金相試片製備與顯微組織觀察分析金相試片製備與顯微組織觀察分析

(1)

台灣師範大學機電科技學系 -1-

哪些機電相關技術必須以化學技術完哪些機電相關技術必須以化學技術完

成或是提升性能？

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電科技學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University

Tel: 02-23583221 ext. 14 E-mail:[email protected]

C. R. Yang, NTNU MT

-2- z 金相試片製備顯微組織觀察與分析。

z 加工完成之機械零組件電解拋光。

z 電化學電鍍製程–機械組件抗磨耗、耐腐蝕、美觀等。

z 電化學電鑄製程–金屬銘版、精密模具、光學應用模具製作等。

z 電化學陽極處理–鋁、鈦金屬表面發色處理。

z 金屬著色、染色與彩色電泳塗層。

z 銅導線電鍍與蝕刻印刷電路板

z 半導體製程–應用於IC、LED、LCD、微機電、奈米科技等製程。

z 生醫感測器與生物晶片。

z 氣體感測器技術。

z 新興能源技術–太陽能技術、燃料(氫氣、甲醇)電池。

z 汽車應用–生質能源引擎、觸媒防污染技術。

z …

(2)

金相試片製備與顯微組織觀察分析金相試片製備與顯微組織觀察分析

(1) 切取試片 (2) 砂輪粗磨 (4) 砂紙細磨

(5)洗淨試片(水)

(6) 精磨拋光

或電解拋光 (7) 洗淨試片(水) (3) 鑲埋試片

(9) 腐蝕試片 (10) 洗淨試片(水) (11) 洗淨試片(酒精) (12) 熱風乾燥

(13) 顯微鏡觀察

(8) 洗淨試片(酒精)

冷鑲埋、熱鑲埋

拋光布、 Al2O₃溶液、鑽石膏或電解拋光溶液之調配與操作

粗→細研磨砂紙

腐蝕液調配與操作鑽石切割片

超音波震洗

Nital或Picral溶液

鋁與鋁合金

灰鑄鐵的Ferrite，

Pearlite，磷化鐵共 晶

4~5 秒 苦味酸飽、酒精 78cc、硝 酸 2 cc、水20cc 苦味酸

現出淬火、回火鋼的 Austenite晶粒 鹽酸 5 cc、苦味酸 1 g

、酒精 100 cc 鹽酸與苦味酸

碳鋼的各種組織 數秒～1分

苦味酸 4 g、酒精 100 cc Pical 溶液

碳鋼的各種組織，

Ferrite的晶界 數秒～1分

硝酸 1-5 cc、酒精 100 cc Nital 溶液

鋼鐵

70^oC、5秒 NaOH 0.1-20 g、水 100

cc NaOH

10-30 秒 2.5%HNO₃+1.5%HCl

Kellers 溶液

Cu-Zn、Cu-Al、

Cu-Sn、 Cu-Sb 氯化第二鐵 10g、鹽酸 30 30 秒

cc 、水 120 cc 氯化第二鐵

銅與銅合金 氨水 10 cc、水 10 cc、過 1分

氧化氫4-10cc 氨水與過氧化

銅與銅合金氫

附註腐蝕

時間成份

腐蝕液金屬及合金

金相試片腐蝕溶液調配金相試片腐蝕溶液調配

(3)

肥粒鐵 (Ferrite) 波來鐵(Pearlite) 麻田散鐵(Martensite)

網狀雪明碳鐵下變韌鐵麻田散鐵與殘留沃斯田鐵

-6-

低碳鋼滲碳組織高週波感應硬化組織共析鋼脫碳組織

(4)

電化學加工技術

電化學加工技術 – – 機械零組件電解拋光機械零組件電解拋光

把金屬工件當做陽極，放置在特殊的電解液中通電，金屬表面會因溶解而獲 平滑及光澤的研磨面，這種方法就稱電解拋光(ElectroPolishing)，或電化學 拋光(Electrochemical Polishing)，或稱電解研磨(Electrolyte Polishing)。

工件

電解拋光除了可使表面光滑外，也可鈍化表層電解拋光可移除機械拋光所遺留的缺陷，並使表面更光滑

機械拋光後之表面並未完全平滑，並隱藏有許多缺點未加工前粗糙的表面

電解拋光(EP)電解拋光(EP)與機械拋光與機械拋光(MP)比較(MP)比較

(5)

不銹鋼電解拋光的應用範圍及特性不銹鋼電解拋光的應用範圍及特性

z不銹鋼電解拋光在半導體、光電、微機電、生物科技、化工、醫療、儀器、食品工業及其它製造業中被廣泛採用。

z閥件、管件、接頭、無縫管、化工桶槽、真空腔體、流體控制零組件等。

z不銹鋼雷射切割，可以去除雷射切割加工後產生之毛邊，清除不銹鋼表面氧化物，獲得光滑清潔的表面。

z增加不銹鋼耐蝕性，提高反射率，不會影響尺寸精密度。

http://www.techplate.com.tw/

-10-

電化學加工技術

電化學加工技術 – – 電化學電鑄模造成形電化學電鑄模造成形

Power supply

Cathode Anode

e^- e^-

Ni → Ni²⁺→ Ni 2e^- 2e^-

2H₂O + 2e^-→ H₂+ 2OH^-

↑

H₂ ↑

H₂

↑ H₂

Ni deposition H₂evolution Ni dissolution

PMMA準分子雷射微加工

鎳金屬電鑄翻製

(6)

Ref:金屬工業中心邱先拿正工程師

精微電鑄技術應用例：

1. 光纖連接器套管(ferrule)。

2. 微機電元件，如微小馬達轉子。

3. 人工關節、骨骼固定器。

4. 人工齒根。

5. 電池用導電板、金屬網篩。

6. 細微衝壓治具、精密對位治具。

7. 噴墨頭用之噴孔片。

8. 蒸鍍用金屬罩(metal mask)。

9. 半導體覆晶封裝(Flip-chip BGA)。

10. 印刷用鋼板。

電鑄銘板之應用電鑄銘板之應用

http://wenbi.ttnet.net/ttnet/gotohtm/0/4303033313630303.htm

(7)

http://www.hubblevision.com/index_b.htm

微型光學透鏡之精密模具開發微型光學透鏡之精密模具開發

-14-

複合電鑄應用於鑽石砂輪碟之製作複合電鑄應用於鑽石砂輪碟之製作

http://www.kinik.com/KINIK/products/CMP.asp

(8)

電化學陽極處理

電化學陽極處理 – – 鋁、鈦金屬表面發色處理鋁、鈦金屬表面發色處理

鈦合金發色處理技術原理 (Titanium Coloring) :

鈦合金陽極發色原理是將被處理之鈦合金工件放置於特殊電解液中，施以一定的電流、電壓；鈦合金表面會被電解氧化後生成鈦氧化膜。光線經不同膜厚之 鈦氧化膜反射、折射，吸收可見光波長(400~700 nm)反射出不同互補色而改變 鈦合金表面的顏色。(實際上鈦合金發色製程產生之鈦氧化膜本身並無顏色。)

http://www.techplate.com.tw/

實現高科技產業的基礎

實現高科技產業的基礎 ––半導體製程半導體製程

IC、LED、LCD、太陽能電池、微機電、奈米科技等產業之基礎

(9)

Design House

140

Substrate 15 Photo

Mask 4

Testing 37 Lead

Frame 13

Packaging 48

Blank Wafer

8 Chemical 聯發科 20

威盛類比科創意

…

台灣光罩翔準先進台灣杜邦中華凸版

合晶崇越漢磊中美晶

…

聯電力晶旺宏華邦電台積電世界先進

… IC Fab

16

日月光、矽品、

華泰、南茂、京元電、力成、飛信、超豐、菱生 景碩、全懋、華通… 及華東…

順德、百容、佳穎…

Infrastructure of Taiwan IC Industry Infrastructure of Taiwan IC Industry

台灣I C產業結構完整，在群聚效應下，

創造了我國I C產業強大競爭力

揚博克萊恩長興化工

…

-18-

(10)

IC Chips

(11)

薄膜電晶體

薄膜電晶體 -液晶顯示器 - 液晶顯示器 (TFT- (TFT -LCD) LCD)結構結構

-22-

LCD 製程技術 LCD 製程技術

(12)

Samsung shows 1cm

Samsung shows 1cm- -thick 40in LCD TV thick 40in LCD TV

Fabrication Process of LEDs on Sapphire Fabrication Process of LEDs on Sapphire

Sapphire u-GaN n-GaN

p-GaNMQW ^p-GaN_n-GaN

u-GaN sapphire

Mesa Semitransparent metal

或ITO導電玻璃

p-type contact Ni/Au n-type contact Ti/Al

sapphire u-GaN n-GaN

MQW p-GaN

MQW

(1) 磊晶結構 (2) 定義大小區塊

(4)P電極製作 (5)N電極製作

(3)透明接觸層製作

(6)熱處理

(7)點燈測試

(13)

LED應用市場分類 LED 應用市場分類

-26-

Applications of LED Applications of LED

LED照明燈 LED 公園路燈

車頭LED照明燈

藍光DVD讀寫頭 LED戶外看板

LED室內裝飾燈 手機LED背光源紅綠燈

(14)

微機電系統

微機電系統 (MEMS)技術 (MEMS) 技術

把玩齒輪的螞蟻(IMT, Germany) 3D Optical Scanner3D Optical Scanner((Analog Device Inc., USA)

旋轉式微馬達旋轉式微馬達可變聚焦位置透鏡

可變聚焦位置透鏡

微汽車之組成微汽車之組成

微小汽車微小汽車

(Denso Corporation, Aichi, Japan)

(微機械加工製作技術(微機械加工製作技術))

(15)

Micro Cars Micro Cars

(Courtesy of Denso Research Laboratories, Denso Corporation, Aichi, Japan)

Shell-body fabrication for microcar

-30-

(IMM, Germany)

汽車氣囊加速度計

(16)

MEMS 3

MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片

WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技：任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

高階數位相機中，鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震，效果較光學式防手震為佳。

如果沒有MEMS，iPhone螢幕就無

(17)

z奈米科技一般係指利用數奈米至數十奈米之觀察與操作技術，製作出具有該尺度之各種機能新穎的構造體，將其作各種不同領域與製程整合並加以利用之技術。

–「由上往下趨近」(top down approach ) –「由底而上趨近」(bottom up approach)

實現奈米科技的方法實現奈米科技的方法

研究奈米科學技術的最終目標，是人類按照自己的意志操縱單個原子

，組裝具有特定功能的成品，從而改變人類的生產和生活模式。

-34-

電子束直寫系統 (E-beam direct writer)

「由上往下趨近」

「由上往下趨近」 (top down approach ) (top down approach )

Nanopillar structures fabricated by e-beam lithography

N. Kaji et. al., Analytical Chemistry, 76 (2004) 15-22.

(18)

原子操縱術原子操縱術

「由底而上趨近」「由底而上趨近」(bottom up approach) (bottom up approach)

掃描式探針移動原子之模式掃描式探針移動原子之模式

掃描式探針移動原子之模式

(19)

1990年美國IBM的一群研究人員，首度將一顆顆 氙原子在鎳表面上拖曳，逐顆原子排成“IBM”三 個英文字母，相當引人注目，被當時世界各國媒體爭相報導。後來，同一個實驗室又搬移近百顆鐵原子形成中文「原子」二字，此結果也成為雜誌及國際研討會的封面圖案。

http://www.phys.sinica.edu.tw/~nano/stm.htm

-38-

自組裝單層膜

自組裝單層膜(Self assembly monolayer, SMA)(Self assembly monolayer, SMA)

「由底而上趨近」「由底而上趨近」 (bottom up approach) (bottom up approach)

(20)

點筆蝕刻法點筆蝕刻法

新興能源技術

新興能源技術 –太陽能電池 – 太陽能電池 (Solar Cells) (Solar Cells) 技術技術

(c) Amorphous silicon (c) Amorphous silicon (a) MonocrystallineMonocrystallinesilicon (b) Polycrystalline silicon(b) Polycrystalline silicon

(21)

台灣師範大學機電科技學系 -41- Ref.: 戴明鳳, “國內外PV應用實例”, 吳鳳技術學院電子工程系.

Applications of solar cell Applications of solar cell

-42-

Applications of solar cell Applications of solar cell

Factory, 480 kW System Kumamoto, Japan Kindergarten Gifu, Japan

9.5 kW System

200 kW System, Platform 28 kW System School Gunma, Japan

Building Integrated Photovoltaics, Japan

Train Station, Berlin, Germany Amorphous Si Solar Modules Ref : 黃家華, “光電半導體實驗室資料”, 國立東華大學電機工程學系.

(22)

新興能源技術

新興能源技術– –甲醇燃料甲醇燃料(Fuel Cells) (Fuel Cells)電池電池

Anode reaction: CH

Anode reaction: CH33OH + HOH + H22O O →→COCO2 2 + 6H+ 6H⁺⁺+ 6e+ 6e^-^- Cathode reaction: 1.5O

Cathode reaction: 1.5O22+ 6H+ 6H⁺⁺+ 6e+ 6e^-^-→→3H3H22OO

Schematic structure of the micro Schematic structure of the micro--DMFCDMFC

Y. Ho et. al., Journal of

Y. Ho et. al., Journal of MicroelectromechanicalMicroelectromechanicalSystems, (2003) 375Systems, (2003) 375--378378.. Working principle of the fuel cell

Working principle of the fuel cell

NEC Unveils Notebook with built-in fuel cell

Various 3C product powered by fuel cell Various 3C product powered by fuel cell

A MP3 player powered by alcohol http://www.nec.co.jp/press/en/0306/3002.html

Portable fuel cell powered by Toshiba

NEC

NEC Hitachi Maxell

金相試片製備與顯微組織觀察分析 金相試片製備與顯微組織觀察分析

哪些機電相關技術必須以化學技術完 哪些機電相關技術必須以化學技術完

成或是提升性能？

成或是提升性能？

楊 啟 榮 博士

金相試片製備與顯微組織觀察分析 金相試片製備與顯微組織觀察分析

電化學加工技術

電化學加工技術 – – 機械零組件電解拋光 機械零組件電解拋光

不銹鋼電解拋光的應用範圍及特性 不銹鋼電解拋光的應用範圍及特性

電化學加工技術

電化學加工技術 – – 電化學電鑄模造成形 電化學電鑄模造成形

電鑄銘板之應用 電鑄銘板之應用

微型光學透鏡之精密模具開發 微型光學透鏡之精密模具開發

複合電鑄應用於鑽石砂輪碟之製作 複合電鑄應用於鑽石砂輪碟之製作

電化學陽極處理

電化學陽極處理 – – 鋁、鈦金屬表面發色處理 鋁、鈦金屬表面發色處理

Infrastructure of Taiwan IC Industry Infrastructure of Taiwan IC Industry

IC Chips

IC Chips

薄膜電晶體

薄膜電晶體 -液晶顯示器 - 液晶顯示器 (TFT- (TFT -LCD) LCD)結構 結構

LCD 製程技術 LCD 製程技術

Samsung shows 1cm

Samsung shows 1cm- -thick 40in LCD TV thick 40in LCD TV

Fabrication Process of LEDs on Sapphire Fabrication Process of LEDs on Sapphire

LED應用市場分類 LED 應用市場分類

微機電系統

微機電系統 (MEMS)技術 (MEMS) 技術

微小汽車 微小汽車

Micro Cars Micro Cars

汽車氣囊加速度計

汽車氣囊加速度計

MEMS 3

MEMS 3軸加速度感應晶片 軸加速度感應晶片

實現奈米科技的方法 實現奈米科技的方法

「由上往下趨近」

「由上往下趨近」 (top down approach ) (top down approach )

「由底而上趨近」 「 由底而上趨近」(bottom up approach) (bottom up approach)

掃描式探針移動原子之模式

掃描式探針移動原子之模式

「由底而上趨近」 「 由底而上趨近」 (bottom up approach) (bottom up approach)

點筆蝕刻法 點筆蝕刻法

新興能源技術

新興能源技術 –太陽能電池 – 太陽能電池 (Solar Cells) (Solar Cells) 技術 技術

Applications of solar cell Applications of solar cell

Applications of solar cell Applications of solar cell

新興能源技術

新興能源技術– –甲醇燃料 甲醇燃料(Fuel Cells) (Fuel Cells)電池 電池

Various 3C product powered by fuel cell Various 3C product powered by fuel cell

金相試片製備與顯微組織觀察分析金相試片製備與顯微組織觀察分析

哪些機電相關技術必須以化學技術完哪些機電相關技術必須以化學技術完

楊啟榮博士

金相試片製備與顯微組織觀察分析金相試片製備與顯微組織觀察分析

電化學加工技術 – – 機械零組件電解拋光機械零組件電解拋光

不銹鋼電解拋光的應用範圍及特性不銹鋼電解拋光的應用範圍及特性

電化學加工技術 – – 電化學電鑄模造成形電化學電鑄模造成形

電鑄銘板之應用電鑄銘板之應用

微型光學透鏡之精密模具開發微型光學透鏡之精密模具開發

複合電鑄應用於鑽石砂輪碟之製作複合電鑄應用於鑽石砂輪碟之製作

電化學陽極處理 – – 鋁、鈦金屬表面發色處理鋁、鈦金屬表面發色處理

薄膜電晶體 -液晶顯示器 - 液晶顯示器 (TFT- (TFT -LCD) LCD)結構結構

微小汽車微小汽車

MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片

實現奈米科技的方法實現奈米科技的方法

「由底而上趨近」「由底而上趨近」(bottom up approach) (bottom up approach)

「由底而上趨近」「由底而上趨近」 (bottom up approach) (bottom up approach)

點筆蝕刻法點筆蝕刻法

新興能源技術 –太陽能電池 – 太陽能電池 (Solar Cells) (Solar Cells) 技術技術

新興能源技術– –甲醇燃料甲醇燃料(Fuel Cells) (Fuel Cells)電池電池