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金屬微結(jié)構(gòu)模芯的分段式電鑄方法

文檔序號(hào):40553233發(fā)布日期:2025-01-03 11:12閱讀:10來源:國知局
金屬微結(jié)構(gòu)模芯的分段式電鑄方法

本技術(shù)涉及微制造,尤其涉及一種金屬微結(jié)構(gòu)模芯的分段式電鑄方法。


背景技術(shù):

1、在聚合物微米級(jí)制造中,微注射成型由于具有高通量、低制造成本和高復(fù)制精度的特點(diǎn),常被用于批量化生產(chǎn)功能性的聚合物微器件,如微流體器件,微光學(xué)和抗粘表面。在聚合物微器件的注射成型中,精密金屬微結(jié)構(gòu)模芯制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)聚合物微器件批量化制造方法的關(guān)鍵技術(shù)之一。來自德國的liga技術(shù)中,采用具有高制造精度(原子級(jí)沉積)和低成本的微電鑄方法制備金屬微結(jié)構(gòu)模芯是國際上模芯微制造主要流派之一。

2、背板電鑄是一種同時(shí)沉積微結(jié)構(gòu)和模芯基底的電鑄方法,具有以下特點(diǎn):成型時(shí)間長,微結(jié)構(gòu)與模芯基底的結(jié)合強(qiáng)度高,模芯壽命長,適合于金屬微結(jié)構(gòu)模芯制造。但該方法存在模芯微結(jié)構(gòu)復(fù)制精度較低,模芯整體易發(fā)生翹曲變形,電鑄過程模芯表面易出現(xiàn)邊緣瘤,生產(chǎn)效率低等問題。因此,如何在滿足聚合物微器件在微通道質(zhì)量、芯片平整度和厚度均勻性等方面的特殊要求的前提下,提高模芯的電鑄效率是實(shí)現(xiàn)聚合物微器件的批量化制造和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。目前該領(lǐng)域?qū)@夹g(shù)主要圍繞電鑄母模的加工方法,聚合物微器件的批量化生產(chǎn)方法,提高電鑄模芯的性能等方面進(jìn)行研究,尚未有在保證電鑄模芯性能的同時(shí)提高加工效率的專利技術(shù)。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)實(shí)施例提供了一種金屬微結(jié)構(gòu)模芯的分段式電鑄方法,旨在提高微結(jié)構(gòu)復(fù)制質(zhì)量,減小模芯翹曲變形量和厚度不均勻性的同時(shí)有效發(fā)揮分段式電鑄方法的優(yōu)越性,縮短加工周期,提高加工效率。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的,本技術(shù)提供一種金屬微結(jié)構(gòu)模芯的分段式電鑄方法,將金屬微結(jié)構(gòu)模芯分為微結(jié)構(gòu)層、過渡層和基底層,并分別確定各電鑄層厚度,所述分段式電鑄方法包括以下步驟:

3、s1.光刻并前處理電鑄母模;

4、s2.布置電鑄裝置并設(shè)置電源參數(shù):將電鑄母模安裝在含側(cè)邊封液槽的陰極夾具上,所述側(cè)邊封液槽用于抑制鑄層陰極的邊緣效應(yīng),所述陰極夾具安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上,在所述電鑄母模與陽極之間設(shè)置具有通孔的絕緣屏蔽擋板,電鑄槽內(nèi)對(duì)稱設(shè)置有兩個(gè)沖液口,兩個(gè)所述沖液口均對(duì)準(zhǔn)所述絕緣屏蔽擋板的通孔和所述電鑄母模,并使電鑄液沖擊所述電鑄母模,電鑄液以氨基磺酸鎳為主鹽;根據(jù)各電鑄層的厚度,在同一臺(tái)脈沖電源上對(duì)應(yīng)設(shè)置各電鑄層的電源參數(shù);

5、s3.在所述電鑄母模上采用電流密度為0.5-1a/dm2的直流電流或反向脈沖電流電鑄形成所述微結(jié)構(gòu)層:

6、針對(duì)深寬比小于或等于1的所述微結(jié)構(gòu)層,采用電流密度為0.5-1a/dm2的直流電流,同時(shí)旋轉(zhuǎn)電鑄母模進(jìn)行電鑄;

7、針對(duì)深寬比大于1的所述微結(jié)構(gòu)層,采用反向脈沖電流,同時(shí)旋轉(zhuǎn)電鑄母模進(jìn)行電鑄,所述反向脈沖電流的一個(gè)脈沖周期包括正向電流和負(fù)向電流;

8、s4.在所述微結(jié)構(gòu)層上采用正向脈沖電流電鑄形成所述過渡層:使電鑄所述微結(jié)構(gòu)層的電流無間斷地切換至正向脈沖電流,采用正向脈沖電流在所述微結(jié)構(gòu)層上電鑄形成所述過渡層;

9、s5.在所述過渡層上采用電流密度3-5a/dm2的直流電流電鑄形成所述基底層:使電鑄所述過渡層的正向脈沖電流無間斷地切換至電流密度為3-5a/dm2的直流電流,在所述過渡層上電鑄形成所述基底層;

10、s6.后處理電鑄后的金屬微結(jié)構(gòu)模芯。

11、可選地,確定各電鑄層厚度的方式具體如下:

12、所述微結(jié)構(gòu)層的厚度為金屬微結(jié)構(gòu)模芯中特征微結(jié)構(gòu)寬度的0.5倍;

13、所述過渡層的厚度為220μm:所述過渡層的厚度依據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定,通過溫度載荷產(chǎn)生的熱應(yīng)力來模擬過渡層膨脹或收縮引起的應(yīng)力,依據(jù)下述兩公式建立實(shí)驗(yàn)測到的拉應(yīng)力與溫度載荷的關(guān)系,分析所述過渡層厚度變化與翹曲變形量之間的關(guān)系;實(shí)驗(yàn)中在單鏡面拋光的硅基底上電鑄60-260μm的過渡層,利用超景深顯微鏡測試最大翹曲變形量,當(dāng)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果均表明當(dāng)所述過渡層的厚度為220μm時(shí),最大翹曲變形量不再發(fā)生變化;

14、;

15、;

16、式中表示溫度載荷變化,表示泊松比,表示彈性模量,表示實(shí)驗(yàn)測得的拉應(yīng)力,表示熱膨脹系數(shù),表示工藝溫度,表示等效參考溫度;

17、所述基底層的厚度為所述金屬微結(jié)構(gòu)模芯的總厚度減去所述微結(jié)構(gòu)層和所述過渡層的厚度。

18、可選地,步驟s3中,針對(duì)深寬比小于或等于1的所述微結(jié)構(gòu)層以及針對(duì)深寬比大于1的所述微結(jié)構(gòu)層,所述電鑄母模的轉(zhuǎn)速均為120r/min;

19、針對(duì)深寬比大于1的所述微結(jié)構(gòu)層,所述反向脈沖電流的頻率為0.1-10hz,正向電流密度為1a/dm2,正負(fù)脈沖比為1:6,負(fù)脈沖占空比為0.1-0.2。

20、可選地,步驟s4中,所述正向脈沖電流的頻率為800hz,平均電流密度為1a/dm2,占空比為0.5。

21、可選地,步驟s1中,光刻并前處理電鑄母模包括以下步驟:

22、s11.設(shè)計(jì)聚合物微器件掩模版,引入邊緣微槽結(jié)構(gòu),選擇負(fù)性su-8光刻膠作為光刻對(duì)象,分別通過勻膠、前烘、曝光、后烘、顯影和堅(jiān)膜工藝完成電鑄母模的制備;

23、s12.在所述電鑄母模上鍍一層金屬鈦或金屬鉻作為粘結(jié)層;

24、s13.在所述粘結(jié)層上鍍一層金屬鉑作為導(dǎo)電層。

25、可選地,步驟s12中,在真空度為5×10-2mpa和濺射電流為100-120ma的條件下鍍所述粘結(jié)層,濺射時(shí)間為100-200s;

26、步驟s13中,在真空度為5×10-2mpa和濺射電流為35ma的條件下鍍所述導(dǎo)電層,濺射時(shí)間為100-300s。

27、可選地,步驟s6中,后處理電鑄后的金屬微結(jié)構(gòu)模芯包括以下步驟:

28、s61.配制氫氧化鈉溶液,將金屬微結(jié)構(gòu)模芯放置到溶液中,采用超聲攪拌并加熱氫氧化鈉溶液的方式溶解硅;

29、s62.再將金屬微結(jié)構(gòu)模芯放置于丙酮溶液中,采用超聲攪拌的方式除去表面的su-8光刻膠;

30、s63.最后將金屬微結(jié)構(gòu)模芯放置于乙醇溶液,超聲除去所述微結(jié)構(gòu)層中殘余的su-8光刻膠。

31、可選地,步驟s61中,配制30wt%的氫氧化鈉溶液,加熱溫度為80℃,超聲功率為100w,攪拌時(shí)長20min;

32、步驟s62中,超聲處理的溫度為室溫;

33、步驟s63中,常溫下超聲處理30min。

34、本技術(shù)提供的金屬微結(jié)構(gòu)模芯的分段式電鑄方法至少具有以下有益效果:

35、1、提高了金屬微結(jié)構(gòu)模芯的加工效率:通常的一段式電鑄方法都會(huì)選擇較小的電流密度,電沉積速率較低,導(dǎo)致模芯的電鑄周期過長,本技術(shù)的分段式電鑄方法低速電沉積微結(jié)構(gòu)層和過渡層,高速沉積基底層,明確各層厚度并使分段處無間隔的電流切換,在保證金屬微結(jié)構(gòu)模芯性能的基礎(chǔ)上可顯著提升電鑄效率;

36、2、保證了金屬微結(jié)構(gòu)模芯中微結(jié)構(gòu)層的完整沉積,過渡層的高平整性和基底層的高厚度均勻性,實(shí)現(xiàn)精密金屬微結(jié)構(gòu)模芯的電鑄成型;利用反向脈沖電流邊沉積邊溶解的原理,有效提升微結(jié)構(gòu)內(nèi)鎳的填充率;利用正向脈沖和邊緣微槽輔助的方式,分別提高鎳模芯的位錯(cuò)密度,降低內(nèi)應(yīng)力以及增大金屬微結(jié)構(gòu)模芯與基底的機(jī)械縮合力,最大程度地減小電鑄過程由于應(yīng)力較大引起的翹曲變形;利用絕緣屏蔽擋板和側(cè)邊封液槽有效避免金屬微結(jié)構(gòu)模芯邊緣電場線聚集;

37、3、確保金屬微結(jié)構(gòu)模芯電鑄分段處無明顯分界面,提高分段式金屬微結(jié)構(gòu)模芯的使用壽命:金屬微結(jié)構(gòu)模芯電鑄過程中各層間無間斷的電流切換可使ni晶粒連續(xù)生長,避免長時(shí)間分段處間隔引起的ni再生長的晶格失配和界面處的氧化導(dǎo)致層間結(jié)合力差。

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