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1、.大连理工大学研究生试卷类别标准分数实得分数平时成绩10作业成绩90总分100授课教师签 字系 别： 机械工程学院课程名称微制造与微机械电子系统 学 号：姓 名： 考试时间：2013年 1 月 15 日.微电铸工艺工艺参数（大连理工大学机械工程学院 大连 116024）摘要：随着MEMS和LIGA两种技术的发展,微电铸工艺以其独特的优势，受到越来越多的关注。本文介绍了微电铸的基本原理和特点及其一些研究现状和发展趋势。文中着重强调了微电铸工艺的工艺参数，如电源波形，PH值，阴极电流密度，空气搅拌，电解液温度等。以及研究人员为了得到更好的铸层效果，对其工艺参数进行优化所取得的成就，体现在气孔问题的
2、解决，残余内应力的消除，镀层不均的改善等。关键词：微细加工 微电铸 工艺参数 Micro-lectroforming TechnologyProcess Parameters(Dalian University of Technology, Department of Mechanical Engineering, DaLian 116024)Abstract：With the development of the technology of MEMS and LIGA, Micro-electroforming technology with its unique advantages is
3、 inducing more and more attentionThis Paper mainly introduced the fundamental and characteristics of micro-electroforming, and its some research and development trends. The article emphasized the process parameters of the micro -electroforming technology, including Power waveform,PH value, cathode c
4、urrent density, stirring, temperature of electrolyte and so on.As well as in order to get a better cast layer， researchers optimize the process parameters to obtain achievements,including the solution of the problem to hole,the elimination of residual internal stress, the improvement of poor evennes
5、s and so on. Key words: Micro-fabrication Microelectroforming Process parameters0 前言微电铸工艺(Micro Electroforming Technology)是随着MEMS技术的快速发展，在继承传统电铸工艺特点的基础上，形成是一种非硅基微细结构加工的重要精密电铸技术,广泛用于MEMS技术领域1。微电铸技术与常规电铸技术不同,它是适用于微小结构成型而建立的加工技术, 既可以看作有掩模电镀在高深宽比方向发展的结果,也可以认为是传统电铸技术在微细加工模具基础上的延伸 2。LIGA技术2.3首先是由德国卡尔斯鲁厄核物
6、理研究中心研究出来的。该技术被认为是制造微型机械最有前途的方法，具有加工精度高、线宽小、取材广泛、等优点。LIGA是德语X射线光刻（X-ray lithographie）、电铸（galvanoformung）和模压（formtechnik）的缩写4，微电铸作为其中的一个非常重要的工艺环节，也是其它方法难以替代的。作为一种世界上先进的制造技术，微电铸工艺的突出优点为：微小结构成型、复杂结构成型、高精度和批量生产等，主要用于制作各种精密、异型、复杂、微细等难以用传统加工方法制得的或加工成本很高的结构，适用于航天、 航空、仪器仪表、核工业、微型机械等高新技术领域5,6，且日益受到人们的关注。下面对微
7、电铸工艺技术进行系统的介绍，并指出现在的一些发展现状和研究成果，给出一些问题的解决思路。1 微电铸的基本原理及特点1.1 微电铸的基本原理微电铸与传统电铸技术有着相同的原理和相似的工艺过程，但因为该项技又跟传统的宏观电铸有着显著差异。微电铸本质上来说是它利用电镀的原理（其主要的工作原理是基于电化学原理，但是有别于电镀以及传统电铸）,将各类金属(包括合金)沉积在特定设计的母模上,待累积到相当厚度再与母模脱离,便可形成电铸工件，它本质上是电镀的一种特殊形式。阳极、电解液、待镀工件模具(阴极)和电源是微电铸电化学沉积的基本要素。电解液中包含希望沉积的金属离子,它在电解作用下，在作为阴极的工件模具表面
8、沉积,多数情况下微电铸液的金属离子可以从阳极金属的溶解反应中得到补偿2。微电铸的工作示意图7如下： 在阳极反应：M-ne-Mn+在阴极反应：Mn+ne-M同时伴有氢气析出：2H+2e-H2图1微电铸的工作示意图如图1所示：阳极为用于电铸的金属材料，阴极为导电的原模。微电铸液中的金属离子与阳极金属种类相同。在直流电的作用下。阴阳两极便发生电化学反应 ,即阳极金属则不断地生成金属子溶解子电铸液中,使其金属离子的浓度保待不变；同时电铸液中的金属离子在阴极还原成金属,并沉积于原模表面，阴极原模上的电铸层逐渐变厚 ,直至达到加工要求为止。铸件取出铸件后,经脱模可获得与原模型面凹凸相反的产品。其工艺示意图
9、如图2所示：图2 LIGA电铸的工艺工程示意图1.2 微电铸的特点微细电铸主要是针对微小结构的加工技术，是相对于常规的电铸技术建立起来的新概念。其主要应用于L1GA和准LIGA技术中进行精细结构的加工。与传统电铸工艺相比，微电铸工艺有其独特的优势，主要有以下几个其特点 3,7： 1)对微电铸时沉积反应物质传输造成障碍的是位于电铸基底表面的高深宽比光刻胶结构。对于传统的电铸，电铸液离子传递到阴极表面并沉积下来有三种方式：扩散、对流和电迁移。在微电铸中,它孔道内的质传递定性模式如图三。由于掩膜微结构形式多样性，以及高深宽比微结构的屏蔽作用，将会导致不同电沉积区域稳定扩散层厚度的显著差异，从而使结晶
10、习性、沉积速度和内应力表现不同，影响整体结构。 图3:不同线宽的微结构电铸时质传递定性模式2）因为传统电铸的屏蔽作用，难以密实填充微细深孔，往往会形成密闭的空腔。但是由于需要电镀微型模具的光刻胶微结构不导电的特点，又给细缝和深孔的填充都创造了可能。由各种深度光刻和刻蚀所形成的深孔、深槽,其侧壁一般不会导电，对于进入孔内电流不会产生屏蔽作用,所以制造高深宽比金属微结构，可以通过微电铸填充微型缝隙和孔洞；3）镀件起始面处于同一个平面上, 整体尺寸较小,被不导电的光刻胶分割成不同形状的区域。这些微小区域有的相互连通,有的相互隔绝,但是由于尺寸较小又处于同一个平面上,所以存在电流分布严重不均匀现象(不
11、同区域之间填充比例差距较大),采用仿形性阳极也无法加以弥补；4）由于微电铸工件所要填充的孔洞都是盲孔，所以镀液的浸润和完全填充需特别注意。同时，微电铸过程中析出的氢气也需要设法及时予以排除。由于表面张力的原因，开口很小的微细盲孔很难为普通电解液所填充，解决该问题的常用办法是添加表面活性剂以降低电镀液表面的张力，但是效果也不是很好，仍然必须辅以超声搅拌或机械震动等措施才能够使存于盲孔内的气体离开，这些都是要在工艺设计中加以考虑的。总结上面的分析可知微电铸除了兼有传统电铸和掩模电镀两个特征，而且还有它自身需要解决的独特问题，因此需要开展深入系统的工艺技术研究。2 微电铸工艺参数的研究现状和发展趋势
12、2.1 微电铸工艺参数一个完整的电铸工艺包括母模的制作技术、电铸沉积技术、离模及后处理技术，微电铸工艺包含的技术内容1如下： 图4 微电铸工艺包含的技术内容 下面主要介绍下微电铸的工艺参数，即微电铸工作时的操作变化因素，包括电源波形、电流密度、温度、PH值和搅拌等7。对于不同的材料和电解液，必须对脉冲参数及操作条件(例如电源波形，温度，PH值等)进行最佳的参数组合实验才能获得优良的铸层。1）PH值硼酸在PH值为3.85.2范围内，缓冲作用最好。若其他条件一定时，溶液PH值在5以上时，镀层内应力会因氢氧化物夹杂而升高，晶粒变得租糙，延伸率下降，铸层的硬度和拉伸强度将迅速增加；溶液PH值低，溶液的
13、导电性增加，阴极极限电流密度上升，阳极效率提高，但与此同时析氢多，镀层容易产生针孔，且阴极效率降低。因此PH值不能太高也不能太低，一般控制在3.64.8较为适宜，通常较高的PH值只有在常温条件下使用的微电铸液才允许使用。2）电源波形 电源波形是非常重要的一个工艺参数，比如铸层的结晶组织、光亮度、添加剂的消耗等方面都受到电源的波形影响。周期换向电流就是周期性地改变直流电的方向，而单向电流周期性地被中断是脉冲电流，目前在微电铸工艺中一般采用这两种电流。脉冲电流可提高电铸沉积层金属的导电性和硬度，也可以减少氢气的析出，提高阴极电流效率，从而减少针孔、条纹和氢脆等。脉冲波形主要有正弦波、三角波、方波和
14、锯齿波等，对于单金属电铸，方波的效果最好。脉冲电流波形的特点是，在接通瞬间可以在电极得到较直流高得多的电流密度；断开后，电极也可以迅速恢复至原状。因此脉冲电流波形可以提高电极的电化学极化，产生细致的铸层，消除浓差极化，且使吸附在阴极表面的杂质、氢气等脱附，有利于减少缺陷，提高铸层的纯度。矩形脉冲电流波形2如图5： 图5 矩形脉冲电流波形矩形脉冲电源主要参数9如下：Ton：脉冲时间，即电流接通时间，单位s；Toff：松弛时间，即电流断开时间，单位s；T：周期，T=Ton+Toff，单位s；f：频率，f=l/T,单位Hz；Ip：脉冲电流密度，单位Adm2；Im：平均电流密度，单位Adm2；R：占空
15、比，Ton/(Ton+Toff)=Ton/T；从参数定义可以看出，f、R、Im作为基本参数，通过三者不同搭配，构成不同的脉冲波形。3）阴极电流密度微电铸溶液中总存在一个可以获得良好微电铸层的电流密度范围，电流密度下限是获得良好铸层的最小电流密度，而其中的最大电流密度称为电流密度上限。低的电流密度可以避免由于高深宽比微结构所造成的极限传质控制；但是电流密度过低，阴极极化作用小，镀层的结晶晶粒较粗，镀速较慢，工作效率也不高，一般避免采用过低的阴极电流密度。应以深宽比最大的深孔或细缝为参考选择电流密度，深宽比越大，允许的电流密度越小。但是阴极电流密度不能超过允许的上限值，由于阴极附近缺乏金属，故在阴极的尖端和凸出处会产生形状如树枝的金属层，或者在表面产生如海绵的疏松铸层。4）空气搅拌一般的搅拌对深孔和细缝的对流传递作用不大，但是适度的搅拌也可以促进电解液中气体的析出，改善工件的均匀性；部分微电铸设备中已经采用旋转电极来产生强对流的搅拌方式，能够明显提高搅拌的效果；单一方向的流动搅拌容易造成结构严重不对称，采用搅拌的微电铸液必须进行定期或是连续的过滤，以除去溶液中的各
