微電鑄基礎(chǔ)工藝

微電鑄工藝參數(shù)等探究0前言微電鑄工藝(microelectroformingtechnology)是在老式電鑄工藝基本上建立起來(lái)新概念,具備微小構(gòu)導(dǎo)致型、復(fù)雜構(gòu)導(dǎo)致型、高精度和批量生產(chǎn)等突出長(zhǎng)處，它既可以看作是在微細(xì)加工模具基本上老式電鑄技術(shù)延伸，也可以以為是掩膜電鍍?cè)诟呱顚挶扔飨虬l(fā)展成果，微電鑄工藝是LIGA/準(zhǔn)LIGA技術(shù)核心內(nèi)容，其中LIGA是德文Lithographie、Galvanoformung和Abformung三個(gè)詞縮寫(xiě)，是X射線深層光刻、微電鑄和微復(fù)制工藝完美結(jié)合，在MEMS技術(shù)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。從本質(zhì)上分析，LIGA/準(zhǔn)LIGA工藝微電鑄可以分為性質(zhì)不同兩個(gè)階段：第一階段是在掩模微構(gòu)造深層填充金屬；第二階段是在整個(gè)光刻膠和金屬構(gòu)造表面沉積厚度為6-10mm厚金屬膜，以便加工成壓鑄膜基座。1微電鑄工藝研究進(jìn)展與趨勢(shì)對(duì)微電鑄工藝技術(shù)難點(diǎn)，研究人員在理論分析基本上，從微電鑄過(guò)程數(shù)值模仿和工作參數(shù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化等方面開(kāi)展工作，摸索微電鑄內(nèi)在規(guī)律，獲得了一系列進(jìn)展，形成某些有重要參照價(jià)值工作規(guī)范和指引意見(jiàn)，有力增進(jìn)了微電鑄技術(shù)在MEMS領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。一方面，基于高深寬比掩膜微構(gòu)造是微電鑄工藝核心影響因素結(jié)識(shí)，建立了可以體現(xiàn)高深寬比微區(qū)傳質(zhì)特性電極界面模型。在微流體運(yùn)動(dòng)中引入高深寬比構(gòu)造因素，建立了可以體現(xiàn)高深寬比微構(gòu)造對(duì)界面穩(wěn)定層增厚產(chǎn)生影響電極界面物理模型。另一方面，通過(guò)數(shù)值解析，系統(tǒng)分析普通鍍液體系典型構(gòu)造中電流密度再分布規(guī)律。如果待鍍微區(qū)開(kāi)口尺寸較大，也就是掩膜微構(gòu)造深寬比較小，則微電鑄電流在沉積區(qū)域再分布并不充分，接近掩膜邊沿電流密度將明顯高于中心部位，形成邊沿高而中間低馬鞍型厚度分布這是掩膜電鍍體系中常用厚度分布樣式。如果待鍍微區(qū)開(kāi)口較小，也就是高深寬比微構(gòu)造掩膜存在情形，則在進(jìn)入掩膜開(kāi)口區(qū)域之后，電流密度將在傳質(zhì)阻力作用下實(shí)現(xiàn)充分再分布，形成中間某些電流密度較大，整體鍍層厚度比較均勻抱負(fù)成果。微電鑄工藝是LIGA/UV-LIGA技術(shù)核心內(nèi)容,在MEMS技術(shù)和微/納米制造領(lǐng)域中有著良好應(yīng)用前景[3]。作為一種先進(jìn)制造技術(shù),微電鑄工藝重要用于制作各種精密、異型、復(fù)雜、微細(xì)等難以用老式加工辦法制得或加工成本很高構(gòu)造,合用于航空、航天、核工業(yè)、儀器儀表、微型機(jī)械等高新技術(shù)領(lǐng)域,并受到日益廣泛關(guān)注。然而,微電鑄工藝中存在鑄層厚度均勻性差、制作周期長(zhǎng)、殘留內(nèi)應(yīng)力大、鑄層易浮現(xiàn)缺陷及硬度低等局限性也嚴(yán)重制約著其應(yīng)用與發(fā)展,因而有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究,解決其存在問(wèn)題,這對(duì)于提高微電鑄工藝水平、推動(dòng)其發(fā)展具備非常重要現(xiàn)實(shí)意義。2微電鑄工藝簡(jiǎn)介2.1微電鑄基本過(guò)程圖1為微電鑄簡(jiǎn)易裝置示意圖[4]。重要由電極、電解液和電源構(gòu)成。電解液是電鑄時(shí)金屬離子載體，是具有金屬鹽且易于導(dǎo)電溶液。普通包具有其她添加劑以增強(qiáng)電鑄質(zhì)量。電極有陰極和陽(yáng)極，陰極與電源負(fù)極相連，普通是用于電鑄微構(gòu)造樣片，陽(yáng)極與電源正極相連，普通是與微電鑄構(gòu)件相似材料金屬物。電鑄過(guò)程是一種電化學(xué)過(guò)程，它涉及陽(yáng)極過(guò)程、液相中傳質(zhì)過(guò)程（遷移，對(duì)流和擴(kuò)散過(guò)程）以及陰極過(guò)程。不同于表面電鍍，微電鑄是在深微槽中填充金屬，如何將電鑄液迅速均勻地傳播到深微槽中是微電鑄核心，必要因而對(duì)作為金屬離子載體電鑄液成分傳播方式做詳細(xì)研究。被沉積離子重要以遷移擴(kuò)散和對(duì)流三種方式傳播電極。圖1微電鑄工作原理圖2.2微電鑄工藝特點(diǎn)與老式電鑄工藝相比，微電鑄工藝特點(diǎn)重要體當(dāng)前如下幾種方面：1．作為待鍍微型模具光刻膠微構(gòu)造不導(dǎo)電給深孔和細(xì)縫填充創(chuàng)造了也許。老式電鑄屏蔽作用，微細(xì)深孔難以密實(shí)填充，往往形成封閉空腔，但是，由各種深度光刻和刻蝕所形成深槽、深孔，它們側(cè)壁普通不導(dǎo)電，對(duì)進(jìn)入孔內(nèi)電流并不產(chǎn)生屏蔽作用。因此，合理調(diào)節(jié)電鑄工作參數(shù)，可以通過(guò)微電鑄填充微型縫隙和孔洞，制造高深寬比金屬微構(gòu)造。2．鍍件整體尺寸較小，起始面處在同一種平面上，但是被不導(dǎo)電光刻膠分割成不同形狀區(qū)域。這些微社區(qū)域或互相連通或互相隔絕。但是由于處在同一種平面上，并且尺寸較小，即存在電流分布嚴(yán)重不均勻現(xiàn)象。3．微電鑄工件所要填充孔洞都是盲孔，鍍液浸潤(rùn)和完全填充需要謹(jǐn)慎對(duì)待，微電鑄過(guò)程中析出氫氣需要設(shè)法予以排除。開(kāi)口很小微細(xì)盲孔很難為普通電解液所填充，表面張力是重要因素，添加表面活性劑以減少電鍍液表面張力是解決問(wèn)題慣用辦法，但是依然必要輔以機(jī)械震動(dòng)或超聲攪拌等輔助辦法才可以使存于盲孔內(nèi)氣體離開(kāi)，這些都要在工藝設(shè)計(jì)中加以考慮。綜合以上分析，微電鑄不但兼有掩膜電鍍和老式電鑄兩個(gè)方面特性[5]，并且尚有其自身需要解決獨(dú)特技術(shù)問(wèn)題，因而需要開(kāi)展進(jìn)一步系統(tǒng)工藝技術(shù)研究。3微電鑄電鑄液成分研究采用電化學(xué)測(cè)量技術(shù)，可以研究微電鑄過(guò)程電極反映典型電化學(xué)特性，提供鍍液改良和工藝參數(shù)優(yōu)化電化學(xué)根據(jù)。而采用電化學(xué)交流阻抗技術(shù)，可以對(duì)有高深寬比掩膜微電鑄電極進(jìn)行電極反映動(dòng)力學(xué)測(cè)量，從而明確觀測(cè)到高深寬比掩膜所導(dǎo)致傳質(zhì)阻力增長(zhǎng)進(jìn)而成為電沉積過(guò)程控制因素電極現(xiàn)象。在這樣條件下進(jìn)行微電鑄操作,按照老式電沉積理論是無(wú)法得到致密金屬構(gòu)造針對(duì)性電化學(xué)測(cè)量,借助關(guān)于電沉積過(guò)程電化學(xué)研究長(zhǎng)期技術(shù)積累，為電解液選取和核心工藝參數(shù)迅速優(yōu)化提供了實(shí)證之外便捷辦法。電鑄鍍液體系有氨基磺酸鹽體系或硫酸鹽體系，主鹽濃度普通取該類電鍍液上限，包括一定量氯化物作為陽(yáng)極活化劑。按照各種組分在電鑄過(guò)程中所起作用，可將電解液當(dāng)作是由主鹽、導(dǎo)電鹽、緩沖劑、陽(yáng)極活化物、絡(luò)合劑、添加劑等構(gòu)成。實(shí)踐證明[6]，一種較好Watts鎳電解液成分派比：硫酸鎳(300g／L)、氯化鎳(45g／L)、硼酸(35g／L)、糖精(2g／L)、苯亞黃酸鈉(0.2g／L)、十二烷基硫酸(O.2g／L)、光亮劑(2tool／L)、硫酸鎂(20g／L)、酒石酸鉀鈉(10g／L)、氯化鈉(10g／L)。由此電鑄得到鍍層晶粒不但帶有光澤，且增長(zhǎng)穩(wěn)定，厚度均勻，顆粒細(xì)小，無(wú)明顯針孔現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)深孔和微孔電鑄，一方面要解決核心技術(shù)一方面是使電鍍液進(jìn)入微孔，另一方面是改進(jìn)電鍍液液相傳質(zhì)，使消耗金屬離子能得到及時(shí)補(bǔ)充。此外，影響深鍍和鍍層質(zhì)量因素還涉及陰極極化、鍍液電導(dǎo)率、陰極電流效率等[7]。因而，有必要對(duì)電鑄液中各種重要成分作一簡(jiǎn)樸探討。1.氯化鎳（F3GB）氯化鎳（F3GB）是電鍍液主鹽，也作為導(dǎo)電鹽，含鎳量高，可以提高極限電流密度限，而大量氯離子可以有效地防止陽(yáng)極鈍化，提高電鍍液分散能力。實(shí)驗(yàn)中加入硼酸（HIJ）是為了維持電鑄液PH值恒定，防止鎳離子在陰極基體附近以堿性物質(zhì)析出，導(dǎo)致電鑄層疏松。2.表面活性劑（十二烷基磺酸鈉）電鍍液表面張力存在致使鍍液不能進(jìn)入微孔，此外，表面張力存在也會(huì)影響陰極產(chǎn)氣憤泡排除，使電流浮現(xiàn)波動(dòng)從而導(dǎo)致電鑄質(zhì)量下降，因此，表面張力減小是微米電鑄技術(shù)存在最大難題。加入少量表面活性劑可以明顯地減小電鍍液表面張力，但是當(dāng)表面活性劑加入量不不大于一定量時(shí)，變化表面張力效果不再十分明顯，如果再加入過(guò)量或者加入其他高分子物質(zhì)會(huì)起到相反效果。因此，對(duì)于表面活性劑添加，要控制量加入。3.極化度也是影響電鍍層厚度重要因素，極化度較大時(shí)，陰極表面上鍍層會(huì)更均勻。①無(wú)添加劑時(shí),極化現(xiàn)象隨電流密度增大而增長(zhǎng),極化度隨電流密度增大而減少。電流密度低時(shí)，電力線邊沿效應(yīng)對(duì)鍍層均勻性影響較低。此時(shí)，陰極極化度很大，在極化作用影響下，陰極面會(huì)產(chǎn)生二次電流分派，使得微構(gòu)造邊沿處電流密度高于中間處電流密度，從而得到呈帽形構(gòu)造鍍層。隨著電流密度升高，極化度逐漸減少,對(duì)電力線分布影響削弱，而邊沿效應(yīng)影響逐漸增強(qiáng)。在這兩種因素共同作用下，鍍層表面趨于平整。②有添加劑時(shí)通過(guò)與未加入添加劑實(shí)驗(yàn)成果相比較,使用添加劑后得到鍍層均勻性變化與未使用添加劑攪拌、攪拌速率、電解液使用時(shí)間、PH值等。這些工藝參數(shù)對(duì)鑄層均勻性影響遠(yuǎn)不如電流密度等因素影響那么明顯。在微電鑄過(guò)程中,攪拌增長(zhǎng)了電解液中金屬離子擴(kuò)散速率，影響了電鑄構(gòu)造總體均勻性。而對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)電解液,盡管在電鑄過(guò)程中金屬離子會(huì)從陽(yáng)極得到補(bǔ)充,但電解液中金屬離子濃度還是會(huì)隨著電鑄消耗而逐漸減少。同步電解液中析氫現(xiàn)象使得電解液PH值逐漸升高,在一定限度上減少了鑄層沉積速率。4微電鑄工藝參數(shù)探究隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和微影微電鑄微模鑄(LIGA)兩種技術(shù)發(fā)展,微電鑄工藝正逐漸呈現(xiàn)著其獨(dú)特魅力和發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢?既有工藝中存在缺陷也嚴(yán)重阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。因而,對(duì)微電鑄工藝進(jìn)行進(jìn)一步研究,突破其工藝瓶頸,將對(duì)微加工工藝應(yīng)用和推廣起著重要作用[8]。微電鑄是UV-LIGA核心工藝，研究微電鑄電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性，有助于弄清影響電極反映特別是陰極電沉積速度各種因素，從而提出有效工藝辦法干預(yù)微電鑄過(guò)程。采用微加工制造超微電極技術(shù)，可以在掩膜圈定微區(qū)內(nèi)測(cè)量其中PH值和反映活性物質(zhì)空間分布,特別是穩(wěn)定擴(kuò)散層內(nèi)濃度梯度及其變化信息直觀地掌握微電鑄反映過(guò)程中重要影響參數(shù)微觀分布及其變化規(guī)律,有助于建立更為切合實(shí)際構(gòu)造模型,指引工藝優(yōu)化,也是進(jìn)行微電鑄技術(shù)研究重要技術(shù)手段[9]。更多研究工作集中在實(shí)證辦法方面，對(duì)選定鍍液體系，進(jìn)行鍍液構(gòu)成、工作參數(shù)和微電鑄成果比較分析，最后擬定優(yōu)化工作條件,形成某些指引性工藝規(guī)范,這對(duì)微電鑄辦法使用者更具備實(shí)用價(jià)值,下面對(duì)某些已經(jīng)形成共識(shí)某些作一總結(jié)。以電鍍鎳技術(shù)為例，對(duì)微電鑄工藝參數(shù)作簡(jiǎn)要探究闡明。一、盡量少用添加劑控制目的鍍層均勻性和內(nèi)應(yīng)力是最重要控制目的。出于控制內(nèi)應(yīng)力目，微電鑄鎳普通不使用光亮添加劑,特別是第二類光亮劑。但是作為消除應(yīng)力添加劑,在硫酸鹽鍍液體系中,經(jīng)常使用糖精之類磺酸鹽,而氨基磺酸類鍍液則不需要添加,否則容易產(chǎn)生壓應(yīng)力,同樣比較難以控制。陽(yáng)極具有氯化物鍍液可以采用普通純鎳陽(yáng)極,恰當(dāng)屏蔽或者仿形有助于改進(jìn)電沉積宏觀均勻性，必要使用陽(yáng)極袋以減少顆粒雜質(zhì)影響鑄件性質(zhì)也許性[10]。二、陰極電流密度低電流密度容易滿足良好深層微電鑄基本條件,避免因高深寬比微構(gòu)造所導(dǎo)致極限傳質(zhì)控制。但是電流密度過(guò)低,陰極極化作用小,鍍層結(jié)晶晶粒較粗，并且電流密度越小,鍍速越慢,工作效率不高；電流密度過(guò)高，雖然鍍速不久,但是會(huì)使陰極附近嚴(yán)重缺少金屬離子,從而形成疏松鍍層應(yīng)以深寬比最大深孔或細(xì)縫為參照選取電流密度,深寬比越大,容許電流密度越小。三、溶液溫度升高溶液溫度，可以明顯提高參加電極反映物質(zhì)傳質(zhì)速度,因而可以增長(zhǎng)電流密度上限值,同步改進(jìn)電沉積分散能力[11],雖然對(duì)陰極極化有一定抑止,但是總體上傾向于采用較高工作溫度,其限制因素重要在于鍍液穩(wěn)定性和高深寬比掩膜微構(gòu)造穩(wěn)定性,特別是氨基磺酸鍍液普通不能超過(guò)60e,硫酸鹽鍍液也不適當(dāng)超過(guò)65e,否則系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性不夠。四、溶液攪拌普通攪拌對(duì)深孔和細(xì)縫對(duì)流傳質(zhì)作用不大,但是適度偏強(qiáng)攪拌還可以增進(jìn)陰極析氣脫離,改進(jìn)工件宏觀均勻性。單一方向流動(dòng)攪拌容易導(dǎo)致構(gòu)造嚴(yán)重不對(duì)稱,超聲攪拌效果確切,但是長(zhǎng)時(shí)間容易導(dǎo)致掩膜脫落。采用旋轉(zhuǎn)電極產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流攪拌方式已經(jīng)被某些微電鑄設(shè)備協(xié)調(diào)采用,可以提高攪拌效果五、鍍液電導(dǎo)率提高電導(dǎo)率可以明顯提高分散能力和覆蓋能力,從而提高鍍層在陰極表面均勻分布,但是并不常采用添加導(dǎo)電鹽方式提高鍍液電導(dǎo)率,由于主鹽濃度普通取上限,操作余地不大。六、PH值普通PH值在3～6之間,PH值高鍍液雖有好覆蓋能力,但是PH值過(guò)高,容易因氫氧化物夾雜而導(dǎo)致鍍層內(nèi)應(yīng)力升高,晶粒變得粗糙[12]。PH值低鍍液,可以提高電流密度,有利陽(yáng)極溶解,但析氫多,鍍層容易產(chǎn)生針孔。應(yīng)依照目的器件選取,普通在4～5之間為宜。七、鍍液循環(huán)循環(huán)過(guò)濾是保證鍍液穩(wěn)定工作核心手段之一,采用孔徑為2Lm～5Lm濾芯即可滿足凈化規(guī)定。循環(huán)流通也?？梢园l(fā)揮攪拌作用。八、電源普通使用直流電源,也可以采用脈沖電流,可以減晶粒尺度,提高鍍層硬度,具備電鍍較厚鍍層能力；在某些場(chǎng)合下,使用脈沖電流還可以減少氫析出、提高陰極電流效率,從而減少針孔、條紋和氫脆等。5總結(jié)微電鑄工藝作為L(zhǎng)IGA/UV-LIGA技術(shù)核心內(nèi)容,在MEMS技術(shù)和微/納米制造領(lǐng)域中有著巨大應(yīng)用前景。為了得到抱負(fù)電鑄層，一方面需要對(duì)電鑄體系成分及作用有進(jìn)一步研究，此外，各項(xiàng)工藝參數(shù)，如表面添加劑、陰極電流密度、溶液溫度，也是需要重點(diǎn)研究方面。該文從綜述角度，對(duì)上述兩個(gè)方面做了簡(jiǎn)樸闡明，旨在為后來(lái)各種微電鑄方面研究作一淺顯入門(mén)協(xié)助。參照文獻(xiàn)[1]李永海，丁桂甫，毛海平，張永華.LIGA/準(zhǔn)LIGA技術(shù)微電鑄工藝研究進(jìn)展.[J].電子電工技術(shù)，,26（1）.[2]馬龍，周月豪，熊良才，柳海鵬，史鐵林.LIGA工藝中微電鑄工藝研究.[J].激光技術(shù),,30(1).[3]李永海，丁桂海，張永華，曹瑩，趙小林.LIGA技術(shù)微電鑄鎳電化學(xué)研究.[J].Electroplating&PollutionControl，，Vol.25No.2.[4]呂文龍，陳義華，孫道恒.表面微加工中鎳微電鑄.[J].中華人民共和國(guó)機(jī)械工程.,16.[5]劉沖，李苗苗，施維枝，杜立群，王立鼎.基于SU-8厚膠光刻工藝微電鑄鑄層尺寸控制新辦法.[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),,47(3).[6]趙劍鋒，朱荻，云乃彰.脈沖電