磁场作用下微细电铸技术试验研究

摘要

微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)作为当今科技研究的热点之一,不仅蕴含着巨大的经济效益,而且体现出了在国家战略高科技中的重要地位,已逐渐成长为一个庞大的领域。作为MEMS微器件和微结构主要实现手段之一的微细电铸技术,以其工艺柔性好、复制精度高、可加工高深宽比3D微结构而受到了业界普遍欢迎。然而,受制于液相传质困难,微细电铸件往往会出现针孔、结瘤、氢脆等缺陷,造成微细电铸在应用和发展上受到一定影响,彻底解决微细电铸过程中的传质受限问题已成为国内外众多研究者关注的焦点之一。
　　在微细电铸过程中叠加外磁场以解决传质受限问题是一个创新性思路。本课题组曾运用数值仿真对磁场下微空间内电沉积时的流体状态进行了模拟分析,结果显示,叠加垂直磁场后,原本几近停滞的电解液产生了明显运动,较好实现了与本体溶液的物质交换。本文首次开展了磁场作用下的微细电铸试验研究,研究了磁场对微细电铸过程的作用效果,并对数值模拟结果进行了验证。
　　本文在国家自然科学基金项目[50805077]和中国博士后科学基金特别资助项目[200801373]的资助下,依托我校“精密制造技术与工程河南省高校重点开放实验室”的软硬件资源,对磁场作用下的微细电铸技术进行了试验研究。
　　概述了微细电铸技术及其研究现状,并对磁电化学沉积技术的研究进展进行了综述。着重对磁电沉积的作用机理进行了深入分析总结,认为磁流体力学效应(MHD)对增强液相传质起到了重要作用,梯度磁力效应在一定程度上改善了传质状况,而磁化力效应对金属电结晶取向过程有明显影响。
　　研制了磁场作用下的微细电铸试验装置,装置设计包括有磁场发生单元设计、电沉积单元设计及电解液循环单元设计。其中,磁场发生单元是装置设计的重点和难点,本文采用永磁磁源作为磁场发生单元的场源,利用镜像法设计优化了永磁体形状和尺寸参数,设计中重点对聚磁体的结构和尺寸进行了优化。最终研制完成的磁微细电铸装置,工作气隙在30mm距离时中心区磁感应强度达0.867T,并且装置可通过螺栓调节获得不同强度的磁场。
　　首次开展了磁场作用下的宏观电铸试验研究,磁场与电场垂直叠加,磁感应强度为0.82T。为全面评价磁场对宏观电铸质量的影响,采用了添加润湿剂和无润湿剂的两种电铸基液。采用无润湿剂电解的试验中,对比试验研究了磁场对电铸铸层的影响,结果表明,磁场效应减薄了扩散层,增强了液相传质,提高了极限电流密度,并有效排除了氢气泡,改善了铸层形貌质量,细化了晶粒,提高了铸层致密度和硬度。采用添加润湿剂电解液的试验中,电解液快速循环,在叠加磁场和无磁场作用下进行了电铸试验,结果显示,在磁场作用下制备的铸层晶粒明显更加细小、均匀,且在磁场作用下3 A/dm2的电流密度时可能发现了非晶态结构的铸层。
　　概述了微细电铸的工艺基础,在宏观电铸试验和微空间内流体模拟分析的基础上首次开展了磁场作用下的微细电铸试验研究。采用无润湿剂的电解液,电解液快速循环,在外加磁场叠加和无磁场作用下对比试验研究了筋宽为700μm、高度为1750μm、深宽比为2.5的微细电铸试验,结果表明,常规条件微细电铸在7A/dm2电流密度时就已出现了针孔缺陷,而叠加磁场后,微细电铸件形貌质量得到了明显改善,极限电流密度也被提高,在9 A/dm2电流密度以下制备的铸件,轮廓清晰,表面平整,均匀性也较好,无针孔、结瘤等明显缺陷,同时硬度也被提高。试验结果很好验证了数值模拟结果。最后,进行了典型高深宽比结构特征的磁微细电铸试验,结果显示,在较大的电流密度和较高的深宽比下仍然得到了形貌质量好的微细电铸件。

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1绪论

1.1微机电系统及金属微结构加工技术

1.2微细电铸技术及其发展

1.3磁场作用下电化学沉积技术及其研究进展

1.4本文研究的目的意义

1.5本文研究的主要内容

2磁场作用下电化学沉积基本理论分析

2.1电化学沉积基本理论

2.2磁场作用下电化学沉积机理分析

2.3本章小结

3磁场作用下微细电铸试验装置研制

3.1磁场作用下微细电铸试验装置总体规划

3.2磁场发生单元设计

3.3电沉积单元设计

3.4电解液循环单元设计

3.5本章小结

4磁场作用下常规电铸基础试验研究

4.1电铸实施前的工艺准备

4.2试验

4.3结果与讨论

4.4本章小结

5磁场作用下微细电铸技术试验研究

5.1微细电铸工艺特点

5.2微细电铸芯模的制作

5.3 磁场作用下微细电铸试验

5.4典型高深宽比结构磁微细电铸试验

5.5后续加工处理

5.6本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

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