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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 分层电铸加工系统开发及其基础试验 姓名：孟轶 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：曲宁松 20080301 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 微电铸技术是近年来发展起来的一种微细加工技术。该项技术是在继承传 统电铸优点的基础上，与现代集成电路工艺有机结合而形成的，是制作 MEMS 金 属器件或结构的有效方法。而 EFAB 技术是一种新型的微电铸技术，它在 1999 年由美国南加州大学开发。整个工艺过程包括选择性电铸、填充电铸、平坦化 处理和选择性刻蚀。它旨在快度、批量、自动化、低成本加工复杂的真三维高 深宽比微金属结构，是一种具有潜力
2、的新加工工艺。 在分析 EFAB 工艺特点的前提下，本文对该工艺的选择性电铸部分进行了改 进：将阴阳极分开以提高冲液效果、促进离子流动。并以该设想为基础设计了 机床，主要完成 EFAB 工艺的选择性电铸以及填充电铸部分。平坦化处理通过不 需要将阴极重复装夹的 3R 夹具移至线切割机上处理，选择性刻蚀放置通风柜里 处理。 机床采用双立柱龙门复合结构，既能满足刚性要求，又有方便的操作维护 性；具有三个方向的进给机构，均采用丝杠导轨的传动方式，对传动部分的结 构以及零件进行了结构设计。供液部分采用两套三通路系统，一套用于整个供 液的循环，另外一套专门用于镶柱处电铸液的循环。 进行了该工艺的验证试验，
3、分析不良电铸结果产生的原因，设计出一系列 有针对性的结构如十字槽、阴极套筒套环、支撑板镶柱等结构改善阴阳极之间 的贴紧状态及实现较好的冲液效果。对 EFAB 的其他工艺步骤也进行了初步实 验。 关键词：关键词： EFAB，装置开发，微细电铸，真三维，选择性刻蚀 分层电铸加工系统开发及其基础试验 II ABSTRACT Micro-electroforming technology is one of the micro-machining technology which is developed in recent years. It is based on traditional elec
4、troforming technology and combines with integrated circuit technology. Electrochemical Fabrication (EFAB) technology is a newly developed micro-electroforming technology which can produce MEMS metal device. It is a novel, high-aspect-ratio true 3D micro-fabrication process for rapid, low-cost deskto
5、p micromachining of MEMS. By analyzing the features of EFAB process, an improvement is introduced to the part of selective electroforming: separating the anode and cathode to improve the flowing of solution and ion diffusion. The author designs a set-up based on this idea. Two steps which are select
6、ive electroforming and blanket planting will be performed on this set-up. A wire cutting machine will finish the step of planarization. A double vertical column style is chosen as the main mechanical structure, which has the advantage of excellent structure rigidity as well as good maneuverability.
7、The set-up has three axis which all use lead screw and guide as their transmission mechanism. Structural design and improvement are carried on in this part. Two sets of fluid supply system are used on this set-up. The one is used as the supply of entire set-up, the other is used as the supply of inl
8、aying column. A series of structures are designed to solve the problems, such as the poor attaching between the anode and cathode which affects the quality of electroforming. It is proved by the results of the following experiment that they work in some extent. Other steps of EFAB process are also p
9、erformed. Keywords: EFAB, development of set-up, micro-electroforming, true 3D, selective etching 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图 表 清 单 图1.1 典型MEMS器件-微夹钳1 图 1.2 湿法刻蚀3 图 1.3 硅基底的各向异性腐蚀3 图 1.4 表面微加工工艺4 图 1.5 面硅微工艺制作的器件5 图1.6 LIGA工艺过程.6 图 1.7 用 LIGA技术制成的微器件.6 图 1.8 立体光刻技术装置图7 图 1.9 用立体光刻技术制作出的 “链条” 8 图 1.10 EFAB 工艺
10、过程9 图 1.11 即时掩模板10 图 1.12 不需要考虑电铸不均匀性11 图 1.13 阴阳极完全贴合制作出的产物11 图 1.14 由于定位误差造成的“阶梯”12 图 1.15 原本的与改进的 EFAB 选择性电铸过程13 图 2.1 极化曲线17 图 2.2 阴极极化曲线18 图 3.1 电铸液箱布置25 图 3.2 装置结构及其简化26 图 3.3 分层电铸加工系统原理27 图 3.4 导轨与基准面的固定形式29 图 3.5 立柱截面结构以及形位公差.29 图 3.6 传动上的改进30 图 3.7 拖板结构30 图 3.8 丝杠固定形式31 图 3.9 固定端与支撑端轴承支座组件3
11、1 图 3.10 传动部分零件设计32 分层电铸加工系统开发及其基础试验 VI 图 3.11 装置传动部分结构32 图 3.12 主轴箱部分结构33 图 3.13 电铸液箱体及其固定结构33 图 3.14 装置总体装配图34 图 3.15 变位导程螺母35 图 3.16 垂直方向示意35 图 3.17 联轴时的偏心与偏角39 图 3.18 位移台防尘壳.40 图 3.19 分层电铸装置实物图40 图 4.1 阴阳极固定方式的改变.42 图4.2 树脂掩模板42 图4.3 贴合不紧密.44 图 4.4 由于贴合不紧密造成的电铸样貌44 图 4.5 阴极与电铸液面接触不良45 图 4.6 可能由于
12、气泡吸附与液面张力造成的电铸样貌45 图 4.7 支撑板结构46 图 4.8 十字槽46 图 4.9 多层电铸制作过程47 图 4.10 进液孔处的改进47 图 4.11 镶柱及其结构47 图 4.12 镶柱处供液系统48 图 4.13 加装辅助装置前后冲液对比.48 图 4.14 阴极套筒结构49 图 4.15 选择性电铸部分装置供液系统49 图 4.16 加套筒前后电铸样貌对比49 图 4.17 加镶柱前后电铸样貌对比50 图 4.18 填充电铸与平坦化处理50 图 4.19 选择性刻蚀52 表 2.1 镀镍液成分21 表 2.2 镀铜镍液成分22 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的学位论
13、文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 MEMS 与微系统概论 1.1.1 MEMS 与微系统 MEMS(Micro
14、 Electro Mechanical System)这个名词大约在 1987 年被提出， 现在已经在该领域被广泛接受。它作为一个多学科研究领域，是一个包括微电 子，机械，光学，和其他功能部件的集成功能系统。其研究领域不仅涉及组件 和系统的设计、材料、制造、测试、控制、集成、能源以及与外界的联接等许 多方面，还涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、微热力学、微摩 擦学、微光学、材料学、物理学、化学、生物学等基础理论，使得整个系统能 对外界进行感知，处理和反应15。一般来说，一个 MEMS 包含一些尺寸从 1 微米 到 1 毫米的器件，能通过机电或物理的方法获得一定的工程功能。最初对 ME
15、MS 器件的尝试可以追溯到 1950 年对硅压力传感器的开发68。 图 1.1 就是一个典型 的 MEMS 器件，它通过静电力来起到夹持小物体的功能。 当今很多微系统是建立在“芯片上的实验室（lab-on-a-chip） ”这一概念 上的9。整个单元可以放在一块非常小的硅片上。目的是通过多学科的交叉，实 现结构的微型化以及功能的一体化。这已经成为微机械学、微电子学、生命学 科、化学学科的热点。汽车气囊展开系统惯性传感器就是一个典型的例子，整 个单元实现汽车碰撞时及时感应和处理的功能10。 图 1.1 典型 MEMS 器件-微夹钳 电极 V 夹紧力 分层电铸加工系统开发及其基础实验 2 1.1.
16、2 相关应用 随着微加工和小型化技术的不断发展，MEMS 和微系统产品将会在商业市场 的各个方面占据领导地位1116。 （1）在汽车工业中的运用：汽车工业一直以来是 MEMS 技术的主要客户。 为了使汽车更舒适，更安全，运行更可靠，大量的微传感器被运用到汽车的各 个部件。比如气囊展开系统中的微加速度传感器、防抱死系统中的位置传感器、 悬挂系统中的位移/压力传感器、导航中的微陀螺仪、发动机中的歧管压力传感 器等等。随着科技的发展以及人们对性能、智能、舒适等要求的不断增长，未 来的汽车将会拥有更多更可靠更复杂的微传感器以及微处理器、微致动器，汽 车行业在将来仍然将是 MEMS 运用的重要行业之一。 （2）在其他工业中的运用：比如在航空航天业中用于燃料安全和效率的微 传感器、用于导航和稳定控制的微陀螺仪、用于军事工业的微卫星；在卫生保 健领域运用的可置换血压传感器、输液泵压力传感器、毛细管电泳系统；在电 信工业中运用的光开关和光纤耦合器、射频开关、可调谐振器；在消费/工业产 品中运用的打印机喷墨头、空调和通风系统、智能洗衣机、智能真空
