超声微细电铸试验研究

试验研究和分析了电解液施加超声搅拌作用时不同声强对试样形貌质量的影响，优选了工艺参数，在此基础上，进行了超声微结构电铸试验，并制备出多种金属微器件。试验结果表明：超声搅拌声强为12～14W／cm^2时，电铸出的镍微器件积瘤、针孔等缺陷少，塌角、圆边现象明显减少，表面平整。微细电铸时，电解液施加适量大小声强的超声搅拌，能显著改善微细电铸器件形貌质量，提高金属充填能力。

高性能微细电铸的实验研究

将纳米稀土La2O3作为添加剂,研究其在微细电铸镍工艺过程中的影响。采用SEM等现代分析手段对微细铸层微观结构和性能进行了测试。结果表明:纳米La2O3能够在阴极沉积表面发生特性吸附,具有增大阴极极化,细化微细电铸层晶粒,获得的微细铸层的显微硬度和耐磨性等力学性能比普通电铸层有大幅度的提高。

辅助交变低气压-温度梯度微细电铸技术

具有超深或高深宽(径)比(HAR)微结构特征的高质量电铸,是制造金属微机械器件和半导体通孔金属化的技术关键之一。开发了一种新的电铸技术:辅助交变低气压-温度梯度微细电铸技术,并介绍了该技术的基础理论,分析了其作用机理,研制了实施该技术的专用装置,进行了微细电铸试验。分析了微细电铸镍元部件的形貌特征及其影响因素。研究结果表明,与常规电铸工艺相比,采用辅助交变低气压微细电铸工艺,能显著减少电铸件的气孔缺陷,增强电充填深铸能力,改善形貌质量。

微细电铸电流密度的有限元分析

微细电铸过程中,阴极表面的电流密度分布直接影响沉积层的质量。通过对电沉积基本原理的分析,得到了电流密度及其分布对电沉积过程和沉积层质量的影响关系,结果表明,阴极表面金属层的沉积速率与电流密度成正比,沉积层厚度分布与电流密度分布一致。重点利用有限元方法对电沉积系统中电流密度进行了计算,对于不同形状和不同导电化处理方法的微结构,计算结果表明,在导电基底上制作微结构模型以有利于电沉积的结晶;设计用于微细电铸工艺的微结构时,应尽量避免侧壁与基板为锐角的结构,应选取较小的深宽比。从而为基于微细电铸工艺微结构设计的优化提供了基础。

屏蔽阳极模板随动式微细电铸的定域性研究

屏蔽阳极模板随动式微细电铸技术是一种新颖的金属微结构加工方法,具有工艺简单、成本低以及高深宽比微结构加工能力的优点。电沉积定域性是影响其复制精度和分辨率的核心因素。对电沉积定域性进行了理论分析和实验研究,结果表明:极间距对定域性的影响较大,杂散沉积宽度随着极间距线性增大;而在极间距一定时,极间电压(即电沉积电流密度)、屏蔽胶膜厚度及微槽特征宽度不影响电沉积的定域性。

微细电铸法制造高开孔率精细网片

依托微细电铸技术为主要工艺平台,以制造90%左右开孔率的高质量精细网片为目标,重点探讨了芯模制备中电沉积等关键工艺环节的技术要点和难点,并对其操作条件和主要工艺参数进行优选和优化。研究结果表明,基于微细电铸法能制造出缺陷极少、形貌质量好、孔廓形精度高的超高开孔率精细金属网片。

纳米复合材料的微细电铸技术研究

为提高电铸微器件的力学性能,研究了镍-纳米氧化铈颗粒复合电铸工艺,分析了电铸参数(电流密度、纳米氧化铈颗粒浓度及转速)对沉积层中纳米氧化铈颗粒含量、沉积层微观结构及织构、沉积层微观硬度的影响.试验结果表明,电流密度对沉积层中纳米氧化铈颗粒含量具有重大影响.由于纳米氧化铈颗粒的加入,使得沉积产物的晶粒细化,择优取向由(220)逐步转变为(111),微观硬度显著增强.

面向微机电系统的微细电铸制造技术

鉴于微机电系统(MEMS)承载的特殊功能,其制造技术成为当前研究的热点。微细电铸以其固有的诸多技术优势,成为制造复杂结构MEMS零部件的主流技术。概述了超声微细电铸技术、超临界微细电铸技术、屏蔽模板随动式微细电铸技术、辅助交变低气压-温度梯度微细电铸技术和高压微细电铸技术五项面向微机电系统的新型微细电铸制造工艺及其研究进展,并指出了今后的研究重点。

微细电铸Over-plating成型过程的数值模拟与实验研究

微细电铸的Over-plating过程对电铸成型金属器件的质量有直接影响。通过有限元方法对微细电铸过程的电场进行建模分析,利用迭代边界法对Over-plating动态过程的阴极电流密度分布进行数值模拟;通过对直径300μm、深100μm微孔结构的电铸实验,得到了不同时间下Over-plating过程的电铸层形貌;实验结果与数值模拟有着很好的一致性,表明基于有限元的迭代边界分析方法是合理的,也为后续对微细电铸Over-plating成型过程的定量分析提供了参考。

微细电铸电流参数设计与实验研究

研究了镍的直流电铸和脉冲电铸的不同形式电流及其参数,同时,结合铸层表面形貌的影响分析,发现脉冲电铸在采取相对较大电流密度时,电铸质量和效率均优于直流电铸,实验优化后得到的占空比为10%,频率为1000Hz,平均电流密度为4A/dm2。最后,利用优化的电流参数实现了不同微结构的电铸成型。

基于微细电铸法制备微流控芯片模具工艺

提出了一种制备微流控芯片模具的方法。首先,在分析微细电铸流场特性的基础上研究了流速对微流道传质的影响;然后,讨论了脉冲频率、电流密度、安培时、温度四个参数对微流控芯片模具质量的影响;最后,分析了基底毛化与模具结合力的关系。该方法实现了表面粗糙度值小、侧壁垂直度高的微流控芯片模具的制备。

多功能数控微细电铸机床控制系统开发

以PLC为控制核心,开发出一种可实现微细电铸工艺实施过程自动化、工艺参数和工艺效果能实时在线监控的智能化控制系统。从电铸工艺参数控制、阴阳极间距及相对位置控制和电解液循环过滤控制三方面阐述了系统构成,并进行了实验评价。结果表明:基于该控制系统,电铸工艺参数检测、监控准确,误差小于2%;阴阳极直线进给精度低于3μm,翻转角度最高可达90°;双路循环过滤切换及时,延时不超过5s。

高深宽比微细结构电铸时传质过程数值分析

针对高深宽比微细结构电铸时存在严重传质受限的问题,以微深槽特征为分析对象建立液相传质两种数学模型——维扩散模型和二维对流—扩散模型,并分别用Matlab专用工具箱和Fluent 6.2流体仿真软件进行数值求解,依次分析以扩散、强制对流-扩散、复合对流(强制对流和自然对流)-扩散等为主导传质模式作用下微细电铸时,流场和离子浓度场的空间变化规律及其对液相传质效果的影响,并进行试验验证。结果表明:微细结构电铸时,单一扩散作用仅能用于深宽比小于2且电流密度小于2A/dm^2的液相传质场合;槽外强制对流只能对深宽比小于2的微槽内电解液产生一定搅拌作用;强化槽内自然对流作用并与槽外强制对流协同配合时,槽(深宽比为5)内可形成独特的单个或多个占据整个槽空间的涡流循环胞,涡流流速约为强制对流流速的1/20～1/2,明显改善传质效果,试验结果与此相印证。

微细光成形和LIGA工艺集成的可行性分析

微机电系统的发展,对微细加工技术提出了更高的要求。目前常用的微细制造技术本质是基于掩模光刻的二维半微加工技术,难以进行真三维结构的制造。对单光子和双光子微细光成形技术的成形原理、加工分辨能力进行分析和实验研究,将其与微细电铸等工艺集成,提出一种能实现真三维制造的、具有不同应用材料的微细加工新方法,并从原理上验证了两者集成的可行性,为后续研究奠定了基础。微细光成形与微细电铸集成工艺技术为进一步拓展微细制造技术提供了新途径。

金属微结构阵列的电铸成型

在分析微细电铸的电场与流场特性的基础上,深入研究了铸层厚度的不均匀现象及搅拌方式和电流密度对微细电铸质量的影响。由于高深宽比胶膜的存在,单一搅拌对电铸区域的影响只集中在微区的入口部分,扩散过程成为金属沉积的限制性因素;随着胶膜深宽比的增大,电场等势线弯曲的程度加大,导致电铸微区内金属离子传输能力不均匀。实验表明:微细电铸过程中,搅拌速度提高并不能改善金属沉积的传质条件,辅助超声的复合搅拌在相同条件下能提高金属沉积速度,减少铸层缺陷;最佳电流密度不宜超过0.9~1.0 A/dm2。基于该项技术,实现了高分辨率、侧壁陡直金属微结构的电铸成型。

有限元在金属微结构电铸特性分析中的应用

为改善高深宽比金属微结构的电铸成型质量,采用有限元方法分析微细电铸的电场和流场的分布特点,及搅拌方式、电场和流场分布对微细电铸质量的影响。研究表明:搅拌对电铸区域的影响只集中在微区的入口部分,深度小于55μm,扩散过程成为金属沉积的限制性因素;电力线曲率随电铸深宽比增大而提高,导致电铸微区内金属离子传输能力不均匀。微细电铸过程中,搅拌速度提高并不能改善金属沉积的传质条件;辅助超声的复合搅拌在相同条件下能提高金属沉积速度,减少铸层缺陷、改善传质。实现了表面光滑、侧壁陡直的金属微结构的电铸成型。

微模具电铸成型工艺研究

针对微细电铸成型技术中微流道模具的铸层均匀性、铸层气孔和表面粗糙度等工艺问题,提出了控制成型过程中阴极电流密度、增加辅助阴极和阴极平动的方法。通过正交实验对基底蚀刻深度、光刻掩膜厚度、电铸槽温度和阴极电流密度等因素进行工艺优化研究。结果表明,得到最佳工艺参数为阴极电流密度4 A/dm^2、二次辅助阴极电流密度1.5 A/dm^2,阴极平动速率0.01 m/s,温度50℃、掩膜厚度50μm、刻蚀深度20μm。获得了尺寸均匀性好、铸层气孔少,表面粗糙度为Ra 0.5μm的微模具。

金属微结构电铸成型的流场性能研究

为改善高深宽比金属微结构的电铸成型质量,在分析微细电铸的流场特性的基础上,深入研究了铸层厚度的不均匀现象及搅拌方式、流场分布对微细电铸的影响。由于高深宽比胶膜的存在,单一搅拌对电铸区域的影响只集中在微区的入口部分。扩散过程成为金属沉积的限制性因素;随着胶膜深宽比的增大,搅拌速度对电铸传质过程影响减小,导致电铸微区内金属离子传输能力不均匀。实验表明,微细电铸过程中,搅拌速度提高并不能改善金属沉积的传质条件;辅助超声的复合搅拌在相同条件下能提高金属沉积速度、减少铸层缺陷、改善传质。实现了高分辨率,侧壁陡直的金属微结构的电铸成型。

基于UV-LIGA技术制造微结构器件试验研究

试验研究了UV-LIGA各工艺环节(包括前后烘、曝光、显影、去胶、电铸等)对金属基片上制造金属微结构器件质量的影响,并组合优化了操作条件和工艺参数。试验结果表明:采用优化后的UV-LIGA工艺条件,制造出的金属微结构器件(如微齿轮、微流道)轮廓清晰,表面质量好,无明显缺陷,与基底结合良好。

UV-LIGA工艺制作微注塑模具型腔

设计并制作了微注塑模具型腔.利用无背板生长法,采用UV-LIGA套刻技术和掩膜腐蚀技术,直接在合金钢基底上制作具有微阵列结构、微注塑浇口、微排气通道、排气孔、聚合物熔体流道等结构的微注塑模具型腔.对SU-8厚胶的光刻工艺参数进行优化,给出厚度350μm的SU-8胶的建议工艺条件：固定边框厚度进行刮胶;梯度升温前烘,自65℃至85℃每隔5℃间歇式升温,且85℃的烘焙时间为5.5-6.0h;紫外光接触式曝光,剂量630mJ/cm2;85℃中烘15min,显影20min.针对Ni微细电铸过程中产生节瘤现象分析原因并改善工艺参数,将电流密度和pH分别控制在3A/dm2以下和3.8-4.4.最终成功获得高质量的微注塑模具型腔.