一种提高金属微电铸均匀性的兆声电铸设备及方法

摘要

本发明提供了一种提高金属微电铸均匀性的兆声电铸设备及方法，将双向交替兆声波耦合进电铸过程中，该设备包括兆声铸槽，所述兆声铸槽包括压电陶瓷组、电铸槽、防水槽和水浴槽。电铸槽在防水槽内部贴壁固定，防水槽在水浴槽内通过与防水槽一体的上盖板固定于水浴槽上。其中压电陶瓷组粘贴于电铸槽的两侧壁外，电铸槽为石英材质，且壁厚为所用兆声频率在石英中的半波长。压电陶瓷组通入兆声波信号，实现双向兆声振动的时间控制。兆声提高微电铸均匀性的方法是在基板上制作光刻胶微结构，实现胶膜图形化，并在电铸过程中施加双向交替的兆声波辐照。本发明的兆声电铸设备及方法操作简单易行，且能够有效的提高金属微电铸过程中铸层的均匀性。

说明书

技术领域

本发明属于微制造技术领域，涉及一种兆声电铸设备及电铸方法，特别是涉及一种提高金属微电铸均匀性的兆声电铸设备及方法。

背景技术

电铸技术作为金属微制造的主流工艺，因其具有复制精度高、重复精度好等特点，常被用于制造一些用传统机械加工方法制作困难或加工成本很高、具有复杂形状的零件。随着微纳米技术的发展，微金属器件的需求不断增加。在金属微器件的电铸过程中，电流的边缘效应会造成电场线容易在边角处集中，电铸后的金属微器件往往存在铸层边缘区域和中间区域厚度不一致的铸层不均匀问题。这种缺陷不仅会影响器件的尺寸精度和表面质量、降低电铸效率、延长制作周期，还增加了微器件制作的后处理难度和成本。《电镀与涂饰》2014年33卷17期第732-736页通过添加辅助阴极改善电流分布，进而提高铸层的均匀性。但加入辅助阴极后，阴极表面的电流密度会降低，影响微电铸的效率。《强激光与离子束》2016年28卷6期第63-67页提出利用超声改善微电铸模具的均匀性，与无超声对比，模具均匀性提高约30％。然而，超声强空化作用的存在会对微结构产生一定程度的损伤，影响微电铸模具的使用性能。

兆声具有的高声强、低空化、高扰动的特点可使声波介入微纳米结构之间的同时，避免兆声作用对工件表面或微结构的二次损伤。在电铸过程中施加兆声扰动，能够显著的提高电铸能力，改善电铸工艺。博士学位论文《若干微电子机械系统研制及相关LIGA工艺研究》中第4.1.3以及4.1.4节，引进兆声促进电铸液传质，提高极限大深宽比结构的电铸成品率，并获得了具有极限大深宽比的悬臂梁微结构。文中通过将SONOSYS公司生产的投入式MGM054110型号兆声清洗仪投入至KisslerGmBH公司生产的微电铸设备Electro-FormingUn中产生高频扰动来促进电铸液传质，兆声在铸槽中的传播效率、传播方向、能量分布、声流作用等兆声作用方式则完全是无序的、随机且不可控的过程。兆声在铸槽中除无序扰动以外的其他优势性能并未能得到发挥，并且，此文中也仅对不同的兆声施加功率进行了评价，除兆声施加功率对电铸器件成品率的影响以外，未见有兆声能够改善微电铸铸层均匀性的实验结果。

目前，兆声已经在精密清洗等领域得到了一定程度的应用，并获得了极佳的清洗效果。在电铸领域的研究与应用却少有报道。并且，尚未有文献提出将兆声波技术应用于微电铸铸层均匀性方面的研究，专门化的兆声电铸设备更是未有出现。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高金属微电铸均匀性的兆声电铸设备及方法，将兆声波能量按一定的方式引进微电铸过程之中，提高微电铸过程中的电铸均匀性，用以解决金属微结构电铸加工中存在的铸层厚度不均匀的问题，改善电铸加工的尺寸精度，提高电铸能力。

本发明的技术方案为：

一种提高金属微电铸均匀性的兆声电铸设备，包括设备外壳、搅拌机构、阴极背板、阳极板、循环液系统、电源接口、总开关、控制及显示器、电源控制箱，其中，电源接口、总开关、控制及显示器、电源控制箱依次电连接并固定于设备外壳的内部；还包括兆声铸槽，所述兆声铸槽包括压电陶瓷组、电铸槽、防水槽和水浴槽；电铸槽在防水槽内部贴壁固定，防水槽在水浴槽内通过与防水槽一体的上盖板固定于水浴槽上；所述防水槽用以满足压电陶瓷组带电工作过程中对防水性能的要求。所述压电陶瓷组粘贴于电铸槽相对的两侧面外壁，由平行于电铸阴极背板的两个方向向铸槽内辐射兆声波；电铸槽为石英材质，石英槽壁厚为所用兆声波频率在石英中的半波长，可以实现声波能量的高效率辐射。

进一步地，上述压电陶瓷组的兆声源频率在1MHz以上。

进一步地，上述压电陶瓷组中各压电陶瓷片为条形片状压电陶瓷，压电陶瓷片无间隙紧密排列，且各个压电陶瓷片厚度一致，以满足铸槽内辐射能量均匀性的要求。

进一步地，上述压电陶瓷组通过兆声发生器电学并联，各个压电陶瓷片独立工作。

进一步地，上述循环液系统包括管接头，循液管，过滤器，循液泵，其特征在于管接头由石英槽底的下水口引出，连接循液管A，穿过防水槽及水浴槽，通过过滤器进入循液泵，并再次经由循液管B循环至石英槽内，以实现电铸液的循环过滤。

进一步地，上述阴极板固定于搅拌机构并悬置入兆声铸槽中；搅拌机构通过固定板及支撑柱固定安装于兆声铸槽上部，实现阴极搅拌功能。可选的，阳极板固定于搅拌机构，实现铸槽内铸液的搅拌功能。

进一步地，上述电源控制箱与控制及显示器包括兆声波发生器、直流电源、温控表、接触器、时间继电器、电铸电源，其中，直流电源、兆声波发生器与兆声铸槽两侧壁上的压电陶瓷依次电连接，为两侧压电陶瓷通入兆声波信号，实现声源振动的时间控制，使兆声能量按特定的形式在铸槽内辐照；直流电源与搅拌机构电极电连接，用以实现搅拌机构的往复动作；直流电源与循液泵电连接，控制循液泵通断工作；电铸电源与阴极背板、阳极板电连接，实现并控制电化学反应过程的进行；温控表与热电偶、电加热管电连接，实现水浴槽的恒温水浴。上述兆声电铸设备提高金属微电铸均匀性的方法，包括步骤如下：

(一)在基板上制作光刻胶微结构，基板研磨、抛光、匀胶，光刻胶曝光、显影等标准工艺，实现胶膜图形化，露出导电基底；

(二)在电铸过程中施加双向交替的兆声波辐照：基板固定于兆声电铸设备的阴极背板，通过时间继电器控制兆声波发生器激励铸槽两侧压电陶瓷振动，压电陶瓷辐射兆声波透过石英槽壁，声波平行于基板在铸槽内交替辐射声波。

具体为：工作时，电源接通，总开关打开，温控开关打开，设定水浴加热温度，待水温加热到所需工作温度后，将电铸液倒入兆声铸槽内，搅拌机构将安装有待沉积基板的阴极背板固定并置入铸槽内，阳极板置入铸槽内，启动直流电源为兆声波发生器供电，兆声波发生器产生高频交流电信号，通过调整时间继电器设定受激励压电陶瓷片动作顺序及时间，使两侧压电陶瓷按一定时序交替在铸槽内产生兆声波振动；同时，打开循液泵开关及搅拌开关，促进电铸液的循环及搅拌。最后，打开电铸电源箱开关，为阴阳极板供电，实现兆声辅助电铸过程，用以提高铸层的均匀性。

1.本发明开发了一种能够提高金属微电铸均匀性的兆声电铸设备，并提出了通过将双向交替动作兆声耦合到金属微电铸加工过程中改善铸层均匀性的方法。兆声波的声流作用能够促使新鲜铸层向远离声源方向堆积，双向兆声作用下，交替的兆声声流推积作用，能够将刚刚沉积的非均匀铸层推积并摊平，兆声的弱空化作用亦能够改善电流分布，两种机制共同作用，能够有效的提高金属微电铸过程中铸层的均匀性，提高微电铸加工尺寸精度，改善电铸工艺，提高电铸效率。

2.本发明兆声作用：声源工作频率为1MHz以上，具有能量密度大，穿透能力强，空化作用小的特点，在产生高频扰动的同时对各类微结构及微器件无损伤。

3.特定厚度的石英材质电铸槽具有极佳的声学特性，本发明兆声设备的电声转化效率好，能量利用率高，同时声源亦属于高频超声，无噪音干扰。

附图说明

图1是本发明电铸设备整体3D视图；

图2是本发明电铸设备结构3D剖面图；

图3是本发明中兆声铸槽的3D剖面图；

图4是本发明中兆声槽的3D剖面图；

图5是本发明中石英槽的3D视图；

图6是本发明中搅拌机构的3D视图；

图7是本发明兆声电铸设备工作原理示意图。

图中：1设备外壳；1a支撑架A；1b外壳底板；1c支撑架C；2电源接口；3总开关；4控制及显示器；41电源控制箱；411直流电源；412兆声波发生器；413时间继电器；414电铸电源；415交流电源；416温控表；417接触器；5兆声铸槽；50兆声槽；500防水槽；501上盖板；51水浴槽；52石英槽；520a石英槽侧壁A；520b石英槽侧壁B；521引线组；522压电陶瓷组；523下水口；6搅拌机构；60直流电机；61固定板；62支撑柱；63曲柄；64摇杆；65导轨；66滑块；67阴极背板；7车轮；81过滤器；810滤芯；811外壳；82循液泵；83循液管；83a循液管A；83b循液管B；84管接头；91电加热管；92热电偶；10阴极板；11阳极板。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。

一种提高金属微电铸均匀性的兆声电铸设备结构如图1、2所示。其包括：设备外壳1，电源接口2，总开关3，控制及显示器4，电源控制箱41，兆声铸槽5，搅拌机构6，车轮7，以及过滤器81，循液泵82，循液管83等组成。兆声铸槽5由兆声槽50，水浴槽51组成，水浴槽固定于支撑架A1a上，兆声槽与水浴槽之间设有电热管91及热电偶92，固定于水浴槽51槽底。循液泵82置于外壳底板1b上。循液管A83a穿过兆声槽50及水浴槽51接出，连接过滤器81，循液管B83b一端连接循液泵82，另一端穿过水浴槽51，接入兆声槽50内。电源控制箱41固定于外壳内支撑架C1c上。电源接口2，总开关3，控制及显示器4，电源控制箱依次电连接，控制兆声铸槽5，搅拌机构6以及循液泵82的开关及调节动作。

如图3为兆声铸槽5的局部剖视图，兆声铸槽5由防水槽500，石英槽52，水浴槽51组成，防水槽500通过与其一体构置的上盖板501固定于水浴槽51上，搅拌机构6固定于防水槽上盖板501上，阴极板10固定于搅拌机构67上，并悬置于石英槽52内，阳极板11放置于石英槽52内。过滤器81由滤芯810及外壳811组成。管接头84固定于石英槽52的底部。

如图4为兆声槽50的局部剖视图，石英槽52粘贴于防水槽500内，压电陶瓷522粘贴于石英槽上。图5所示为石英槽52的结构形式，石英槽侧壁A520a及石英槽侧壁B520b上粘贴有压电陶瓷组522，压电陶瓷组522上焊有引线组521，石英槽底部开有下水口523。

如图6为搅拌机构6的三维视图，包括直流电机60，固定板61，支撑柱62，曲柄63，摇杆64，导轨65，滑块66，阴极背板67。直流电机60，曲柄63，摇杆64，导轨65以及滑块66组成曲柄滑块机构，带动固定于滑块上的阴极背板67王往复运动，形成搅拌。

如图7所示为兆声电铸的电铸设备的工作原理示意图，直流电源411为兆声波发生器412输入电功率，兆声波发生器412输出兆声波信号激励两侧压电陶瓷组522产生兆声振动，向石英槽52内辐射兆声波，时间继电器413接入兆声波发生器412与压电陶瓷组522之间，控制两侧压电陶瓷组522中各个压电陶瓷片的开关及动作时间，在电铸液内形成不同形式的声波扰动。交流电源415为温控表416及接触器417提供电功率，温控表通过热电偶92的反馈控制接触器通断，进而控制电加热管91通断，实现水浴槽51内的恒温控制。循液泵将电铸液从石英槽52中抽出，并通过过滤器81过滤，由循液管83再送回石英槽52内，实现电铸液的循环过滤。电铸电源414为阴极板10及阳极板11通电，实现阴极电铸，同时搅拌机构6动作实现阴极搅拌功能。

利用本发明的兆声设备提高金属微电铸均匀性的方法，由以下基本工艺步骤实现，首先在金属基板上制作光刻胶微结构，将光刻胶图形化，光刻胶微结构的制作过程包括基片研磨、抛光、清洗，涂胶，前烘，曝光，后烘，显影工艺步骤。

胶膜图形化制作完成后，将阴极板10固定于兆声电铸设备的阴极背板67上，非沉积区域做绝缘处理，打开电铸设备开关3，并开启兆声振动，两侧的声波辐照方向平行于待沉积阴极板10，调整双向兆声声源的动作时间及顺序，向铸槽5内辐照兆声波，双向的兆声波产生的声流作用交替推积铸层，将沉积区域内刚刚沉积的非均匀铸层推平摊匀，以此来达到兆声提高微电铸均匀性的目的。

电铸完成后取出电铸阴极板10做去胶处理，获得阴极板上厚度均匀的金属微器件。

采用此方法能够显著提高金属微电铸过程中铸层的均匀性，保证微器件的使用性能。在电流密度2A/dm²，电铸时间1h的条件下，相对于无兆声作用的常规电铸过程获得的微结构铸层，而采用本发明交替动作兆声设备及方法制作的微结构铸层均匀性提高了27％，可见，采用此兆声波方法能够获得厚度更加均匀的微结构铸层。