为表面粗糙度小于100nm，超平整为面形精度峰谷值小于5μm。
进一步的，步骤B所述抛光电解液按照待加工工件的材料进行选择且为钝化型电解液，用所述抛光电解液测定的极化曲线具有钝化区。
进一步的，步骤C所述前处理为对金属工件进行表面清洁，表面清洁方法为超声清洗和稀酸去除氧化层。
进一步的，步骤D所述相对运动的驱动力的作用方向在水平面内，金属工件依靠自身重力与固体电解质抛光垫的超平整表面贴合。
进一步的，步骤D所述电化学抛光加工所用的电位为钝化电位。
与现有方法相比，本发明的突出优点是：
1、本发明涉及到在其内部可进行电解液和电解产物物质传递的固体电解质抛光垫以及可用于电化学抛光加工的三电极体系。这一固-液电解质电化学抛光方法与传统的进行金属平面件抛光的电化学抛光方法有明显区别。传统的金属平面件电化学抛光是将工件直接浸没于抛光电解液中，如果工件初始面形在宏观尺度上不是理想平面，则粘膜层形状也会随面形而起伏变化，所以对于表面形貌的波纹度误差来说，其高低点处粘膜层平均厚度没有明显差异，因而无法实现波纹度高低点处的异速去除。所以电化学抛光没有整平波纹度特征改善面形的能力。而本发明扩展了电化学抛光技术，利用了固体电解质抛光垫内部可进行电解液和电解产物物质传递的性质和它的超平整表面，可在进行电化学抛光的同时对工件表面生成的粘膜层进行形状约束。这一重要转变是实现兼具超光滑表面抛光和面形精度提高两种能力的电化学抛光方法的关键，因为粘膜层的形状受到了约束，所以粘膜层与固体电解质抛光垫接触的表面在宏观尺度上仍能始终保持平面面形而不随工件的面形而变化，因而不管是在粗糙峰尺度还是波纹度尺度，因粘膜层薄厚差异造成了工件高低点处电阻差异进而使工件高点去除率显著高于低点，工件被逐渐抛光整平。
2、本发明中固体电解质的应用使适用于抛光加工的钝化电位比传统的电化学抛光提高了约5倍，钝化电位的提高导致了电化学溶解速率的增大，从而显著提高了加工效率。
3、本发明利用了制备的固体电解质抛光垫内部可进行电解液和电解产物物质传递的性质和它的超平整表面，并将其与电化学抛光技术相结合，可以实现金属表面纳米级粗糙度的抛光加工和面形精度的提高。与能量束抛光方式，如激光抛光相比，短脉冲激光设备昂贵，成本高，抛光费用贵，而且对抛光过程中的检测技术和精密控制技术要求很高，不适用于大面积的金属表面抛光。而本发明依据所制备的超平整固体电解质抛光垫的大小可进行大面积的金属表面抛光整平，且不需要使用超精密机床控制，为金属平面件的抛光提供了一种低成本、效率高且兼具超光滑表面抛光和面形精度提高两种能力的新颖的无应力抛光方法，并且未见任何相关报道。
附图说明
图1为本发明实施例铜平面件固-液电解质电化学抛光的固体电解质抛光垫制备流程示意图。
图2为本发明实施例铜平面件固-液电解质电化学抛光装置示意图。
图3为本发明实施例铜平面件固-液电解质电化学抛光加工前后的铜平面件光学照片及激光共聚焦显微镜拍摄的局部放大照片对比图。
图4为本发明实施例铜平面件固-液电解质电化学抛光加工前后的铜平面件面形对比图。
图中：1、预制溶液，2、模具，3、平晶，4、抛光垫，5、铜平面件，6、抛光电解液，7、铂丝环，8、饱和硫酸亚汞参比电极，9、电化学工作站。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1为本发明实施例铜平面件固-液电解质电化学抛光的固体电解质抛光垫制备流程示意图。在实施例中，固体电解质抛光垫采用聚丙烯酰胺凝胶(PAG)制备。在图1中，a为PAG抛光垫的固化制备过程；b为从模具中取出PAG抛光垫过程。首先在烧杯中配制预制溶液1，PAG预制溶液的配制方法为：按丙烯酰胺(Acr)260mg/ml、甲叉双丙烯酰胺(Bis)6mg/ml、过硫酸铵(AP)5mg/ml配制溶液，充分搅拌至完全溶解后，加入0.5μl/ml四甲基乙二胺(TEMED)作为催化剂，搅拌均匀。将配制好的预制溶液1迅速倒入圆柱形模具2中，溶液过量，使之上表面成拱形，迅速且小心地将洁净的平晶3盖压在模具2上避免产生气泡。待溶液完全固化后将PAG从模具2中取出，得到复刻有平晶面形精度的超平整抛光垫4。
图2为本发明实施例铜平面件固-液电解质电化学抛光装置示意图。将抛光垫4的超平整表面朝上置于盛有抛光电解液6(45％磷酸+5％无水乙醇+3％乳酸+3g/L苯并三氮唑+1.5g/L醋酸铵)的电解池中，且抛光垫4的超平整表面暴露于液面之上，静置一段时间，使抛光电解液6在抛光垫4中充分且均匀存储。铜平面件固-液电解质电化学抛光装置由三电极体系和工件运动装置构成。在三电极体系中，铜平面件5为工作电极，铂丝环7为辅助电极，饱和硫酸亚汞电极8为参比电极，电化学加工参数由电化学工作站9控制，所选用的加工电位为钝化电位6V vs.MSE。工件运动装置可驱动铜平面件5在PAG抛光垫4上进行相对运动。
图3为本发明实施例铜平面件固-液电解质电化学抛光加工前后的铜平面件光学照片及激光共聚焦显微镜拍摄的局部放大照片对比图。图3(a)为初始工件的光学照片及激光共聚焦显微镜拍摄的局部放大照片，初始工件表面有肉眼可见的明显磨削划痕，表面粗糙度为82.8nm(由原子力显微镜测得，测量范围为10μm×10μm)。图3(b)为固-液电解质电化学抛光加工15min后的工件，光学照片及局部放大照片均显示工件表面光洁无划痕及其他缺陷，抛光效果良好，表面粗糙度为2.926nm。
图4为本发明实施例铜平面件固-液电解质电化学抛光加工前后的铜平面件面形对比图。面形数据由平面度测量仪测得。如图4(a)所示，为初始工件的面形，峰谷(PV)值为16.3911μm。图4(b)为固-液电解质电化学抛光加工15min后的工件面形，PV值为1.8053μm，面形得到了很大的改善，说明固-液电解质电化学抛光方法具有良好的整平能力。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有整平能力的电化学抛光方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、制备超光滑超平整的固体电解质抛光垫
固体电解质抛光垫采用固体电解质制备，具体步骤如下：
A1、在烧杯中配制固体电解质溶液；
A2、将配制好的预制溶液迅速倒入模具中，溶液过量，使之上表面成拱形，迅速且小心地将洁净的具有超光滑超平整表面的物体盖压在模具上避免产生气泡；
A3、待电解质溶液完全固化后将固体电解质从模具中取出，得到超光滑超平整的固体电解质抛光垫；
B、将固体电解质抛光垫放置于电解池中
将固体电解质抛光垫的超平整表面朝上置于盛有抛光电解液的电解池中，使固体电解质抛光垫的超平整表面保持水平且电解液液面在固体电解质抛光垫的超平整表面之下；
C、放置金属工件
将前处理后的金属工件的待抛光面朝下置于固体电解质抛光垫的超平整表面上，金属工件连接导线作为工作电极；
D、进行电化学抛光加工
在金属工件和固体电解质抛光垫具有相对运动的状态下，对金属工件进行电化学抛光加工；
E、取下金属工件
将金属工件从固体电解质抛光垫上取下，加工完毕；
步骤A所述固体电解质包括聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶或琼脂糖凝胶。
2.根据权利要求1所述一种具有整平能力的电化学抛光方法，其特征在于：步骤A所述超光滑为表面粗糙度小于100 nm，超平整为面形精度峰谷值小于5 µm。
3.根据权利要求1所述一种具有整平能力的电化学抛光方法，其特征在于：步骤B所述抛光电解液按照待加工工件的材料进行选择且为钝化型电解液，用所述抛光电解液测定的极化曲线具有钝化区。
4.根据权利要求1所述一种具有整平能力的电化学抛光方法，其特征在于：步骤C所述前处理为对金属工件进行表面清洁，表面清洁方法为超声清洗和稀酸去除氧化层。
5.根据权利要求1所述一种具有整平能力的电化学抛光方法，其特征在于：步骤D所述相对运动的驱动力的作用方向在水平面内，金属工件依靠自身重力与固体电解质抛光垫的超平整表面贴合。
6.根据权利要求1所述一种具有整平能力的电化学抛光方法，其特征在于：步骤D所述电化学抛光加工所用的电位为钝化电位。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1842577A (zh) * 2003-06-06 2006-10-04 应用材料公司 用于抛光导电材料的抛光组合物和方法
KR20100045289A (ko) * 2008-10-23 2010-05-03 주식회사 동진쎄미켐 전기화학 기계적 연마용 연마 패드 및 이를 이용한 연마 방법
CN101870851A (zh) * 2010-06-02 2010-10-27 浙江工业大学 化学机械抛光液和抛光方法
CN113584568A (zh) * 2021-08-04 2021-11-02 大连理工大学 一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法
CN113699579A (zh) * 2021-09-03 2021-11-26 深圳市汉伟港泰首饰机械设备有限公司 一种金属抛光方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090078583A1 (en) * 2007-01-22 2009-03-26 Itsuki Kobata Electrochemical mechanical polishing method and electrochemical mechanical polishing apparatus

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1842577A (zh) * 2003-06-06 2006-10-04 应用材料公司 用于抛光导电材料的抛光组合物和方法
KR20100045289A (ko) * 2008-10-23 2010-05-03 주식회사 동진쎄미켐 전기화학 기계적 연마용 연마 패드 및 이를 이용한 연마 방법
CN101870851A (zh) * 2010-06-02 2010-10-27 浙江工业大学 化学机械抛光液和抛光方法
CN113584568A (zh) * 2021-08-04 2021-11-02 大连理工大学 一种金属微细结构的电化学高精度抛光方法
CN113699579A (zh) * 2021-09-03 2021-11-26 深圳市汉伟港泰首饰机械设备有限公司 一种金属抛光方法

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