SUS制程中不锈钢管内表面处理

SUS製程中不鏽鋼管內表面處理

1. 酸洗處理(Acid pickling)：俗稱AP管

利用硝酸與氫氟酸等酸性溶液來除去鋼管的表面厚實的氧化層。雖便宜快速，但易造成晶界腐蝕，且鋼管內外表面較粗糙，易有懸浮雜質附著。

2. 機械拋光(Mechanical Polishing)：假的BA管

常用於除去鋼管表面的氧化層、孔洞與刮痕。其亮度與效果，則取決於加工方式的種類。另外機械拋光後，雖較美觀但也會降低抗蝕性，所以當用在腐蝕環境下，需再經過鈍化處理。而且，鋼管表面也常會有拋光材料殘留。

3. 化學拋光(Chemical Polishing)：假的BA管

化學拋光是另種更簡單便宜的表面高光法，其藉由調配適當的酸性混合液(磷酸、硝酸、硫酸、鹽酸以及其他有機酸)，以有效地使鋼管表面均勻地產生滑順與亮化的外觀。雖然此法所用的酸液不會如酸洗或化學清洗等方法般強烈，但也會有部份的沿晶腐蝕(Intergranular corrosion)或晶界腐蝕(Grain boundary corrosion)的現象，而且會破壞鋼管表面的氧化層，所以美國SEMI規範並不建議在半導體業使用此種管材。

4. 光輝退火(Bright Annealing)：BA管(真正的)

鋼管在抽製的過程中，一定會需油脂潤滑，而且晶粒也會因加工而變形。為了避免這些油脂殘留在鋼管中，除了要謹慎地清洗鋼管外，尚可利用在高溫退火以消除變形時，以100%氫氣充當爐內氣氛，藉由氫與鋼管表層的碳、氧的結合燃燒，進一步的清潔鋼管的表面，產生亮面的效果，故這種利用純氫氧退火爐加熱並快速冷卻，以亮化鋼管表面的方式稱為光輝退火。雖然利用此種方式來亮化表面，可保鋼管充分乾淨，無任何外來污染。但這種表面的明亮度，若與其他拋光方式相較(機械、化學、電解)，會有較霧面的感覺。當然，其效過也與氫氣的含量與加熱的次數有關，更對材料晶粒大小有絕對的影響。

5. 電解拋光(Electro Polishing)：EP管

電解拋光是利用陽極處理(溶解腐蝕)的方式，藉由電化學的原理，適當地調整電壓、電流、酸液組成、溫度以及拋光時間，不但可使表面達到明亮、滑順、潔淨的效果，更可提升表面的抗蝕性，故是最佳的亮化表面方法，當然其成本與技術也最高。不過，因為電解拋光會凸顯鋼管表面的原始狀態，金屬組織越細，EP效果越好。所以若鋼管表面有嚴重刮傷、孔洞或是夾渣、析出物等，皆可能造成電解失敗。其與化學拋光不同之處是，雖然也是在酸性環境中進行，但鋼管表面不但不會有任何晶界腐蝕現象，尚可經由控制表面的氧化鉻膜層厚度，使鋼管達到最佳的抗蝕性。而與機械拋光最大的差異處，是不會有表面加工變質層及造成表面殘留應力。

拋光技術

半導體氣體供應零組件要求高潔淨性、表面平滑性、抗蝕性、低洩漏率等，目前適用於半導體元件的表面處理方法有：機械拋光法+化學鈍化法、化學抛光法(chemical polishing, CP)、光輝熱處理(bright annealing, BA)與電解拋光法(electro-polishing, EP)等。由於電解拋光法具有以下幾種特性，衍然已成為半導體製程中重要閥件與零組件處理流道表面的主要方法。

● 鈍化層：不銹鋼材料在進行EP處理後的表面，會在表面生成鈍化層，鈍化層生成原因是因為EP在處理時，鐵鎳移去的速率比鉻快，造成表面富鉻化效應，同時在表面生成氧化鉻層，可有效提昇表面抗腐蝕能力，此為其他種抛光無法達到的特色。

● 光澤化：抛光能力優越，較機械抛光更佳，可以達到鏡面級的光澤，商品化的管件可以用EP達到Ra=0.01μm的層次。

● 高潔淨度：EP製程將工程表面移去一層，因此表面之髒汙層、氧化層、雜質層、碳化層、應力層等，都會被EP所移去，同時表面平坦化，無藏污納垢的凹陷，因此可使工件表面達到高潔淨層度。

● 特殊形狀加工：EP過程中，接觸工件的僅有電解液，工件在處理過程中，不受任何應力，可處理薄型工件，且可除去因機械加工產生的表面應力層。同時，EP可處理特殊形狀工件，對於特殊形狀表面可均勻拋光，對於小型工件的外部

EP處理，可大批量一次進行，可減少加工時間。

由於EP處理具有以上幾項優點，因此在半導體設備的氣體供應元件中被大量使用，也因為僅有EP可以達到表面超高潔淨度之要求，且對於氣體流道的鈍化效果可提供優越的抗腐蝕能力，能確保管件不受多種特別強腐蝕性氣體腐蝕，在對於線幅越來越小的半導體製程中，潔淨度的要求越來越高之條件下，未來對EP處理之產品的要求勢必越來越重要。

電解拋光技術在歐美早已成熟30年以上，直到近年來半導體工業的發展，才使得這項技術在國內有發展之契機。EP技術可分為外表面與內孔表面兩種，數年前國內業者始引進外表面EP技術，然而內孔表面EP技術因涉及電極夾治具的設計障礙，致使國內業者仍缺乏這方面之技能。本部門從事半導體設與閥件之研發，深深瞭解EP關鍵技術在各項零組件流到表面處理的重要性，因此致力於研究與開發內孔表面EP技術，以提昇本部門在關鍵零組件之研發與製造之能力。

電解拋光原理

電解拋光原理乃將工件接於陽極，以某種金屬接於陰極，置於電解液中通以直流電，以電解作用將工件表面金屬移除，亦即反電鍍作用，如圖2-3所示(詳情請

參考附件)。在適當的電解液和操作條件下，使工件表面發生材料之消蝕，具有清除毛稜之作用，使工件表面光澤化與平坦化。以不銹鋼而言，所含之元素如鐵、鉻、鎳都同時參與此反電鍍反應，在工件表面發生材料之消蝕，並發生表面平順化作用，造成拋光效果。在此同時也會生成一些副產物，這些副產物必須小心地予以控制以得到最高的拋光品質；例如不銹鋼所含之不同金屬成分有所差異，元素的溶解移除速率也就不盡相同，鐵原子會先被移除掉，因此留下的表面鎳與鉻含量會變高，使得表面出現“富鉻化”的效果，

產生EP工件重要的鈍化層，此乃有助於提昇工件表面的抗蝕能力。

電解拋光之所以有抛光效果，主要有以下幾種效應：

(一) 電場集中效應：亦稱之為避雷針效應，此為最主要之拋光效應。將工件表面放大而視之，可發現表面凹凸不平，尖突處如同避雷針，可吸附較大電場，造成局部的電流密度增加，因此尖端 處的金屬迅速的被侵蝕；而凹陷處之電流密度較低，金屬被侵蝕較少，因此有抛光平坦化之效果。

(二) 陽極膜飽和效應(黏度效應)：電解抛光過程中，將產生厚約0.1mm的陽極膜(anode film)，陽極膜呈黏膜狀，具高電阻，金屬帶正電離子不易擴散出與陰極離子結合，因此電流不易通過。由於表面凹陷處電解液流動較慢，易形成飽和陽極膜，電流密度因而降低；而尖突處電解液流動較快，不易生成飽和陽極膜，電流密度較高，因而具有拋效果。

(三) 氣體擾動效應：電解拋光過程中，陽極會產生氧氣氣泡，而尖突處電流大，所以產生氣泡較多， 因此也較易打破陽極膜，形成抛光之效果。

電解拋光發展現況與趨勢

電解拋光技術在歐美早已成熟30年以上，目前主要專注於特殊金屬如鈮鉭等金屬的拋光技術，以及特殊電解液的添加濟配方等方向發展。另方面，對於自動化設備及節省成本的新製程，如各種大小管件、彎曲管件、細長無縫鋼管、大小筒槽、大量散裝件之製程及專用機自動化設備等，都是發展之重點。以日本而言，早已完成30m無縫EP鋼管製程，並已於市場銷售，目前正研發300m無縫鋼管EP鋼管製程。就整體EP技術而言，美國優於歐日；以無縫EP鋼管技術來說，日本技術最為領先。早些年在台灣的民間業者已自行引入外表面EP技術，主要應用於欄杆、不銹鋼門窗光澤美化等。幾年前，中科院為研製飛機零組件，也引進外表面EP技術；工研院化工所、清大機械所及雲林技術學院機械系也曾就外表面EP技術進行研究。

至少內孔EP技術，主要關鍵在於夾治具的設計，其次才是電解液之配方。夾治具視待EP工件形狀與數量而定，一般而言，夾治具必須包括電極連接端子與連接線與電源供應器相連接，外部EP夾治具一般為掛架，懸掛工件置於電解槽內

或是吊籃滾筒類以安置小型工件，內孔EP夾治具則為提供電解液流動通道並電解液流出入內孔。夾治具材料因需抗電解液腐蝕，需通電的通常用鎢或鈦，不通電則選用PTFE或PP類材質。

以EP製程本身而言，夾治具設計受到工件不同而具有相當大的歧異性，由於國外廠商將夾治具的設計列為機密，以致國內對此技術完全闕如。再則，夾治具設計需要多方面的分析模擬以及實驗的驗證，再加以經驗之累積使成，因此在國內少有業者願意投資研發，致使此項技術延宕至今，另一項需要經驗累積的則是EP參數的調整，此方面技術也需進行長時間的試驗及累積足夠的資料庫後，始可達到良好的控制。同時，對於EP處理後的品質檢驗程序技術，國內的能力與經驗也略嫌不足，這方面仍有待投入更多的時間與人力持續從事研發工作。有鑑於此，本部門於開發質流控制器的同時，也深切體會到EP技術的重要性，因此積極開發此項關鍵技術，以期提升產品品質，並落實本土化技術。

電解拋光技術原理/特性: (Electro Polishing - EP)

電解拋光技術原理是將工件置於特殊電解液中，施以適當電壓及電流，使工件表面發生陽極電解反應，藉以達成平坦化、光澤化及鈍化之陽極電解加工技術。 這種金屬表面陽極電解處理技術可稱之為： 電解拋光(Electro Polishing - EP)

電化學拋光(Electro-chemical Polishing) 電解研磨(Electrolyte Polishing)

有別於一般傳統製程之電解拋光技術：(Electropolishing - EP)

國內甚多採用德國之電解拋光(Electropolishing - EP)製程技術但費用高，完全不使用鉻酸、氰化物、氟酸、氫氟酸、氟化氨、硝酸等劇毒化學品，為德國成熟先進之綠色環保表面處理製程技術。與一般傳統之不銹鋼電解拋光比較，本製程技術之電解拋光液沒有污染性，可長期使用不需要經常重新建液。( 符合歐盟『危害物質禁限用指令RoHS』標準。)

電解拋光技術在半導體，光電，微機電，生物科技，化工，醫療用品，食品工業及其它儀器，工藝品等製造業中被廣泛採用。如:閥件，接頭，管配件，無縫管，化工桶槽，真空腔體，氣體流體控制零組件等。

雷射切割工件，電解拋光可以用來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。增加工件耐蝕性，提高反射率，而且不會影響工件尺寸精密度。

電解拋光製程技術可使用於下列金屬： 不鏽鋼電解拋光(Stainless Steel Alloy) 鋁合金電解拋光(Aluminum Alloy) 銅合金電解拋光(Copper Alloy) 沃斯田鐵電解拋光(Austenitic Steel)

低合金鋼電解拋光(Low-alloy Steel) 碳鋼電解拋光(Carbon Steel)

但以上各種金屬之拋光及去毛邊效果會因不同金屬成份及不同金相結構而有所差異。

不鏽鋼電解拋光應用範圍: (Electropolishing-Application)

不鏽鋼電解拋光技術可使工件表面同時達到高潔淨度、高耐蝕性、低表面粗度(Ra)等要求。

不鏽鋼電解拋光技術可去除毛邊，適用於精密元件及機械處理難以到達的區域。 產生鈍化層：不鏽鋼機械拋光處理時所引發的鎳、鉻貧化常是造成工件腐蝕的原因。電解拋光處理則可因鐵的解離而產生鎳、鉻富集的鈍化層，提高耐蝕性。 不銹鋼電解拋光技術可應用於半導體、生化、生醫、光電、微機電、食品、精密機械及無塵室設備之表面處理。

不銹鋼電解拋光技術為半導體設備重要的表面處理技術。所有的不銹鋼設備及零組件都要經電解拋光處理(EP)以確保晶圓製程流體、氣體的潔淨度及純度。 不銹鋼電解拋光後之表面粗度(Ra)與電解拋光前金屬表面的面粗度條件有關；為了得到鏡面效果，最好使用光輝熱處理後之不銹鋼材料(Bright Annealing, BA)。 電解拋光前不銹鋼工件如能先經過機械拋光處理，則電解拋光製程可改善工件表面粗度(Ra)達25~50%。

一般半導體廠使用的不銹鋼工件多會先作機械式液體拋光處理，大幅降低其表面

粗度(Ra)後再作電解拋光處理，以得到較佳之表面粗度、潔淨度、鈍化層及耐蝕性。

若能採用高品質材料，則電解拋光(Electropolishing)的效果會更佳。例如：SUS 316L、SUS 316L VIM/VAR、高潔淨鋼、銅合金、鋁合金等。

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