郝光亮,曲寧松,李寒松,曾永彬

(南京航空航天大學(xué)江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點試驗室,江蘇南京 210016)

金是一種昂貴的金屬,由于其具有耐蝕性、耐熱性、可焊性及導(dǎo)電性等優(yōu)良性能,因此,金零件或者鍍金產(chǎn)品被應(yīng)用于航空精密儀器儀表、電子電路(包括印刷電路板、集成電路、引線框)等要求電學(xué)性能參數(shù)長期穩(wěn)定的場合[1-2]。但是,由于金的硬度低,在一些領(lǐng)域厚度要求為幾十到幾百微米的微細金結(jié)構(gòu)用常規(guī)機械加工方法加工效率低,且廢品率高?；赟U-8光刻膠的UV-LIGA技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一種低成本的微結(jié)構(gòu)制造技術(shù),主要包括光刻、微細電鑄和塑鑄等3個工藝環(huán)節(jié)。它在制造高深寬比微細金屬結(jié)構(gòu)與器件方面具有很強的工藝能力,基于該技術(shù)已制造出微型線圈、微型探針、微型流道、微型開關(guān)、微型反應(yīng)器等金屬微細器件[3-4]。但目前存在一個工藝難點,由于電鑄時膠膜溝槽處電場分布不均,隨著電鑄的進行沉積層最終形成中間薄邊緣厚的凹形,微細結(jié)構(gòu)的厚度越大,這種現(xiàn)象越嚴(yán)重,針對此種情況,國外有學(xué)者提出了ECMD(electrochemical mechanical deposition)電鑄法,即電鑄時在沉積層上附加機械的摩擦、拋光或者人為控制沉積層與溶液接觸區(qū)域,有選擇性的電鑄來改善沉積層厚度不均勻[5-6]。

本文通過電場仿真發(fā)現(xiàn),當(dāng)光刻膠厚度大于微細結(jié)構(gòu)厚度時,可明顯改善沉積層中間薄、邊緣厚的現(xiàn)象。因此,在UV-LIGA工藝試驗中制備厚度大于微細結(jié)構(gòu)厚度的光刻膠膜來電鑄微細金結(jié)構(gòu),并探討了微細金結(jié)構(gòu)表面平整度的影響因素。

1 實驗原理

微細金結(jié)構(gòu)制造的基本工藝流程如圖1所示,由基片處理、甩膠、前烘、曝光、后烘、顯影 、電鑄 、去膠等工藝環(huán)節(jié)組成。試驗所使用的光刻膠為SU-8 2050(美國某公司生產(chǎn))。研磨拋光后的銅基片(直徑30 mm,厚度4 mm)要經(jīng)過除油除污、漂洗與干燥等方法處理。

圖1 UV-LIGA技術(shù)制造微細金結(jié)構(gòu)工藝流程

2 電場分析

微細電鑄滿足法拉第定律,金的沉積速度與陰陽極間分布的電流密度成正比。本文以單一溝槽為研究對象,對陰極和陽極之間的封閉電場區(qū)域建立數(shù)學(xué)模型,利用ANSYS分析電場分布情況。圖2中,w為溝槽寬度,h為槽深,G為陽極與光刻膠表面的距離。

圖2 電鑄加工微坑電場數(shù)學(xué)模型

電沉積過程中,如取足夠小的時間間隔 Δt,可近似地認(rèn)為此沉積時間內(nèi)陰極沉積面處于平衡狀態(tài),電場為靜態(tài)。不考慮電化學(xué)極化和濃差極化,假設(shè)加工間隙內(nèi)電解液電導(dǎo)率為常數(shù),忽略邊界效應(yīng),將極間電場近似地看作穩(wěn)恒電場,同時假設(shè)電解液各向同性。在極間間隙內(nèi),電場服從Laplace方程:

電沉積時,陰極接電源的負(fù)極、陽極接電源正極,因此在陰、陽表面形成兩個不同電位的等勢面,也就是在兩個邊界上各加上第一類邊界條件:

此外,電鑄中除去陰、陽極邊界外,由光刻膠形成的絕緣邊界和其他邊界應(yīng)該封閉,或近似封閉,這些邊界滿足第二類邊界條件:

結(jié)合式(1)～式(4),得到描述電鑄溝槽中電場分布的數(shù)學(xué)模型,求解出區(qū)域 Ω內(nèi)任何一點P(x,y)處的電勢 Φp。

根據(jù)歐姆定律,電流密度J為電導(dǎo)率γ與電場強度E(電勢的負(fù)梯度)的乘積,即

在ANSYS中對以上模型進行數(shù)值求解,可得到電場分布。

仿真時,設(shè)定陰陽極間電壓為10 V,電鑄溝槽寬度0.5 mm,沉積層厚度0.2 mm。當(dāng)光刻膠厚度分別為0.2、0.3、0.4、0.5 mm 時,電鑄層沿溝槽厚度分布仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?隨著膠厚度的增加,沉積層中間薄、邊緣厚的現(xiàn)象明顯改善。

圖3 光刻膠厚度對電鑄層厚度分布仿真圖

3 實驗

3.1 微細電鑄金試驗系統(tǒng)

用微細電鑄法加工微細金結(jié)構(gòu)的試驗系統(tǒng)如圖4所示,該系統(tǒng)由電鑄液、電鑄液循環(huán)過濾系統(tǒng)、加熱、攪拌系統(tǒng)和電源組成。

圖4 裝置示意圖

3.2 金的沉積機理

由于陽極金板不溶解,因此金主要是從溶液中通過氧化還原反應(yīng)析出,沉積到陰極表面。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 陰陽極距離對微細金零件表面平整度的影響

本試驗中,在膠厚度為0.2 mm,溝槽寬度0.5 mm,加工電流密度為0.3 A/dm2,電鑄厚度約為0.15 mm時,分析陰陽極距離與微細電鑄表面平整度的關(guān)系。分別取陰陽極距離為 10、20、30、40、50 mm,由圖5可知隨著陰陽極距離的增大,微細金結(jié)構(gòu)表面平整度變得更好。但陰陽極距離不能無限增大,若過大增大了金離子的遷移距離,從而降低了沉積速度,取陰陽極距離為20 mm較好。

圖5 陰陽極距離對電鑄表面平整度的影響

4.2 電流密度對微細金結(jié)構(gòu)表面平整度的影響

在陰陽極距離為20mm時,取光刻膠厚度為0.2 mm,電鑄厚度約0.15 mm,所加工出的微細金結(jié)構(gòu)的表面平整度與電流密度之間的關(guān)系如圖6所示,可知電流密度越小,電鑄的表面平整度越好。

圖6 電流密度對電鑄表面平整度的影響

電鑄金的電流密度一般為0.1～0.8 A/dm2,但過小的電流密度加工速度慢,且膠膜長時間浸泡在電鑄液中易引起膠的熱溶脹,導(dǎo)致加工精度降低。當(dāng)電流密度過大時,電鑄表面平整度又變得較差,色澤變成黑褐色,且由于析出的大量氫氣泡在微溝槽中不能及時排除,導(dǎo)致電鑄層出現(xiàn)大量的孔洞,嚴(yán)重影響零件質(zhì)量,使微細金結(jié)構(gòu)變的非常脆(圖7)。

圖7 析氫導(dǎo)致的電鑄層孔洞

因此,合理選擇電流密度,是保證得到表面平整度較好且電鑄層質(zhì)量較高的微細金結(jié)構(gòu)的重要因素。圖8為用可視化工具測量顯微鏡觀測的各種電流密度下的表面形貌圖,經(jīng)過大量試驗發(fā)現(xiàn)在兼顧沉積速度和表面平整度的前提下,取電流密度為0.3 A/dm2較好。

4.3 膠的厚度對微細金結(jié)構(gòu)表面平整度的影響

圖8 不同電流密度下表面形貌

通過電場仿真發(fā)現(xiàn)膠膜的厚度是影響電鑄表面平整度的重要因素。當(dāng)光刻膠厚度大于微細金結(jié)構(gòu)厚度時可以明顯改善表面電場分布。但是,當(dāng)膠膜太厚時,加工區(qū)域中的電鑄液流動太慢、氫氣不能及時逸出,影響電鑄的表面質(zhì)量。本試驗中,根據(jù)前兩組實驗取陰陽極距離為20 mm,電流密度為0.3 A/dm2,電鑄厚度約為0.2 mm,分別取膠膜厚度為 0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 mm 進行比較。由圖9可發(fā)現(xiàn),當(dāng)膠膜厚度為0.3 mm時電鑄金結(jié)構(gòu)的平整度最好。

圖9 膠厚對表面平整度的影響

試驗結(jié)果和仿真分析存在偏差,湯俊等人的研究也發(fā)現(xiàn)此問題,偏差是因為仿真分析只是針對溶液區(qū)域電場的分布,沒有涉及電沉積過程中電極反應(yīng)區(qū)域的電場強度分布、極化阻抗、傳質(zhì)阻抗等電化學(xué)因素和微流體的影響,也就是說,為了獲得電場的實際分布,必須考慮電化學(xué)因素和微流體因素等引起的二次電場分布[7]。微結(jié)構(gòu)電沉積過程中電場的實際分布模擬,有待進一步深入研究。

4.4 加工參數(shù)的優(yōu)化

加工參數(shù)的選取對加工結(jié)果有重要影響。對于厚度為0.2mm的微細金結(jié)構(gòu),本試驗使用的優(yōu)化參數(shù)組合為膠厚0.3mm,陰陽極距離為20mm,電流密度 0.3 A/dm2加工的微細金結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 微細金零件圖

5 結(jié)論

本文用ANSYS有限元軟件對微細金結(jié)構(gòu)電沉積表面平整度進行了模擬仿真,比較了陰陽極距離、電流密度、光刻膠厚度對表面平整度的影響,并進行了相關(guān)試驗研究。研究表明:在其他工藝條件不變的情況下,光刻膠厚度是微細電鑄金結(jié)構(gòu)的表面平整度的主要影響因素,理論上,光刻膠厚度越厚,電鑄表面的平整度越好,但是在試驗中發(fā)現(xiàn)光刻膠不能無限增厚,一方面是SU-8膠有一定的厚度限制;另一方面深寬比的增加使得膠膜型腔中溶液的傳質(zhì)變得困難,導(dǎo)致電鑄層質(zhì)量變差,因此要根據(jù)實際情況合理選擇膠厚。

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