江 一,汪 煒,劉正塤,何鐵軍,彭 昀

(南京航空航天大學機電學院,江蘇 南京 210016)

隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,大量形狀各異的微小尺寸結(jié)構(gòu)和高精度零件的加工需求不斷增加。微細群孔作為一種典型的微細結(jié)構(gòu),在航空航天、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域具有廣泛的應用。由于鈦合金具有密度小、比強大、良好的耐蝕性及生物相容性等特點[1],因此,近年來鈦及鈦合金的微細群孔加工成為國內(nèi)外研究的熱點。

目前鈦及鈦合金的微細群孔加工方法主要包括沖壓、銑削、鉆孔、激光打孔、電火花加工及光化學、光刻電解等加工方法[2]。由于光刻技術(shù)能快速實現(xiàn)微細圖形轉(zhuǎn)移,電解加工又能高效地進行多孔同時加工,而光刻電解加工結(jié)合了光刻技術(shù)和電解加工兩者的優(yōu)點,因此相對于其他加工方法,光刻電解加工具有更多優(yōu)勢,如無殘余應力、無加工毛刺、成本低廉等。然而,電解反應過程中會產(chǎn)生熱量和氣泡,導致腐蝕不均勻,且由于電解產(chǎn)物難以排出,加大電解側(cè)蝕量,影響加工精度及表面粗糙度。為解決這個問題,常采用流動電解液、間歇式加工以及低溫和氧化層掩膜技術(shù)等,缺點是操作復雜,加工效率低,加工質(zhì)量也難以控制[3]。由于激波特有的擾動作用,可促進新鮮電解液的輸送和電解產(chǎn)物的排出,對提高電解加工效率和精度十分有利。本文通過激波輔助光刻電解的方法進行微細群孔的加工試驗研究,實驗結(jié)果表明加工效率、穩(wěn)定性以及表面質(zhì)量都有明顯提高。

1 試驗方法

光刻電解加工是實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移的處理技術(shù),首先根據(jù)待加工圖形加工出掩膜母板,然后通過曝光、顯影等工序?qū)⒀谀つ赴迳系膸缀螆D形轉(zhuǎn)移到試件表面光刻膠上,在試件上形成具有一定圖案的裸露表面,然后再進行電解加工[4～6]。光刻電解工藝流程如圖1所示。

圖1 激波輔助光刻電解工藝流程

清洗:為使光刻膠與試件(厚100μm的純鈦薄板)粘結(jié)牢固,分別用酸和堿對試件進行超聲清洗,清洗后在烘箱中150℃烘30min,以去除試件表面水分,然后冷卻備用。

勻膠:光刻膠的厚度對試驗的結(jié)果影響較大。本試驗使用負性光刻膠(DET466,荷蘭HTP公司生產(chǎn)),勻膠速度為3000 r/min,得到膠層厚度約為10μm。

曝光:曝光工藝對掩膜圖形和電解精度有很大影響。若曝光時間過短,則光刻膠掩膜圖形易變形,若曝光時間過長,則會導致電解時側(cè)蝕嚴重。本試驗根據(jù)光刻膠特性和膠厚,使用JKG—2A型光刻機,曝光時間為40 s。

顯影:曝光后光刻膠中形成了潛影,通過顯影才形成可靠的圖形影像。顯影工藝主要是液體顯影,用溶劑除去光刻膠中未曝光部分,裸露出待腐蝕的圖形區(qū)域。本試驗使用專用顯影液,顯影時間為30 s。

電解:將工件安裝在自制夾具上,選擇適當電極間距及電參數(shù),采用激波輔助電解加工。完畢后去膠,即可得到所需零件結(jié)構(gòu)。

為了實現(xiàn)純鈦微細群孔加工,選擇合適的電解液非常重要。針對純鈦微細結(jié)構(gòu)加工特性,本試驗選用文獻[7]中試驗效果較好的3 mol/L的H2SO4/Methanol溶液作為電解液[7],開展電解試驗研究。為盡量提高加工效率,也為減小雜散腐蝕的影響,必須選擇合適的極間距離,試驗采用的極間距離為20mm。由于激波能有效促進電解液的輸送和電解產(chǎn)物的排出,試驗選用激波輔助方法進行純鈦微細群孔光刻電解試驗研究(圖2)。

圖2 激波輔助電解系統(tǒng)

實驗中采用自研的激波輔助電解系統(tǒng),原理如圖2a所示。通過對壓電換能器施加電脈沖激勵,壓電換能器會產(chǎn)生脈沖超聲波(頻率為1 MHz),由在液體介質(zhì)傳輸過程中的非線性效應,產(chǎn)生激波[8～10]。圖2a中左上方是兆赫超聲在液體中傳播時在焦點處產(chǎn)生的激波波形,該壓力信號波形持續(xù)時間極短,上升沿極陡,正向壓力 p+=40～100MPa,負向壓力 p-=4～10MPa,對極間產(chǎn)生瞬時定向壓力擾動,促進電解產(chǎn)物的排出和電解液的循環(huán)。為了解不同電解產(chǎn)物排出方式對加工效率的影響,本文采用磁力攪拌(轉(zhuǎn)速為1000 r/min),普通超聲(頻率為40 kHz)進行了對比實驗。

2 結(jié)果與分析

光刻電解加工中,有光刻膠遮蔽的部分受到保護不發(fā)生反應,而未受光刻膠保護的部分即加工區(qū)域受到腐蝕成形[11～12](圖3)。

圖3 光刻電解過程示意圖

在電解過程中,基體會產(chǎn)生側(cè)蝕現(xiàn)象,使加工孔形成一定的錐度,這影響了加工精度和尺寸一致性。因此控制側(cè)蝕量 l以及加工錐度成為電解加工的重要指標。由于通過激波輔助加工,電解產(chǎn)物能及時排除,新鮮電解液也能迅速得到補充,由圖4a看出,在100μm厚的純鈦試件上加工的 300μm 微細群孔加工錐度很小,表面質(zhì)量很好。對加工群孔直徑進行測量,結(jié)果如圖4b所示,孔的平均直徑為371μm,尺寸一致性很好。

圖4 純鈦試件上加工微細群孔

2.1 加工過程中鈍化現(xiàn)象的改善

電解液是影響電解加工效果的重要因素,對電解加工精度、表面品質(zhì)以及加工效率均有影響。由于鈦是自鈍化性很強的金屬,若采用一般的水基電解液,在加工過程中會產(chǎn)生鈍化,導致加工難以進行。本試驗選用3mol/L的H2SO4/Methanol有機溶液作為電解液,開展激波輔助純鈦微細群孔光刻電解試驗研究。實驗結(jié)果表明,以H2SO4/Methanol有機溶液作為電解液,蝕除速率和表面粗糙度令人滿意。

對于H2SO4/Methanol溶液,電化學反應過程如下:

事實上,使用H2SO4/Methanol溶液作為電解液腐蝕純鈦,反應產(chǎn)物及其形成機理十分復雜。研究表明,在特定濃度的H2SO4溶液中,Ti4+的產(chǎn)物自陽極界面向電解液中的擴散速率是有限的,確切地說,當達到該極限擴散速率時,Ti4+的產(chǎn)物將發(fā)生沉淀,因此對純鈦的進一步腐蝕將造成嚴重影響。此外,當含水量超過一定比例時,還會發(fā)生鈍化反應,表面形成 TiO2膜。

2.2 加工效率

為了解不同電解產(chǎn)物排出方式對加工效率的影響,分別對3種條件(磁力攪拌、超聲輔助加工、激波輔助加工)下的電解加工平均電流進行了記錄,其電流-時間曲線見圖5。由圖可知,采用磁力攪拌方式時,電流隨加工進行明顯變小,這是因為普通攪拌方式很難將反應產(chǎn)物及時排出,新鮮電解液不能及時補充,造成加工電流變小。

圖5 3種條件下電流—時間曲線

采用超聲和激波輔助加工時,電解液擾動劇烈,加工電流穩(wěn)定,加工效率明顯提高,不同條件下加工效率見表1。

表1 不同條件下材料蝕除速率對比

2.3 表面質(zhì)量

由表1可知,對于超聲輔助加工,隨著超聲功率增大,加工效率提高,改善了加工質(zhì)量。但是超聲功率越大,加工過程中光刻膠損傷也越嚴重。試驗所用的超聲頻率較低,只有40 kHz,從聲學角度來看,空化閾值低,易發(fā)生空化。伴隨著空化效應的影響,局部高溫和微射流會對光刻膠造成一定的破壞,產(chǎn)生鉆蝕現(xiàn)象,導致加工表面出現(xiàn)缺陷。尤其是使用100 W檔的超聲輔助加工時,鈦表面極易出現(xiàn)缺陷(圖6a)。相比于普通超聲,激波由于具有良好指向性和能量可控性,能有效抑制空化效應,減少對光刻膠的破壞,提高了鈦表面質(zhì)量,如圖6b所示,鈦表面未出現(xiàn)由于光刻膠受破壞導致的缺陷。

圖6 超聲(100 W)與激波條件下電解加工表面質(zhì)量

3 結(jié)論

本文介紹了激波輔助純鈦微細群孔光刻電解試驗研究,采用有機電解液H2SO4/Methanol,避免了純鈦電解過程中表面鈍化現(xiàn)象的產(chǎn)生,結(jié)合激波產(chǎn)生的定向壓力擾動,促進了電解液的循環(huán)和電解產(chǎn)物的排出,有效提高了加工精度和效率,加工表面光滑,加工群孔尺寸一致性好。此外,由于激波具有良好指向性和能量可控性,能有效抑制空化效應,減少對光刻膠的破壞,提高了鈦表面質(zhì)量。

鈦在有機電解液中的反應產(chǎn)物及其形成機理很復雜。在后續(xù)的工作中,可進一步研究鈦在有機電解液中的反應機理,以實現(xiàn)工程化應用。

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