電鑄參數(shù)對(duì)銅基平面微彈簧疲勞性能的影響

Cao Quoc Dinh，徐寧，李成園，張新平

（南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210094）

電鑄參數(shù)對(duì)銅基平面微彈簧疲勞性能的影響

Cao Quoc Dinh，徐寧，李成園，張新平

（南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210094）

平面微彈簧性能直接影響著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的效果和可靠性，研制長(zhǎng)壽命的平面微彈簧對(duì)于保證微機(jī)電系統(tǒng)可靠性具有重要的意義。研究了占空比、電流密度、電源屬性對(duì)電鑄平面微彈簧質(zhì)量的影響，并基于正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化了工藝；制備了尺寸精度合適和疲勞性能良好的平面微彈簧，滿足了MEMS的需要。研究表明：大的占空比會(huì)降低微彈簧的疲勞性能；雙脈沖電源電鑄的平面微彈簧疲勞性能優(yōu)于直流電源和單脈沖電源電鑄的；最優(yōu)工藝為采用雙脈沖電源、電流密度3 A/dm2、正向占空比10%；反向占空比10%.平面微彈簧疲勞壽命在定位移0.2 mm的情況下，最大517次。

兵器科學(xué)與技術(shù)；平面微彈簧；微電鑄；疲勞性能；正交實(shí)驗(yàn)

0 引言

微小型武器技術(shù)在未來戰(zhàn)爭(zhēng)和國(guó)家安全方面具有重大作用，是未來新型武器系統(tǒng)與裝備的重要發(fā)展方向之一。為適應(yīng)武器微小型化發(fā)展的需要，各國(guó)采用了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制造傳感器和微系統(tǒng)。平面微彈簧作為微型執(zhí)行器、微型加速度傳感器以及其他微慣性器件的重要組成部分，在MEMS中發(fā)揮著重要作用［1-2］。MEMS用微彈簧材質(zhì)可分為硅質(zhì)和非硅質(zhì)［3-4］。美國(guó)空氣炮和離心機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，沖擊環(huán)境下硅零件易破碎，限制了硅質(zhì)彈簧在沖擊環(huán)境下的應(yīng)用。目前采用光刻、電鑄和注塑（LIGA）研制的MEMS用鎳基微彈簧多次拉伸后就會(huì)發(fā)生塑性變形不能恢復(fù)原狀［5-7］，無法滿足MEMS長(zhǎng)期使用要求。這是因?yàn)槲㈦婅T件力學(xué)性能還不能和常規(guī)金屬零件相比，且純鎳的彈性、抗拉強(qiáng)度和延伸率等指標(biāo)并不理想，這些都給MEMS機(jī)構(gòu)彈性元件的設(shè)計(jì)和加工帶來了困難。文獻(xiàn)［8］報(bào)道電鑄銅力學(xué)性能優(yōu)于電鑄鎳。但電鑄銅的性能隨溶液體系等電鑄工藝參數(shù)不同而差別很大［9-11］，因此需要優(yōu)化電鑄工藝以提高其疲勞壽命，進(jìn)而滿足MEMS長(zhǎng)期使用要求。

針對(duì)上述情況，本文研究了占空比、電流密度、電源屬性對(duì)電鑄平面微彈簧的疲勞壽命等質(zhì)量的影響，并基于正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化了工藝，以期制得尺寸精度和疲勞力學(xué)性能良好的平面微彈簧。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用紫外光刻電鑄（UV-LIGA）技術(shù)制備銅基平面微彈簧，工藝流程如圖1所示，所得微彈簧尺寸如圖2所示，其中彈簧設(shè)計(jì)線寬為0.5 mm.

銅基平面微彈簧電鑄工藝包括芯模前處理、勻膠、光刻、電鑄與脫模等5個(gè)過程。電鑄陽極為黃銅球，陰極為304不銹鋼基片，電鑄液為硫酸銅溶液，并配有少量鹽酸和添加劑、整平劑，電鑄溫度28℃，時(shí)間4 h.

采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究電源屬性、電流密度和占空比對(duì)彈簧尺寸精度和疲勞性能的影響，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。其中直流電源沒有占空比，雙脈沖的反向占空比為10%.電鑄后脫模、清洗和干燥，冷鑲、研磨、拋光、腐蝕，制成金相試樣。Quant 250FEG場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察微觀組織，Bruker-AXS D8X射線衍射儀分析物相。采用自制的由步進(jìn)電機(jī)和推拉力計(jì)組成的微試樣疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)定位移（0.2 mm）測(cè)試疲勞壽命，當(dāng)拉伸最大載荷降為原始的70%時(shí)即判定失效。

圖1 微彈簧制備工藝路線Fig.1 Manufacturing process route of micro-springs

圖2 平面微彈簧尺寸圖Fig.2 Dimensions of planar micro-spring

2 結(jié)果與分析

2.1 平面微彈簧的微觀組織與相組成

制備出的厚度0.1～0.3 mm平面微彈簧如圖3（a）所示。這些平面微彈簧不存在氣孔、裂紋等缺陷，表面光滑，致密度高。本研究中電鑄時(shí)間不長(zhǎng)，晶粒生長(zhǎng)方向的隨機(jī)性較強(qiáng)，且基片表面存在細(xì)小的凹凸不平，可作為非自發(fā)形核的核心，有利于銅首先在凹坑處形核并生長(zhǎng)，從而靠近基體區(qū)域形成了細(xì)小的晶粒，如圖3（b）所示。如繼續(xù)延長(zhǎng)電鑄時(shí)間，沿沉積方向，組織會(huì)從細(xì)小等軸晶逐漸變化為柱狀晶［12］。

表1 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果直觀分析Tab.1 Orthogonal experimental design scheme and intuitive analysis of experimental results

X射線衍射結(jié)果表明，電鑄平面微彈簧遠(yuǎn)離基板的一側(cè)只有銅，而靠近基板的一側(cè)不僅有銅，還有FeCu4相，如圖3（c）所示。Fe原子來自陰極板不銹鋼基片，電鑄時(shí)Fe元素溶入了電鍍液，沉積過程中隨著銅元素一起在陰極形核、長(zhǎng)大。

2.2 微電鑄工藝對(duì)尺寸精度的影響

線寬的尺寸誤差會(huì)對(duì)微彈簧彈性系數(shù)產(chǎn)生影響，因此有必要分析微電鑄工藝對(duì)尺寸精度的影響［13-14］。彈簧的線寬是由光刻膠膠模的間隙尺寸決定的，尺寸誤差來源于掩模制造誤差和微電鑄工藝尺寸誤差。曝光，顯影，電鑄等工序都會(huì)造成尺寸誤差［15］，如光刻膠在電鑄液中浸泡時(shí)會(huì)溶脹，當(dāng)溶液溫度升高后會(huì)熱膨脹變形，造成尺寸變化［16］。微電鑄時(shí)間等參數(shù)會(huì)影響到膠模的變形情況，進(jìn)而影響尺寸精度。為定量分析尺寸精度，定義尺寸誤差為:|實(shí)測(cè)線寬/設(shè)計(jì)線寬-1|，數(shù)值越小則誤差越小。

圖3 平面微彈簧典型形貌、微觀組織與X射線衍射分析（直流電源，電流密度2 A/dm2）Fig.3 Morphology of planar micro-spring（DC power，current density of 2 A/dm2）

微電鑄工藝對(duì)尺寸誤差影響趨勢(shì)如圖4所示。隨著占空比的增加，微彈簧尺寸誤差先減后增；隨著電流密度的增加，尺寸誤差增加；雙脈沖電源電鑄的微彈簧疲勞壽命優(yōu)于直流電源的，單脈沖的最差。電鑄工藝影響著光刻膠的溶脹和熱膨脹。在一定范圍內(nèi)，占空比適當(dāng)?shù)脑龃罂蓽p少光刻膠浸泡時(shí)間，降低溶脹程度，提高尺寸精度。而占空比增大到30%時(shí)，電流導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，電鑄液溫升較大，光刻膠熱膨脹變形嚴(yán)重，尺寸誤差增大。隨著電流密度的減小，銅離子運(yùn)動(dòng)速度變慢，熱溶脹效應(yīng)不明顯，尺寸誤差減小。與直流電鑄相比，單脈沖的電極反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)周期性的停頓，光刻膠浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，尺寸誤差增大。雙脈沖電源增加了占空比為10%的反向脈沖電流，電流導(dǎo)通時(shí)間減小，膠模受熱溶脹效應(yīng)的影響較小，彈簧線寬接近設(shè)計(jì)線寬，尺寸精度提高。

圖4 電鑄參數(shù)對(duì)平面微彈簧尺寸誤差和疲勞性能的影響趨勢(shì)Fig.4 Influences of trend electroforming parameters on dimension error and fatigue properties of planar micro-spring

綜上所述，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得到尺寸精度最好的工藝參數(shù)為正向占空比20%、反向占空比10%、電流密度為2 A/dm2、雙脈沖電源。當(dāng)然，與表1中的工藝7相比，哪種工藝更好需要做實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.3 微電鑄工藝對(duì)疲勞性能的影響

文獻(xiàn)［6，8］利用LIGA技術(shù)和Zn犧牲層技術(shù)制備出的S型鎳基微型平面彈簧，經(jīng)過幾次（最大載荷0.2 N左右，不超過20次）拉伸回縮實(shí)驗(yàn)便發(fā)生塑性變形。本文制備的銅平面微彈簧疲勞壽命結(jié)果如表1所示，最小為35次，最高517次（工藝5），由此可見其具有更高的疲勞壽命。

影響疲勞壽命的因素包括循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)、幾何形狀、表面質(zhì)量、材料類型、殘余應(yīng)力、內(nèi)部缺陷、環(huán)境等。譬如彈簧尺寸不均勻時(shí)，承受疲勞載荷時(shí)各段應(yīng)力也不相等，易形成應(yīng)力集中，從而降低彈簧的疲勞性能。表面粗糙或出現(xiàn)缺口也會(huì)引起微觀應(yīng)力集中，裂紋在此萌生與擴(kuò)展，降低疲勞強(qiáng)度。另外，對(duì)于大多數(shù)金屬，晶粒越細(xì)，疲勞壽命越長(zhǎng)。由于微電鑄工藝會(huì)影響到微彈簧的表面粗糙度、晶粒尺寸和彈簧尺寸不均勻性，從而影響到微彈簧的疲勞壽命。電鑄參數(shù)對(duì)電鑄銅平面微彈簧疲勞性能的影響趨勢(shì)如圖4所示。占空比的增加降低了微彈簧的疲勞壽命。隨著電流密度的增加，微彈簧疲勞壽命先增后減。雙脈沖電源電鑄的微彈簧疲勞壽命優(yōu)于單脈沖的，直流電源最差。

占空比的減小可有效地阻礙晶粒晶核長(zhǎng)大，減少其外延生長(zhǎng)的趨勢(shì)，改變了晶體的生長(zhǎng)趨勢(shì)，抑制了晶粒粗化的趨勢(shì)，從而細(xì)化了晶粒［17］，提高鑄層的致密度［18］，進(jìn)而提高平面微彈簧的疲勞性能。

當(dāng)電流密度為3 A/dm2時(shí)，疲勞性能最好。在一定范圍內(nèi)，電流密度適當(dāng)?shù)脑龃竽軌蚣?xì)化電沉積金屬晶粒［19］，疲勞強(qiáng)度顯著提高，但當(dāng)電流密度繼續(xù)增大到某一數(shù)值時(shí)，由于銅離子運(yùn)動(dòng)速度很快，結(jié)晶沿電力線方向電解液內(nèi)部迅速增長(zhǎng)；過大的電流密度還會(huì)造成陽極鈍化，使銅離子貧化現(xiàn)象嚴(yán)重，電沉積表面的銅離子供應(yīng)不足，造成電鑄表面質(zhì)量急劇下降，表面不平整［20］，降低了疲勞強(qiáng)度。

雙脈沖電源微電鑄的彈簧疲勞性能優(yōu)于單脈沖電源和直流電源電鑄的。這是由于脈沖電流可以施加很高的瞬間電流密度，產(chǎn)生更高的電化學(xué)極化效果，導(dǎo)致更細(xì)小、更均勻的晶粒生成［10，21］。另外，當(dāng)使用雙脈沖電源時(shí)，電極反應(yīng)會(huì)有周期性的停頓，給溶液深處的離子進(jìn)入擴(kuò)散層提供了時(shí)間，得以補(bǔ)償消耗的離子。微觀不平造成的極限電流的差值趨于相等，使微觀的突起部位發(fā)生溶解，削平突起，使鑄層更加光滑［22］，電鑄出的彈簧尺寸更加均勻。

綜上所述，基于疲勞壽命考慮，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得到的最優(yōu)工藝為正向占空比10%、反向占空比10%、電流密度3 A/dm2、雙脈沖電源。同樣，與表1中的工藝5相比，哪種工藝更好需要做實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.4 平面微彈簧工藝優(yōu)化

采用加權(quán)法綜合尺寸精度和疲勞壽命優(yōu)化工藝。將疲勞壽命和尺寸精度劃分為10個(gè)等級(jí)范圍，等級(jí)越高則平面微彈簧質(zhì)量越好。因?yàn)槠矫嫖椈筛⒅仄谛阅?，所以疲勞性能?quán)重定為0.9，尺寸精度權(quán)重定為0.1，綜合得分計(jì)算公式為:綜合得分=疲勞等級(jí)×0.9+尺寸精度等級(jí)×0.1.

綜合得分結(jié)果如表1所示。由表1可知，工藝5綜合得分最高。由于極差表征的是各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響的重要程度，極差越大則影響越顯著［23］。因此，各因素的重要程度順序?yàn)?占空比＞電流密度＞電源屬性。電鑄參數(shù)對(duì)綜合得分的影響趨勢(shì)如圖5所示，可見占空比小和電流密度取中間值，雙脈沖電源比較好。所以理論上的優(yōu)化工藝為正向占空比10%、反向占空比10%、電流密度3 A/dm2、雙脈沖電源。

圖5 電鑄參數(shù)對(duì)綜合得分的影響趨勢(shì)Fig.5 Influences of electroforming parameters on comprehensive scores

3 結(jié)論

1）利用微電鑄成功制備出線寬500 μm，疲勞壽命最大517次的銅基平面微彈簧。

2）隨著占空比的增大，微彈簧的疲勞性能有所下降；當(dāng)電流密度為3 A/dm2時(shí)，疲勞性能最好；雙脈沖電源電鑄的平面微彈簧的疲勞性能優(yōu)于直流電源和單脈沖電源電鑄的。最優(yōu)電鑄工藝為:雙脈沖電源，正向占空比10%、反向占空比10%，電流密度為3 A/dm2.

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Effects of Electroforming Parameters on Fatigue Properties of Cu-based Planar Micro-spring

CAO Quoc Dinh，XU Ning，LI Cheng-yuan，ZHANG Xin-ping
（School of Material Science and Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Micro-spring is an important actuating component used widely in microelectromechanical systems.It is important to develop micro-forming techniques for manufacture of micro-springs with high-fatigue life.The effects of duty cycle，current density，and power properties on the quality of micro-electroforming planar micro-springs are studied.The process is optimized using an orthogonal experiment in order to achieve the high dimensional accuracy and fatigue properties of the planar micro-springs and meet the demand of microelectromechanical systems.The result shows that the fatigue property of micro-spring decreases as the duty cycle increases.Fatigue property of planar micro-spring prepared by double pulse power is superior to the one that prepared by direct current power and single pulse power.The optimal process is to use double pulse power，3 A/dm2current density，10%positive duty cycle，and 10%negative duty cycle.The fatigue life of planar micro-spring can reach 517 times under the constant displacement of 0.2 mm.

ordnance science and technology；planar micro-spring；micro-electroforming；fatigue property；orthogonal experiment

TQ153.4

A

1000-1093（2016）07-1252-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.07.013

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江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20151489）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（30920140112008）；上海航天科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（SAST2015044）

Cao Quoc Dinh（1990—），男，碩士研究生。E-mail:gaoguoding90@gmail.com；

張新平（1975—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:xpzhang@njust.edu.cn