微电铸中电流-流体耦合场数值分析及实验

微电铸是LIGA/UV-LIGA的核心技术,在微机电系统和微纳米制造领域有着很好的应用前景。为了探究微电铸的内在规律,需要对影响铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行数值仿真研究。以微流控芯片的微模具为研究对象,在建立微电铸的数学模型的基础上,分别给出描述电流密度和流体流场的偏微分方程。运用有限元法对微电铸体系进行三维数值仿真,得到电流密度分布和流体流场分布的数值结果。选择十字铸层上的测量点,由测量点处电流密度和流体流速仿真数据计算出微电铸4小时的铸层生长高度仿真值,与相同工艺条件的微电铸实验铸层生长高度进行对比。结果表明,对应各测量点微电铸生长高度仿真值和实验值的变化趋势接近,绝对偏差小,最大绝对偏差为4.437μm,最小绝对偏差为0.264μm。这种数值仿真方法能够用于微电铸工艺和设计的辅助分析,缩短微电铸工艺的开发周期。     

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.     

微电铸器件铸层均匀性的研究

理论分析了负脉冲电流对铸层的修饰作用,采用正负间断脉冲电流和正间断负连续脉冲电流进行了相应的微电铸的实验研究。实验采用的微电铸器件是特征宽度为90 μm的微流控芯片的金属模具。微电铸实验主要包括三个步骤:制作SU-8胶胶模,微电铸和去除SU-8胶。为了对实验结果进行对比分析,两组实验的工作时间和电流强度均采用240 min和2.5 A/dm²。将正负脉冲电流微电铸与正脉冲电流微电铸的实验结果进行了对比分析。研究结果表明,正负间断脉冲电流能够获得较好的器件铸层均匀性。由于在负向脉冲的间断时间内,铸层表面附近的浓度极差得以改变,因此正负间断脉冲电流微电铸的铸层均匀性优于正间断负连续脉冲电流微电铸。实验结果与理论分析结果相一致。     

微电铸的析氢现象研究

讨论了微电铸工艺中的析氢现象.析氢是微电铸中的附加反应,如处理不当,将会使铸层产生缺陷,如针孔和麻点等,同时引发氢脆,从而降低铸层的机械性能.通过对微电铸原理及析氢机理的分析,提出稳定pH值、增加搅拌和过滤循环、添加润湿剂以及采用脉冲电流等四种有效措施.实验证明,以上措施解决了析氢现象对铸层质量的影响,并获得了满意的铸层.     

超声时效技术在微注塑模具制作中的应用

针对金属微注塑模具UV-LIGA制作过程中由于SU-8胶内应力过大而引起的胶膜破裂、变形甚至脱落等问题,提出将超声时效技术应用于微注塑模具的制作工艺.首先,利用紫外光刻工艺制备了电铸胶膜,在显影前使用自制的超声时效装置对胶膜进行超声处理.然后,采用无背板生长方法在38CrNiMnMo模具钢基底上直接进行镍金属的电铸生长,讨论并解决了工艺过程中遇到的SU-8胶浮胶变形、非圆形基片的匀胶、胶膜中的气泡以及微电铸层结合不牢等问题.最后,制作出微通道宽度和高度分别为80 μm和35 μm的微注塑模具.实验结果表明,超声时效技术的使用避免了由于SU-8胶内应力过大引起的破裂、变形甚至从基底脱落等缺陷,增强了UV-LIGA技术制作微注塑模具的能力,提高了制作微注塑模具的成功率.     

金属微结构阵列的电铸成型技术研究

详细讨论了微结构的电铸特点,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、电流密度对微细电铸质量的影响。得出：由于高深宽比胶膜存在,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0.9～1.0A/dm2。实现了高分辨率,侧壁陡直的金属微结构的电铸成型。     

基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法

以SU-8胶为微电铸母模制作镍模具时,胶模的热溶胀性使胶模变形,导致铸层线宽缩小,这是影响微电铸铸层尺寸精度的主要因素。针对密集蛇形沟道图形的镍模具微电铸工艺,以200.0μm厚SU-8胶为胶模,研究微电铸铸层尺寸精度的控制方法,提出基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法,即在图形四周增设一条封闭等间距的隔离带,用隔离带减少影响图形区域的SU-8胶模的体积,阻止电铸时该处胶模的热溶胀对图形区域的影响,进而减小铸层尺寸变化。结果表明,采用增设隔离带方法制作的镍模具,胶模线宽变化量最大值由61μm减小到31.4μm,铸层尺寸相对误差的最大值由31.3%减小到16.7%,这种方法显著提高微电铸铸层的尺寸精度。     

基于快速成型技术的射流电铸试验研究

介绍了自行研制的射流电铸快速成型设备的系统组成与原理 ,对射流电铸工艺特点进行了实验研究。结果表明 ,在其他工艺参数一定时 ,射流电铸的电流密度和电铸速度随电铸电压增大而增大 ,实验中可用电流密度高达380A/dm2 ,远高于传统电铸电流密度。喷嘴口径一定时 ,喷射距离近、电流密度低 ,射流电铸的定域性好。电流密度对铸层表面形态有较大的影响。用射流电铸快速成型设备制备了一组具有一定形状的金属铜零件。     

超临界CO2流体微细电铸扩散传质过程建模与数值分析

以微结构特征为分析对象,建立金属镍离子和多物质离子扩散传质的数学模型,利用MAT-LAB软件对所建模型进行数值模拟,分析电流密度、深宽比对微结构内部物质离子浓度的影响,同时对超临界CO2流体金属镍铸层的表面形貌和显微硬度进行研究和探讨。结果表明:在一定的深宽比和电流密度条件下,随着时间的推移,镍离子扩散传质过程逐渐趋于稳态;微结构流体的特征是自上而下,氢氧根离子浓度和氢氧化镍离子浓度逐渐递增,而氢离子浓度持续降低,镍离子浓度和硫酸根离子浓度变化不明显;深宽比大的微结构应在小电流密度条件下进行电铸,温度为323K、压力为10MPa、电流密度为5A/dm2时,超临界CO2流体电铸方法制备的镍铸层晶粒细小、组织致密,铸层的显微硬度达到701.2HV,与传统电铸相比有大幅度提高。     

微机电系统用电铸镍铁合金的制备及其电磁性能

研究了电铸镍铁合金制备过程中工艺条件对电铸层成分的影响,获得含铁质量分数20%电铸层的最佳工艺条件为镀液硫酸亚铁含量6 g/L、pH值2.5、温度55℃、电流密度3.5 A/dm2;讨论了镀层形貌及电磁性能的变化关系.结果表明:制备的镀层表面光亮、结构致密,晶面为(111)、(220)、(200).该铸镍铁合金矫顽力最小为2.95×10-2 A/m,表现出较强的顺磁性.剩磁力随着铸层铁含量的增大呈下降趋势,饱和磁化强度为IJ85合金的10%,具有优良的电磁性能.可以用于制造微型磁执行器与传感器元件.     

研究UV-LIGA微电铸电极过程的交流阻抗法

在给定的电铸液组分和工艺路线下,运用交流阻抗法研究了微电铸镍结构的电极过程动力学特性。建立了微电铸体系的等效电路,根据实验获得的交流阻抗图和电阻电抗频率响应,分析了搅拌、整平剂对微电铸体系交流阻抗的影响,计算了电极过程的交换电流密度。结果表明,加入十二烷基硫酸钠整平剂数量存在一个使交流阻抗最小的最佳值,大小为3 g/L,在有搅拌、加入最佳量的整平剂时,体系电极过程的交换电流密度为0.171 A/dm²。在微电铸过程中有搅拌、加入适量整平剂使电铸液交流阻抗下降,阴极电流效率提高,可以改善微电铸镍结构的表面性能、致密度和高度均匀性。     

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／dm^2。最后,利用优化的电流参数实现了不同微结构的电铸成型。     

超声-脉冲电铸工艺参数对镍铸层晶粒尺寸的影响

采用超声-脉冲电铸工艺在覆铜板表面的微区域内制备了镍铸层,用扫描电镜观察镍铸层的表面形貌,并采用Image Tool软件测量了镍铸层的平均晶粒尺寸,研究了超声波功率及方向、脉冲平均电流密度、脉冲占空比等对镍铸层晶粒尺寸的影响。结果表明:其他条件相同时,双向(y向和z向)超声波制备镍铸层的晶粒尺寸小于相同功率单向(y向或z向)超声制备的;随着超声波功率、脉冲平均电流密度的增大,镍铸层的晶粒尺寸先减小后增大;当脉冲占空比由10%增大到30%时,晶粒尺寸由0.97μm增大到3.32μm。     

Two-dimensional simulations of ion concentration distribution in microstructural electroforming

A theoretical model is constructed to predict the metal ion concentration distribution during the electroforming of high-aspect-ratio microstructures. Two-dimensional numerical simulations are then performed using COMSOL Multiphysics^TM software to investigate the effect of the processing conditions and the microstructure geometry on the electroforming results. The electroforming outcome is significantly dependent upon the current density and the microstructure aspect ratio, respectively. The simulation results for the electroforming of microstructural posts with an aspect ratio of 10:1 are found to be in good agreement with the analytical solutions.     

Abrasive-assisted Nickel Electroforming Process with Moving Cathode

In traditional electroforming process for revolving parts with complex profiles, the drawbacks on surface of deposits, such as pinholes and nodules, will lead to varying physical and mechanical properties on different parts of electroformed components. To solve the problem, compositely moving cathode is employed in abrasive-assisted electroforming of revolving parts with complicated profiles. The cathode translates and rotates simultaneously to achieve uniform friction effect on deposits without drawbacks. The influences of current density and translation speed on the microstructure and properties of the electroformed nickel layers are investigated. It is found that abrasive-assisted electroforming with compound cathode motion can effectively remove the pinholes and nodules, positively affect the crystal nucleation, and refine the grains of layer. The increase of current density will lead to coarse microstructure and lower micro hardness, from 325 HV down to 189 HV. While, faster translational linear speed produces better surface quality and higher micro hardness, from 236 HV up to 283 HV. The weld-ability of the electroformed layers are also studied through the metallurgical analysis of welded joints between nickel layer and 304 stainless steel. The electrodeposited nickel layer shows fine performance in welding. The novel compound motion of cathode promotes the mechanical properties and refines the microstructure of deposited layer.     

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2 A/dm2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。