无掩模定域性电沉积微镍柱工艺研究

无掩模定域性电沉积技术是一种以增材制造方式进行电化学沉积的先进制造方法。用定域性电沉积方法沉积微镍柱结构,通过实体显微镜和扫描电镜观察微镍柱沉积高度、直径及微观形貌,并根据测量结果计算平均沉积速率,设计双因素实验研究脉冲电压、电解液浓度、添加剂及电极间隙对定域性电沉积微镍柱的影响。结果表明:微镍柱平均直径及平均沉积速率随脉冲电压增大均快速增大,脉冲电压大于4.0V时微镍柱更为致密,但表面弯曲且粗细不均;不同脉冲电压下,改变电解液浓度产生的影响不同,主要影响微镍柱沉积速率及表面形貌;添加剂(PPS-OH)使微镍柱表面形貌变得光滑平整、光亮度增加,微镍柱平均直径及沉积速率随添加剂含量增大而减小;电极间隙主要影响微镍柱沉积形态及沉积速率,电极间隙大于10μm时沉积得到的微镍柱逐渐呈现圆锥状,平均沉积速率减小明显。当脉冲电压4.2V、氨基磺酸镍含量300g/L、添加剂(PPS-OH)含量0.5g/L及电极间隙10μm时,无掩模定域性电沉积得到的微镍柱形状规整、粗细均匀且表面光滑平整。

基于离子液射流定域电沉积的微镍柱成形研究

为提高定域电沉积三维金属微结构的加工效率和质量,采用离子液射流定域电沉积方式制备直径50~100μm、高度450~500μm的微镍柱,探究了工艺参数对沉积速率、微镍柱直径和微观形貌的影响。结果表明,在选定的参数范围内,微镍柱直径和沉积速率随着电压的增大同时增大,占空比对微镍柱沉积速率的影响高于对平均直径的影响,而脉冲频率对于微镍柱沉积速率影响不大。通过体式显微镜观察微镍柱微观形貌呈尖端效应,表明在阳极尖端半径对应区域和离子液射流范围内的共有区域具有电沉积定域性和优先性。合理控制阳极运动轨迹,调节参数为极间电压4.4 V、占空比50%、脉冲频率10 kHz时,可获得轮廓平直、表面致密的直径为61μm微镍柱。

工艺参数对定间距电沉积微镍柱表面形貌的影响

电沉积过程中电极极间距的恒定可以有效地提高电沉积的沉积效果,研究了脉冲电压幅值、脉冲占空比和负向脉冲电流对微镍柱表面形貌的影响。为了探索当极间距恒定后脉冲电压幅值、脉冲占空比和负向脉冲电流对微镍柱表面形貌的影响,采用扫描电子显微镜和体式显微镜观测微镍柱表面形貌,采用COMSOL Multiphysic软件对电流密度和电场强度进行仿真验证,研究各个工艺参数对微镍柱表面形貌的影响,对比在相同参数下定间距与变间距沉积、有无负向脉冲电流的微镍柱的表面形貌。结果表明:在定间距下,电压在4.1~4.7V时,可以得到圆柱度较好且平均直径在47~100μm的微镍柱;在电压为4.7V时,微镍柱呈尖锥状,无分叉现象和瘤状沉积,随着电压的增加,沉积速率从0.33μm/s增长到0.7μm/s,优化后的负向脉冲电流参数为电压2V,频率0.5kHz,占空比60%,单个周期内正负脉冲个数比值5:1。恒定极间距可以改善微镍柱呈堆叠状沉积的现象,增加负向脉冲可以对微镍柱实现一定的修整效果,同时起到消溶沉积层的微毛刺、微凸起和枝状晶作用。

电沉积增材制造微镍柱的工艺研究

目的探究电沉积工艺参数对无掩模定域性增材制造微镍柱的微观形貌、直径和沉积速率的影响。方法采用尖锥形铂丝作为阳极、铜板作为阴极,电镀液从阳极和导流腔之间的微缝隙以射流方式流到阴极表面,电化学沉积增材制造微镍柱。采用体视显微镜和扫描电子显微镜对镍柱微观结构进行检测。通过单因素试验研究极间电压和初始极间距对微镍柱微观形貌、沉积速率和直径的影响规律。结果初始极间距为10μm、电压为3.8~4.4V时,可以制备出直径均匀、圆柱度较高的微镍柱;电压增至4.7V时,微镍柱形状不规则,常伴有分叉现象或呈瘤状沉积。极间电压从3.8V增加到4.7V时,微镍柱体积沉积速率由539μm~3/s增长至4159μm~3/s,直径由55μm增长至102μm。此外,当极间电压为4.1 V、初始极间距为20~40μm时,随着初始极间距的增大,微镍柱顶端从圆柱形逐渐转向锥形沉积。结论极间电压对微镍柱微观形貌、沉积速率和直径的影响明显,初始极间距主要影响微镍柱顶端的沉积生长形状。

脉冲电压幅值与电解液流动状态对无掩模定域性电沉积微镍柱的影响

为探究脉冲电压幅值与电解液流动状态对无掩模定域性电沉积微镍柱的影响,采用体视显微镜和扫描电子显微镜SEM对电沉积的微镍柱进行观察、检测,并计算了平均沉积直径和速率。在实验的基础上通过控制变量法研究了脉冲电压幅值与电解液流动状态对沉积微镍柱平均直径、平均沉积速率和表面形貌的影响。研究表明,当脉冲电压幅值在3.8~4.4 V时,电压幅值越大,微镍柱沉积速率越大,表面形貌越粗糙;平均沉积直径和速率会随电解液流动状态变化而发生改变,当流量在0.025~0.25 mm^(3)/s时,沉积速率随电解液流量的增加而加快;电压由3.8 V增至4.4 V时,液滴、微液滴和微射流状态下微镍柱沉积直径增大,冲击射流状态下微镍柱直径则先增大后减小且微镍柱顶部呈明显的尖锥状并在镍柱周边存在"毛刺";微镍柱的表面形貌随电解液流动状态的不同而不同,大流量喷射(0.25 mm^(3)/s)条件下,微镍柱表面更平整、致密。

高精度镍微柱阵列模具的制造

使用基于SU-8胶的微电铸工艺制造了一款微柱宽度为200μm,高度为300μm,柱间隙最小为200μm的镍微柱阵列模具。针对制造过程中SU-8光刻胶去胶难的问题,提出了一种预置溶胀间隙的方法。该方法可以使完整的胶膜分割成许多独立单元,独立的胶膜单元在去胶时溶胀破裂,脱离金属微结构。去胶释放后微柱结构表面光洁、无残余光刻胶,微柱阵列的宽度尺寸误差低至1.35%。研究表明:预置溶胀间隙的方法具有易操作、成本低等优点,可以应用于微小结构的去胶。