表面粗糙度對(duì)鎳鍍層結(jié)合性能的影響

周玉鳳 *，劉瑞，汪紅

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215123；3.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子學(xué)系，微米納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的迅速發(fā)展，為了適應(yīng)器件在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能多樣性方面的需求，越來(lái)越多的新工藝和新材料應(yīng)用到MEMS 領(lǐng)域中。已有很多關(guān)于采用電鍍鎳法制備微結(jié)構(gòu)MEMS 器件及其相關(guān)性能的研究報(bào)道[1-3]。在改進(jìn)鎳鍍層性能方面，包括降低內(nèi)應(yīng)力、鍍層均勻性、力學(xué)性能等[4-9]，研究者們已進(jìn)行大量研究，使非硅MEMS 技術(shù)取得到一定發(fā)展。

然而采用非硅MEMS 技術(shù)制備多層微器件的最關(guān)鍵問(wèn)題是鍍層間的結(jié)合強(qiáng)度。因此，改善MEMS 器件中疊層結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合力，以提高器件的可靠性和延長(zhǎng)使用壽命，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者力求解決的技術(shù)問(wèn)題之一。通常采用強(qiáng)酸對(duì)鍍層樣品表面進(jìn)行處理，但這對(duì)結(jié)合性能的改善作用非常有限[10]。本文采用電化學(xué)陽(yáng)極溶解刻蝕方法，較系統(tǒng)地研究了陽(yáng)極活化電流密度和處理時(shí)間對(duì)雙層鎳之間結(jié)合性能的影響，通過(guò)觀察微觀組織形貌和分析斷口形貌，初步得出了表面微觀粗糙度與結(jié)合性能之間的相關(guān)性，為鎳微器件的實(shí)用化提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

以20 mm×20 mm×10 mm 的玻璃片為基體制備直徑300 μm 的鎳柱，其工藝流程為：濺射Cr/Cu種子層─電鍍鎳(200 μm)─磨平拋光(專用拋光機(jī))─鹽酸活化或陽(yáng)極活化─涂光刻膠─光刻顯影─電鍍鎳(30 μm)─去光刻膠。

電鍍鎳的配方和工藝為：Ni(NH2SO3)2·4H2O 500 g/L，NiCl2·6H2O 10 g/L，H3BO325 g/L，糖精50 mg/L，pH 4.0，溫度45°C，電流密度10～30 mA/cm2。

鹽酸活化采用體積分?jǐn)?shù)為50%的稀鹽酸溶液，時(shí)間為5 min。陽(yáng)極活化的溶液組成和工藝條件為：NiCl2·6H2O 100 g/L，H3BO325 g/L，pH 4.0，溫度45°C，陽(yáng)極電流密度10～30 mA/cm2，處理時(shí)間5～15 min。

1.2 性能測(cè)定

1.2.1 孤島結(jié)合力測(cè)定

結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試采用孤島–剪切測(cè)試方法，測(cè)試用試樣模型如圖 1 所示。設(shè)備為日本 RHESCA 產(chǎn)的PTR-1100 結(jié)合度測(cè)試儀，相同處理?xiàng)l件選取5 個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)定。將待測(cè)試樣固定在結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試儀上，以剪切方式對(duì)試樣施力直至鎳柱脫離第一層鎳表面，剪切速率為0.1 mm/s，記錄剪切位移和剪切力。

圖1 孤島結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試示意圖Figure 1 Schematic diagram showing micro-island adhesion test

1.2.2 表面形貌和粗糙度

表面形貌和粗糙度的測(cè)定試樣為經(jīng)活化或陽(yáng)極刻蝕的單層鎳鍍層。采用Zeiss 公司的Ultra 55 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察表面和斷面形貌。表面粗糙度采用無(wú)錫超豪機(jī)械制造有限公司的WYKO NT1100 三維光學(xué)輪廓儀進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎳層的表面形貌

圖2為采用不同工藝活化處理后鎳層的表面形貌。從圖2 可知，HCl 活化處理后，鎳表面呈條狀腐蝕；在10 mA/cm2下陽(yáng)極活化5 min 后，鎳層表面發(fā)生點(diǎn)腐蝕；在30 mA/cm2下陽(yáng)極活化10 min 后，鎳層表面明顯變得粗糙。

2.2 鎳層間的孤島結(jié)合力

圖2 不同工藝條件活化后鎳層的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of nickel coatings after activation under different process conditions

圖3 是分別采用鹽酸活化5 min和在30 mA/cm2下陽(yáng)極活化10 min 后試樣的結(jié)合力測(cè)試結(jié)果。從圖3 可知，陽(yáng)極活化的鎳層結(jié)合力明顯高于鹽酸活化的鎳層結(jié)合力。鹽酸酸浸處理5 min 所得試樣的結(jié)合力測(cè)試結(jié)果較分散，說(shuō)明采用該法難以保障試樣的結(jié)合力。

圖3 鎳層間的孤島結(jié)合力曲線Figure 3 Curves for micro-island adhesion between different nickel coatings

圖4 是經(jīng)孤島測(cè)試后鎳層斷口界面的微觀形貌。從圖4 可知，經(jīng)HCl 處理的鎳層斷口界面平整，無(wú)明顯的鍍層殘留。在10 mA/cm2下陽(yáng)極活化5 min 試樣的斷口界面存在一定的缺陷，這與圖2 中鎳層表面發(fā)生的點(diǎn)腐蝕相對(duì)應(yīng)，也說(shuō)明在該條件下進(jìn)行陽(yáng)極活化難以得到結(jié)合力良好的試樣。觀察30 mA/cm2下活化10 min 試樣發(fā)現(xiàn)，斷口的界面有上層鎳殘留，說(shuō)明斷裂并非發(fā)生在兩層鎳之間，即兩層鎳之間的結(jié)合力良好。

2.3 鎳層間結(jié)合強(qiáng)度與粗糙度的關(guān)系

圖5 示出了經(jīng)不同活化工藝處理后鎳層的表面輪廓。測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)HCl 活化、10 mA/cm2陽(yáng)極活化5 min和30 mA/cm2陽(yáng)極活化10 min 的鎳表面粗糙度(Ra)分別為205.85、215.77和460.60 nm，30 mA/cm2陽(yáng)極活化10 min 的鎳表面粗糙度最大。

圖4 孤島測(cè)試后不同鎳層的斷口形貌Figure 4 Fracture morphologies of different nickel coatings after micro-island adhesion test

圖5 不同工藝條件活化后鎳層的表面輪廓Figure 5 Surface profiles of nickel coatings after activation under different process conditions

陽(yáng)極活化電流密度和處理時(shí)間對(duì)鎳層表面粗糙度和鎳層間結(jié)合強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖6。從圖6 可知，電流密度和處理時(shí)間顯著影響鎳層的表面粗糙度和結(jié)合強(qiáng)度，在30 A/dm2下陽(yáng)極活化10 min 后，雙層鎳之間的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)629.8 MPa，較HCl 處理5 min 試樣(231.9 MPa)提高近2 倍。電流密度越大、處理時(shí)間越長(zhǎng)，鎳的粗糙度和鎳層之間的結(jié)合強(qiáng)度就越大，二者的變化趨勢(shì)基本一致。這說(shuō)明界面結(jié)合強(qiáng)度與表面粗糙度有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表面粗糙度越大，其結(jié)合強(qiáng)度越高。因此粗糙的微觀表面可有效增強(qiáng)雙層鎳之間的物理咬合作用，提高鎳層間的結(jié)合強(qiáng)度。

圖6 陽(yáng)極活化電流密度和時(shí)間對(duì)鎳層表面粗糙度和界面結(jié)合強(qiáng)度的影響Figure 6 Effects of current density and time of anodic activation on surface roughness and interfacial bonding strength of nickel coatings

3 結(jié)論

鎳層表面粗糙度與界面結(jié)合強(qiáng)度有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表面粗糙度越大，其結(jié)合強(qiáng)度越高。通過(guò)陽(yáng)極活化可有效增大鎳的表面粗糙度，顯著提高雙層鎳之間的結(jié)合強(qiáng)度。采用陽(yáng)極活化有望提高M(jìn)EMS 微器件的可靠性和使用壽命，為其實(shí)用化打下良好的基礎(chǔ)。

[1]BHANDARI A,HEARNE S J,SHELDON B W,et al.Microstructural origins of saccharin-induced stress reduction in electrodeposited Ni [J].Journal of the Electrochemical Society,2009,156 (8):D279-D282.

[2]LI J D,ZHANG P,WU Y H,et al.Uniformity study of nickel thin-film microstructure deposited by electroplating [J].Microsystem Technologies,2009,15 (4):505-510.

[3]KIM S J,YANG H S,KIM K W,et al.Study of SU-8 to make a Ni master-mold:Adhesion,sidewall profile,and removal [J].Electrophoresis,2006,27 (16):3284-3296.

[4]WANG L M.A new developed method assisting mass transfer of Ni ions in via [J].Microsystem Technologies,2009,15 (6):899-906.

[5]HANG T,LING H Q,HU A M,et al.Growth mechanism and field emission properties of nickel nanocones array fabricated by one-step electrodeposition [J].Journal of the Electrochemical Society,2010,157 (12):D624-D627.

[6]ZHANG W J,YU Z Y,CHEN Z,et al.Preparation of super-hydrophobic Cu/Ni coating with micro-nano hierarchical structure [J].Materials Letters,2012,67 (1):327-330.

[7]HANG T,HU A M,LING H Q,et al.Super-hydrophobic nickel films with micro-nano hierarchical structure prepared by electrodeposition [J].Applied Surface Science,2010,256 (8):2400-2404.

[8]TANG J,WANG H,GUO X Q,et al.An investigation of microstructure and mechanical properties of UV-LIGA nickel thin films electroplated in different electrolytes [J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2010,20 (2):025033.

[9]LIM J H,PARK E C,JOO J,et al.Effect of additives on microstructure and mechanical properties of nickel plate/mask fabricated by electroforming process [J].Journal of the Electrochemical Society,2009,156 (3):D108-D112.

[10]屠振密,韓書(shū)梅,楊哲龍,等.防護(hù)裝飾性鍍層[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.