大径厚比纯铜零件的化学机械抛光试验研究

摘要

极端制造是指在极端条件下，制造具有极端尺寸或极高性能的零件和功能系统，且所制造的产品能在多种极端强化的能场和运动环境中工作。精密物理实验需要极高制造精度和表面质量的实验样品来研究极端条件下材料表/界面特性以及进行高能量密度物理实验等，要求试验样品具有较高面形精度与良好的表面质量，其中对薄壁平面、曲面等弱刚性零件的极端制造需求紧迫。但以纯铜作为弱刚性零件的制造材料，使用机械抛光等传统加工方式进行加工时，存在机械加工性差、工件变形严重问题，因此需要一种低应力的精密加工方式，使零件获得高面形精度与表面质量，以满足精密物理实验需求。在当前精密加工工艺之中，化学机械抛光（CMP）是一种能够实现全局平坦化的成熟加工技术，但在目前纯铜材料相关的化学机械抛光研究中，研究对象仅限于IC电路铜互连或小径厚比（低于25）纯铜零件，如果将现有CMP工艺应用到大径厚比（高于25）纯铜零件中，零件会产生面形精度恶化等问题，无法满足精密物理实验对零件高面形精度与良好表面质量的需求。因此本文对大径厚比纯铜零件进行了CMP试验研究。主要研究内容如下： (1)筛选了大径厚比纯铜零件的CMP抛光液配方。通过正交试验，初步筛选出数种抛光效果较好的抛光液配方。进一步通过单因素试验对筛选结果进行优化，根据平面度与表面粗糙度的改善效果进行评价，确定最佳的抛光液配方成分为：次氯酸钠、六偏磷酸钠、乳化剂OP-10，磨料为硅溶胶，余量为去离子水。最后通过重复性试验验证其效果。 (2)优化了大径厚比纯铜零件的化学机械抛光的工艺参数。在无外加载荷条件下通过单因素试验筛选确定最佳工艺参数及试验条件。在该工艺条件下对大径厚比纯铜零件进行化学机械抛光，零件的平面度PV值由抛光前的4.813μm改善至抛光后的2.917μm，表面粗糙度Ra值由抛光前的31.373nm改善至抛光后的3.776nm。 (3)研究了大径厚比纯铜零件化学机械抛光的去除机理。通过能谱分析检测加工工件表面元素成分，并通过分光光度法检测抛光废液中的离子成分，总结了反应方程式，验证了化学作用与机械作协同进行的材料去除模型，并分析了化学机械抛光后腐蚀缺陷的产生原因。 (4)研究了大径厚比纯铜零件的CMP加工残余应力。分别使用本文提出的CMP工艺、传统机械抛光工艺以及现有研究提出的CMP工艺对大径厚比纯铜零件进行加工，发现本文提出的CMP工艺所产生的残余应力小于传统机械抛光工艺与现有研究所提出的CMP工艺。通过CMP加工时间的单因素试验，初步研究了抛光时间对本文提出的CMP工艺所产生残余应力的影响。

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