微细电化学加工技术的研究与发展

微细电化学加工技术的研究与发展

朱 荻 张朝阳 明平美 曾永彬 王明环

(南京航空航天大学机电工程学院 南京 210016)

摘要:对电化学微细加工技术的新进展进行分析和讨论,内容包括纳秒脉冲电流电解加工、微细电铸、

EFAB 、LIGA 与微电火花的组合加工等。

关键词:微细加工 电解加工 电铸 LIGA

0 前言

微细加工技术源于半导体集成电路制造工艺,发展至今其内涵已经大大拓宽,不限于IC 工艺中的硅片刻蚀技术,LIGA 、LIGA-LIKE 、微细电加工、微细束流加工和微细切削等多种加工技术已经成为微细加工技术中重要组成部分。微细加工任务不是由某一项技术独自完成的,而是由许多方法和技术所共同承担。这些方法各具所长,构成了微细加工技术群,承担着丰富多样的微细加工 任务。

电化学制造技术按原理可分为两类,一类是基于阴极沉积原理的增材制造技术,如精密电铸、刷镀等,另一类是基于阳极溶解原理的减材制造技术,如电解加工、电抛光等。这两类技术有一个共同点,无论是材料的减少还是增加,加工过程都是以离子的形式进行的。在大多数其他加工方法中,材料是以微团的形式被去除或者添加。显而易见,所能达到的最小微团尺度对微细加工的能力有着重要的影响。有研究报道,在采取一系列措施之后,尤其是精细地研磨刀具,切削加工可获得几纳米甚至1nm 厚的切屑,这揭示了纳米级切削加工的可能性。采用微能可控脉冲的电火花加工,最小单脉冲蚀除材料量约为10nm 尺度。在电化学制造过程中,材料的转移是以离子尺度进行,金属离子的尺寸在十分之一纳米甚至更小,因此电化学制造技术这种微去除方式使得它在微细制造领域、以至于纳米制造领域有着很大的发展潜能。此外,电化学加工还具有工具无损耗、无表面应力、加工表面质量好、与零件材料硬度无关及加工后工件无变形等优点。

虽然电化学加工在原理上具有优势,但是它的另一特点定域性差,带来的问题必须加工解决。定域性(LOCALIZATION)是指加工区和非加工区材料去除量的比值。在电解加工过程中,对于接触到电解液冲刷的阳极表面,只要有电流通过,就可能会发生溶解反应;在电铸过程中,对于浸泡在电铸液中的阴极表面,只要有电流通过,可能会发生金属沉积反应。这些反应区域不仅包括所希望的加工区,也包括加工区之外。例如,用一管状电极电解加工深孔,在孔加工成型的同时,工件表面靠近孔口处可能也会不同程度的腐蚀。这种现象称为杂散腐蚀,也称为定域性差。切削加工、电火花加工和激光加工等都不存在着杂散腐蚀问题。因此,若进行电化学微细加工,必须提高其定域性能力。

近十余年来,国内外研究界在提高定域性能力、拟制杂散腐蚀方面取得了显著进展。20世纪80年代末德国KARISRUHE 发明的LIGA 技术和由此衍生出的准LIGA 技术已成为制造高深宽比金属微结构件的主要方法。LIGA 技术组合了光刻、微电铸和微注塑技术,它通过光刻形成具有特点图案的树脂胶层。将上面覆盖有树脂胶层的导电材料衬底作为微电铸阴极芯模进行金属电化学沉积。树脂胶层图案限定了金属离子的沉积区域,使得金属离子在所限定区域沿树脂胶侧壁生长,这一方式既解决了电化学沉积定域性差的问题,又充分发挥了电化学沉积的微过程优势。20世纪90年代德国采用纳秒级超短脉冲电流技术使得电解加工溶解定域性突变性提高,实现了亚微米精度三维复杂型腔加工。各国研究人员对其他形式的微细电化学加工也表现出极大的兴趣,从多方面进行了研究,一些成果已经在生产中得到应用:利用微细电化学加工技术,日本制造出了直径为数微米、

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高表面质量的轴;英国在高速转子上加工出了数十微米线宽、数微米深的储油槽;荷兰菲利浦公司实现了薄板上微孔、缝的高效电解加工。

1 微细电解加工

2000年德国Fritz-Haber 研究所的科研人员将超短(纳秒) 脉冲电流电源与低浓度电解液、加工间隙的实时检测及调整等技术结合,使加工间隙缩小到几微米,实现了亚微米级精度的加工。由于金属/溶液界面上存在具有电容特征的双电层,电解液又具有一定的阻抗特性,因此加工间隙可近似等效为RC 电路。其中电容的充、放电过程由时间常数τ 决定,在纳秒脉冲电流的情况下,工件被加工区域时间常数小,过电位高,电流密度大,工件材料的电化学蚀除量大;而非加工区时间常数大,电容充电还未达到幅值就进入脉冲间歇断电阶段,过电位低,电流密度小,几乎不发生电化学反应。因此,超短脉冲提高了定域能力,减小了杂散蚀除。采用酸性电解液,有利于电解产物的排出。电压较常规电解加工低,为5V 左右。图1a 是用0.01M HClO4+0.1M CuSO4电解液,直径10 µm 的铂丝加工出的微结构,底部平台为10µm×15µm×15µm,上部棱柱为5µm ×10µm×12µm。图1b 是在0.2M HCl电解液中,用直径2µm 钨丝电极,3ns 脉宽加工出的微螺旋结构,深度为5 µm 。               

(a) (b)  

图1 铜的微细结构照片

图2是用3M HCl+6M HF电解液在不锈钢材料上加工出的微结构。悬臂梁为11µm ×32µm× 80 µm 。                 

图2 不锈钢的微细结构照片  

图3是德国研究人员用1M HF+1M NH4F 电解液,在半导体Si 材料上加工出深度15µm 孔。 韩国国立汉城大学研究人员,在工具阴极和工件阳极旁边用铂片为平衡电极,以抑制不锈钢在加工表面生成钝化层。电解液用0.1M H2SO 4溶液。用微细电火花制作前端为盘形的电极,然后用微细电解加工出了微细群孔,窄槽,微棱柱和微半球等结构。孔直径40µm ,不锈钢板厚100µm;窄2

槽宽20µm;棱柱为20µm ×40µm×85µm;微隔板厚10µm,高80µm。

 

图3 半导体Si 上的电解加工                

图4 微细结构照片  

哈尔滨工业大学通过微细电火花线电极磨削制作出钨丝电极,电解液选用30g/L浓度的NaClO 3溶液,加工电压为4 V~6 V,采用微细电解铣削的方式,加工出了如图5所示的微结构。           

图5 微细结构照片  

清华大学研究了微细电解加工中极间间隙与加工电流的关系,将加工间隙控制在20µm 左右,得到了150µm宽,300µm厚,3.6mm 长的悬臂梁,如图6所示。

3

 

图6 微细悬臂梁的照片

南京航空航天大学在超短脉冲电解加工的基础上,采取了工具往复运动方式。在每一个加工周期中,先施加一个对刀电压(1V左右的低电压) ,工具电极进给至工件阳极,进行零位对刀(短路对刀) ,然后工具电极回退使间隙到所需要的数值,施加相对较高的加工电压(5~20V)进行加工;加工后切断加工电压,工具电极回退到较大间隙,进行充分的电解液冲刷以排出加工产物。这种周期往复运动的方式改善了加工的稳定性和保证了加工过程的重复性,对于处于小加工间隙情况下的微细电解加工是非常重要的。图7是在镍板上加工出的复杂几何轮廓的SEM 照片。采用微棒状电极仿造数控铣削方式进行电解加工。以直写加工方式加工的“ECM ”,线宽30µm。微十字槽宽30µm,板厚40µm。   

图7 微细电解加工出的微型腔  

合理利用电解产物引起的电场分布情况变化,可以制造出扫描探针显微镜(AFM)针尖和微细电火花及微细冲压加工所需的微细棒状工具。图8所示为电解加工微细轴的试验系统图和局部示意图。试验初始阶段,工件尖端电荷高度集中,故尖端溶解速度相比其他部位要快,形状有趋于“尖锥”状的趋势。随着反应的进行,钨丝周围聚集着溶解的WO 42–离子,WO 42–离子在重力作用下会沿着

        

图8 微细轴电化学加工原理图  

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工件向下移动,在工件周围形成上小下大的包裹状结构,导致上部的溶解速度大于下部的溶解速度,这样工件就有被溶解成上小下大的“纺锤”状结构的趋势。对试验参数进行合理控制,利用工件在溶解过程中趋于“尖锥”状和趋于“纺锤”状的作用,可以根据需求制备出微针尖或直径均匀的微细轴。

图8所示为南京航空航天大学采用该方法加工出的微细轴,材料为钨。微阶梯轴的右端长1180µm,直径为6µm ,工件初始直径为300µm,加工时间为20min 。

 

图9 微细电解加工样件

图9是南京航空航天大学加工出的电动剃须刀网罩样件。 90个宽0.28mm 深0.8mm 的窄缝同时加工,加工时间为100s 。虽然0.28mm 的尺度并不算很微小,但是所达到的加工效率、表面加工质量和窄缝侧壁的垂直性相比其他加工工艺则具有明显的优势。高效率和低成本非常适合电动剃须刀网罩这类大批量生产的产品。实际上,这项技术在缩小槽宽方面还有很大潜力。

2 微细电铸

2.1 准LIGA

从原理上讲,如果不考虑芯模表面处理层、内应力变形和脱模变形等影响因素,电铸的复制精度可以达到纳米量级。目前,电铸已经在微细制造领域中得到了重要的应用。电铸是LIGA 技术中一个重要的、不可替代的组成部分。在LIGA 过程中,电铸具有的微细复制能力得到了充分发挥。

准LIGA 主要工艺步骤包括光刻和电铸,参见图10。采用导电基底材料,在其上均匀涂覆感光胶,然后进行曝光、蚀刻等工艺步骤,在金属基底上形成带有特定图案的感光胶层。然后将带有图案胶层的金属模版放入电铸槽内进行电沉积,金属离子在模版上裸露出衬底材料处沉积直至将其填满。然后将金属沉积物和感光胶层分离,得到的金属结构就是所需的微细零件。图11所示是南京航空航天大学采用该方法制备的微型齿轮(铜,直径300 µm) 、微平面线圈(铜,线宽50 µm) 、微流道(镍,槽宽120 µm) 和微接触探针(镍) 。

曝光光源

照射 感光胶

刻蚀

电铸

结构  

图10 准LIGA 原理示意图

5

                                   

图11 准LIGA 工艺制备的微型零件  

在微细电铸过程中,同时采用了高频脉冲电流和冲液的方法,使得电沉积在电化学极化度较高的情况下进行,从而细化了晶粒,获得了致密的金属沉积层。另外,还试验了压力正负交变等措施,利用较强的压力扰动,及时排除阴极上的吸附气泡,消除了阴极吸附气泡造成的针孔、麻点等问题。采取了低应力工作液,并对过程参数进行优化,控制了沉积应力,避免了变形。

2.2 EFAB技术

EFAB(Electrochemical FABrication)是基于SFF(Solid Freeform Fabrication)的分层制造原理开发出来金属微结构加工技术。EFAB 技术用一系列实时的掩模板(Instant Masking)选择性电沉积金属将微结构层层堆积起来,这些实时的掩模板是通过将光刻胶涂于金属衬底上,经光刻显影后形成的,在电沉积时,掩模板的衬底作为电铸阳极,这与LIGA 和Quasi-LIGA 技术中的掩模电铸是完全不同的。利用EFAB 制作三维金属微结构需要循环进行选择性电沉积和平铺电沉积的金属可以是结构金属也可以是牺牲层金属,其工艺路线如图12示。EFAB 克服了LIGA 和Quasi-LIGA 只能加工简单平面三维的缺点,能够加工真正的三维图形,因而具有很好发展前景。

但是EFAB 加工过程非常复杂,步骤繁多,EFAB 每沉积一层金属需要经过选择性沉积结构金属、平铺沉积牺牲金属和平坦化三个步骤,而每一层的厚度为2~20 µm ,因此要加工一个高度为500 µm 的结构至少需要重复25次上面三个步骤,其加工周期相当长。EFAB 需要一系列实时模板,每个实时模板具有独立的不同图案,而制作一个模板就要一个光刻掩模板,通常一个图形要分成几十个断面甚至更多,那么就需要几十个或更多的不同的实时模板,相应的就要多少光刻掩模板,这使得制造费用极其昂贵。另外,EFAB 技术各层之间在微米尺度上的准确对准也是个难题,EFAB 制作出来的零件层与层之间的存在连接痕迹,这将在一定程度上削弱零件的整体强度。  

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图12 EFAB工艺路线  

图13 EFAB加工实例(20层,每层50微米厚)  

2.3 LIGA、准LIGA 与微细电火花的组合加工

将LIGA 、准LIGA 与微细电火花相组合,有效的解决了微细电火花复杂微工具电极和群微电极的制造问题。目前,LIGA 、准LIGA 与微细电火花主要通过两种形式组合:(1)用LIGA 、准LIGA 方法制作阴图形电极腔,采用微细电火花来加工高长径比的轴类微结构。日本K. Takahata、N. Shibaike 等人利用在LIGA 、电火花组合工艺加工出高1000 µm 、外径200 µm 的WC-Co 硬质合金齿轮,高度方向的外径差小于4µm ,如图14所示。(2)用LIGA 、准LIGA 方法制作阳图形群微电火花电极阵列(图15) ,加工多孔板或批量加工零件。          

图14 LIGA制作的阴图形电极腔和加工的零件(齿轮柱长1mm ,长度方向外径差小于4µm)

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图15 LIGA制作的铜电极阵列和加工出的70 µm 厚WC-Co 齿轮  

对于这种组合加工方式,微电火花电极的耐蚀性非常重要。南京航空航天大学研究发现,电极材料耐电蚀能力与电铸工艺参数和添加剂性质及其添加量密切相关,在特定的工艺条件下,添加Cl – 或明胶均不同程度地提高了电极材料的耐电蚀能力。组合添加适量两种添加剂,在一定的温度和电流密度范围内,能生成一种独特的弥散微孔的纤维状结构组织,提高耐蚀性的效果更加明显。 3 结论

电化学微细加工在原理上具有优势,得到了国内外研究者的特别关注,近些年得到较快发展。电化学微细加工涉及到许多新概念、新技术和新思维,交叉融合了多学科知识。电化学微细制造科学技术领域目前还存在许多未知,随着人们不断的探索、发现,会出现更多更为有效的电化学微细加工方法。

参 考 文 献

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作者简介:朱荻,男,1954年5月生,南京航空航天大学博士、教授,长江学者特聘教授。主要从事特种加工、微细加工方面的教学和研究。通信地址:南京市御道街29号南航机电学院。邮编:210016。电话:025-84891077。Email :[email protected]

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被引用次数:朱荻, 张朝阳, 明平美, 曾永彬, 王明环南京航空航天大学机电工程学院,南京,2100161次

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朱 荻 张朝阳 明平美 曾永彬 王明环

(南京航空航天大学机电工程学院 南京 210016)

摘要:对电化学微细加工技术的新进展进行分析和讨论,内容包括纳秒脉冲电流电解加工、微细电铸、

EFAB 、LIGA 与微电火花的组合加工等。

关键词:微细加工 电解加工 电铸 LIGA

0 前言

微细加工技术源于半导体集成电路制造工艺,发展至今其内涵已经大大拓宽,不限于IC 工艺中的硅片刻蚀技术,LIGA 、LIGA-LIKE 、微细电加工、微细束流加工和微细切削等多种加工技术已经成为微细加工技术中重要组成部分。微细加工任务不是由某一项技术独自完成的,而是由许多方法和技术所共同承担。这些方法各具所长,构成了微细加工技术群,承担着丰富多样的微细加工 任务。

电化学制造技术按原理可分为两类,一类是基于阴极沉积原理的增材制造技术,如精密电铸、刷镀等,另一类是基于阳极溶解原理的减材制造技术,如电解加工、电抛光等。这两类技术有一个共同点,无论是材料的减少还是增加,加工过程都是以离子的形式进行的。在大多数其他加工方法中,材料是以微团的形式被去除或者添加。显而易见,所能达到的最小微团尺度对微细加工的能力有着重要的影响。有研究报道,在采取一系列措施之后,尤其是精细地研磨刀具,切削加工可获得几纳米甚至1nm 厚的切屑,这揭示了纳米级切削加工的可能性。采用微能可控脉冲的电火花加工,最小单脉冲蚀除材料量约为10nm 尺度。在电化学制造过程中,材料的转移是以离子尺度进行,金属离子的尺寸在十分之一纳米甚至更小,因此电化学制造技术这种微去除方式使得它在微细制造领域、以至于纳米制造领域有着很大的发展潜能。此外,电化学加工还具有工具无损耗、无表面应力、加工表面质量好、与零件材料硬度无关及加工后工件无变形等优点。

虽然电化学加工在原理上具有优势,但是它的另一特点定域性差,带来的问题必须加工解决。定域性(LOCALIZATION)是指加工区和非加工区材料去除量的比值。在电解加工过程中,对于接触到电解液冲刷的阳极表面,只要有电流通过,就可能会发生溶解反应;在电铸过程中,对于浸泡在电铸液中的阴极表面,只要有电流通过,可能会发生金属沉积反应。这些反应区域不仅包括所希望的加工区,也包括加工区之外。例如,用一管状电极电解加工深孔,在孔加工成型的同时,工件表面靠近孔口处可能也会不同程度的腐蚀。这种现象称为杂散腐蚀,也称为定域性差。切削加工、电火花加工和激光加工等都不存在着杂散腐蚀问题。因此,若进行电化学微细加工,必须提高其定域性能力。

近十余年来,国内外研究界在提高定域性能力、拟制杂散腐蚀方面取得了显著进展。20世纪80年代末德国KARISRUHE 发明的LIGA 技术和由此衍生出的准LIGA 技术已成为制造高深宽比金属微结构件的主要方法。LIGA 技术组合了光刻、微电铸和微注塑技术,它通过光刻形成具有特点图案的树脂胶层。将上面覆盖有树脂胶层的导电材料衬底作为微电铸阴极芯模进行金属电化学沉积。树脂胶层图案限定了金属离子的沉积区域,使得金属离子在所限定区域沿树脂胶侧壁生长,这一方式既解决了电化学沉积定域性差的问题,又充分发挥了电化学沉积的微过程优势。20世纪90年代德国采用纳秒级超短脉冲电流技术使得电解加工溶解定域性突变性提高,实现了亚微米精度三维复杂型腔加工。各国研究人员对其他形式的微细电化学加工也表现出极大的兴趣,从多方面进行了研究,一些成果已经在生产中得到应用:利用微细电化学加工技术,日本制造出了直径为数微米、

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高表面质量的轴;英国在高速转子上加工出了数十微米线宽、数微米深的储油槽;荷兰菲利浦公司实现了薄板上微孔、缝的高效电解加工。

1 微细电解加工

2000年德国Fritz-Haber 研究所的科研人员将超短(纳秒) 脉冲电流电源与低浓度电解液、加工间隙的实时检测及调整等技术结合,使加工间隙缩小到几微米,实现了亚微米级精度的加工。由于金属/溶液界面上存在具有电容特征的双电层,电解液又具有一定的阻抗特性,因此加工间隙可近似等效为RC 电路。其中电容的充、放电过程由时间常数τ 决定,在纳秒脉冲电流的情况下,工件被加工区域时间常数小,过电位高,电流密度大,工件材料的电化学蚀除量大;而非加工区时间常数大,电容充电还未达到幅值就进入脉冲间歇断电阶段,过电位低,电流密度小,几乎不发生电化学反应。因此,超短脉冲提高了定域能力,减小了杂散蚀除。采用酸性电解液,有利于电解产物的排出。电压较常规电解加工低,为5V 左右。图1a 是用0.01M HClO4+0.1M CuSO4电解液,直径10 µm 的铂丝加工出的微结构,底部平台为10µm×15µm×15µm,上部棱柱为5µm ×10µm×12µm。图1b 是在0.2M HCl电解液中,用直径2µm 钨丝电极,3ns 脉宽加工出的微螺旋结构,深度为5 µm 。               

(a) (b)  

图1 铜的微细结构照片

图2是用3M HCl+6M HF电解液在不锈钢材料上加工出的微结构。悬臂梁为11µm ×32µm× 80 µm 。                 

图2 不锈钢的微细结构照片  

图3是德国研究人员用1M HF+1M NH4F 电解液,在半导体Si 材料上加工出深度15µm 孔。 韩国国立汉城大学研究人员,在工具阴极和工件阳极旁边用铂片为平衡电极,以抑制不锈钢在加工表面生成钝化层。电解液用0.1M H2SO 4溶液。用微细电火花制作前端为盘形的电极,然后用微细电解加工出了微细群孔,窄槽,微棱柱和微半球等结构。孔直径40µm ,不锈钢板厚100µm;窄2

槽宽20µm;棱柱为20µm ×40µm×85µm;微隔板厚10µm,高80µm。

 

图3 半导体Si 上的电解加工                

图4 微细结构照片  

哈尔滨工业大学通过微细电火花线电极磨削制作出钨丝电极,电解液选用30g/L浓度的NaClO 3溶液,加工电压为4 V~6 V,采用微细电解铣削的方式,加工出了如图5所示的微结构。           

图5 微细结构照片  

清华大学研究了微细电解加工中极间间隙与加工电流的关系,将加工间隙控制在20µm 左右,得到了150µm宽,300µm厚,3.6mm 长的悬臂梁,如图6所示。

3

 

图6 微细悬臂梁的照片

南京航空航天大学在超短脉冲电解加工的基础上,采取了工具往复运动方式。在每一个加工周期中,先施加一个对刀电压(1V左右的低电压) ,工具电极进给至工件阳极,进行零位对刀(短路对刀) ,然后工具电极回退使间隙到所需要的数值,施加相对较高的加工电压(5~20V)进行加工;加工后切断加工电压,工具电极回退到较大间隙,进行充分的电解液冲刷以排出加工产物。这种周期往复运动的方式改善了加工的稳定性和保证了加工过程的重复性,对于处于小加工间隙情况下的微细电解加工是非常重要的。图7是在镍板上加工出的复杂几何轮廓的SEM 照片。采用微棒状电极仿造数控铣削方式进行电解加工。以直写加工方式加工的“ECM ”,线宽30µm。微十字槽宽30µm,板厚40µm。   

图7 微细电解加工出的微型腔  

合理利用电解产物引起的电场分布情况变化,可以制造出扫描探针显微镜(AFM)针尖和微细电火花及微细冲压加工所需的微细棒状工具。图8所示为电解加工微细轴的试验系统图和局部示意图。试验初始阶段,工件尖端电荷高度集中,故尖端溶解速度相比其他部位要快,形状有趋于“尖锥”状的趋势。随着反应的进行,钨丝周围聚集着溶解的WO 42–离子,WO 42–离子在重力作用下会沿着

        

图8 微细轴电化学加工原理图  

4

工件向下移动,在工件周围形成上小下大的包裹状结构,导致上部的溶解速度大于下部的溶解速度,这样工件就有被溶解成上小下大的“纺锤”状结构的趋势。对试验参数进行合理控制,利用工件在溶解过程中趋于“尖锥”状和趋于“纺锤”状的作用,可以根据需求制备出微针尖或直径均匀的微细轴。

图8所示为南京航空航天大学采用该方法加工出的微细轴,材料为钨。微阶梯轴的右端长1180µm,直径为6µm ,工件初始直径为300µm,加工时间为20min 。

 

图9 微细电解加工样件

图9是南京航空航天大学加工出的电动剃须刀网罩样件。 90个宽0.28mm 深0.8mm 的窄缝同时加工,加工时间为100s 。虽然0.28mm 的尺度并不算很微小,但是所达到的加工效率、表面加工质量和窄缝侧壁的垂直性相比其他加工工艺则具有明显的优势。高效率和低成本非常适合电动剃须刀网罩这类大批量生产的产品。实际上,这项技术在缩小槽宽方面还有很大潜力。

2 微细电铸

2.1 准LIGA

从原理上讲,如果不考虑芯模表面处理层、内应力变形和脱模变形等影响因素,电铸的复制精度可以达到纳米量级。目前,电铸已经在微细制造领域中得到了重要的应用。电铸是LIGA 技术中一个重要的、不可替代的组成部分。在LIGA 过程中,电铸具有的微细复制能力得到了充分发挥。

准LIGA 主要工艺步骤包括光刻和电铸,参见图10。采用导电基底材料,在其上均匀涂覆感光胶,然后进行曝光、蚀刻等工艺步骤,在金属基底上形成带有特定图案的感光胶层。然后将带有图案胶层的金属模版放入电铸槽内进行电沉积,金属离子在模版上裸露出衬底材料处沉积直至将其填满。然后将金属沉积物和感光胶层分离,得到的金属结构就是所需的微细零件。图11所示是南京航空航天大学采用该方法制备的微型齿轮(铜,直径300 µm) 、微平面线圈(铜,线宽50 µm) 、微流道(镍,槽宽120 µm) 和微接触探针(镍) 。

曝光光源

照射 感光胶

刻蚀

电铸

结构  

图10 准LIGA 原理示意图

5

                                   

图11 准LIGA 工艺制备的微型零件  

在微细电铸过程中,同时采用了高频脉冲电流和冲液的方法,使得电沉积在电化学极化度较高的情况下进行,从而细化了晶粒,获得了致密的金属沉积层。另外,还试验了压力正负交变等措施,利用较强的压力扰动,及时排除阴极上的吸附气泡,消除了阴极吸附气泡造成的针孔、麻点等问题。采取了低应力工作液,并对过程参数进行优化,控制了沉积应力,避免了变形。

2.2 EFAB技术

EFAB(Electrochemical FABrication)是基于SFF(Solid Freeform Fabrication)的分层制造原理开发出来金属微结构加工技术。EFAB 技术用一系列实时的掩模板(Instant Masking)选择性电沉积金属将微结构层层堆积起来,这些实时的掩模板是通过将光刻胶涂于金属衬底上,经光刻显影后形成的,在电沉积时,掩模板的衬底作为电铸阳极,这与LIGA 和Quasi-LIGA 技术中的掩模电铸是完全不同的。利用EFAB 制作三维金属微结构需要循环进行选择性电沉积和平铺电沉积的金属可以是结构金属也可以是牺牲层金属,其工艺路线如图12示。EFAB 克服了LIGA 和Quasi-LIGA 只能加工简单平面三维的缺点,能够加工真正的三维图形,因而具有很好发展前景。

但是EFAB 加工过程非常复杂,步骤繁多,EFAB 每沉积一层金属需要经过选择性沉积结构金属、平铺沉积牺牲金属和平坦化三个步骤,而每一层的厚度为2~20 µm ,因此要加工一个高度为500 µm 的结构至少需要重复25次上面三个步骤,其加工周期相当长。EFAB 需要一系列实时模板,每个实时模板具有独立的不同图案,而制作一个模板就要一个光刻掩模板,通常一个图形要分成几十个断面甚至更多,那么就需要几十个或更多的不同的实时模板,相应的就要多少光刻掩模板,这使得制造费用极其昂贵。另外,EFAB 技术各层之间在微米尺度上的准确对准也是个难题,EFAB 制作出来的零件层与层之间的存在连接痕迹,这将在一定程度上削弱零件的整体强度。  

6

 

图12 EFAB工艺路线  

图13 EFAB加工实例(20层,每层50微米厚)  

2.3 LIGA、准LIGA 与微细电火花的组合加工

将LIGA 、准LIGA 与微细电火花相组合,有效的解决了微细电火花复杂微工具电极和群微电极的制造问题。目前,LIGA 、准LIGA 与微细电火花主要通过两种形式组合:(1)用LIGA 、准LIGA 方法制作阴图形电极腔,采用微细电火花来加工高长径比的轴类微结构。日本K. Takahata、N. Shibaike 等人利用在LIGA 、电火花组合工艺加工出高1000 µm 、外径200 µm 的WC-Co 硬质合金齿轮,高度方向的外径差小于4µm ,如图14所示。(2)用LIGA 、准LIGA 方法制作阳图形群微电火花电极阵列(图15) ,加工多孔板或批量加工零件。          

图14 LIGA制作的阴图形电极腔和加工的零件(齿轮柱长1mm ,长度方向外径差小于4µm)

7

       

图15 LIGA制作的铜电极阵列和加工出的70 µm 厚WC-Co 齿轮  

对于这种组合加工方式,微电火花电极的耐蚀性非常重要。南京航空航天大学研究发现,电极材料耐电蚀能力与电铸工艺参数和添加剂性质及其添加量密切相关,在特定的工艺条件下,添加Cl – 或明胶均不同程度地提高了电极材料的耐电蚀能力。组合添加适量两种添加剂,在一定的温度和电流密度范围内,能生成一种独特的弥散微孔的纤维状结构组织,提高耐蚀性的效果更加明显。 3 结论

电化学微细加工在原理上具有优势,得到了国内外研究者的特别关注,近些年得到较快发展。电化学微细加工涉及到许多新概念、新技术和新思维,交叉融合了多学科知识。电化学微细制造科学技术领域目前还存在许多未知,随着人们不断的探索、发现,会出现更多更为有效的电化学微细加工方法。

参 考 文 献

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作者简介:朱荻,男,1954年5月生,南京航空航天大学博士、教授,长江学者特聘教授。主要从事特种加工、微细加工方面的教学和研究。通信地址:南京市御道街29号南航机电学院。邮编:210016。电话:025-84891077。Email :[email protected]

10

微细电化学加工技术的研究与发展

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作者单位:

被引用次数:朱荻, 张朝阳, 明平美, 曾永彬, 王明环南京航空航天大学机电工程学院,南京,2100161次

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1. 李小海. 王振龙. 赵万生 微细电化学加工研究新进展[期刊论文]-电加工与模具2004(2)

2. 曾繁章. 郭钟宁. 刘江文. ZENG Fan-zhang. GUO Zhong-ning. LIU Jiang-wen 微细电化学加工技术[期刊论文]-机电工程技术2005,34(5)

3. 李勇. Li Yong 微细电加工应用技术研究[期刊论文]-电加工与模具2009(z1)

4. 陈远龙. 杨涛. 万胜美. 王天霁. Chen Yuanlong. Yang Tao. Wan Shengmei. Wang Tianji 电化学加工技术的概况与展望[期刊论文]-电加工与模具2010(z1)

5. 朱荻. 王明环. 明平美. 张朝阳. ZHU Di. WANG Ming-huan. MING Ping-mei. ZHANG Zhao-yang 微细电化学加工技术[期刊论文]-纳米技术与精密工程2005,3(2)

6. 张朝阳. 朱荻. 王明环. ZHANG Zhaoyang. ZHU Di. WANG Minghuan 纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验[期刊论文]-机械工程学报2007,43(1)

7. 付伟. 张之敬. 张卫民 超高频群脉冲微细电化学加工电源技术研究[会议论文]-2007

引证文献(1条)

1. 王磊. 朱荻. 曲宁松. 王明环 金属微孔网板微细电解加工技术研究[期刊论文]-电加工与模具 2007(2)

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