微結(jié)構(gòu)模芯電鑄工藝分析及系統(tǒng)設(shè)計

蔣炳炎，強 軍，劉宇杰，羅坤杰，董彥灼

（中南大學 高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083）

0 引 言

微注射成型技術(shù)已成為微零件精細加工成型的一種熱門方法，是一種重要的微制造工藝，能大批量、低成本生產(chǎn)微塑件及帶有微特征的塑料制品[1]，廣泛應(yīng)用于微機電系統(tǒng)、微光學器件、生物醫(yī)療和汽車電子等領(lǐng)域，相關(guān)產(chǎn)品有光柵單元、微泵、微流控芯片和微齒輪等[2]。由于微/納米結(jié)構(gòu)注射型芯的特征尺寸已達到微米級甚至納米級，成型精度精細，傳統(tǒng)的機加工方法難以實現(xiàn)這種尺寸的制作。一般采用超精密機加工和特種加工方法制備納米結(jié)構(gòu)的模芯，典型的特種加工方法有電子束刻蝕法、極紫外刻蝕法、X 射線刻蝕法、鋁板氧化法和精密電鑄法[3]。相比于其他技術(shù)，精密電鑄法具有操作簡單、生產(chǎn)成本低、高成型精度等優(yōu)勢，已成為微/納結(jié)構(gòu)模芯重要的加工方法[4]。電鑄設(shè)備是模芯加工的載體，優(yōu)化電鑄工藝、推廣其應(yīng)用離不開高效穩(wěn)定的電鑄設(shè)備的開發(fā)。臺灣元智大學、臺灣成功大學等[5,6]都對微電鑄設(shè)備進行了研究，可對PH值、溫度、水位進行數(shù)字化設(shè)定。南京航空航天大學對電鑄工藝進行了較廣泛的研究，針對不同電鑄制件提出一系列電鑄裝置的改進設(shè)想。為電鑄成型高深寬比制品開發(fā)掩膜板隨動式電鑄裝置，在鑄層生長過程中通過程序控制掩膜沿著鑄層增長方向緩慢移動，成功制得深寬比為8 的微結(jié)構(gòu)。大連理工大學的譚志成等[7]研發(fā)DZY-3 型雙槽雙路精密電鑄機，研究電源波形對電鑄層結(jié)構(gòu)性能的影響。中南大學強軍等[8]研發(fā)了微納結(jié)構(gòu)模芯電鑄成型設(shè)備，采用陰陽極豎直同步旋轉(zhuǎn)，通過PLC 實現(xiàn)智能化控制，可實現(xiàn)陰陽極同步旋轉(zhuǎn)、空氣攪拌、電鑄液溫度控制、可調(diào)脈沖電源和陰陽極可控升降及旋轉(zhuǎn)，提高了電鑄的可控性、穩(wěn)定性及可靠性。但試驗中發(fā)現(xiàn)目前的電鑄設(shè)備在陰極夾具方面，密封效果較差，容易造成漏液，影響陰極電流密度分布，從而影響鑄層質(zhì)量。因此設(shè)計一套微結(jié)構(gòu)模芯加工系統(tǒng)。

1 微結(jié)構(gòu)模芯電鑄工藝分析

微結(jié)構(gòu)模芯電鑄是通過在陰極上電沉積金屬，然后將兩者分離而制取模芯的工藝[9,10]，其與傳統(tǒng)電鑄及微器件電鑄原理相同、工藝相似。不同于傳統(tǒng)電鑄成型宏觀結(jié)構(gòu)及微器件電鑄成型微米級尺寸零件，微結(jié)構(gòu)模芯電鑄既要沉積微結(jié)構(gòu)也要成型模芯基底。其電鑄工藝需要同時考慮微米級尺寸問題（如微結(jié)構(gòu)沉積不完整）和宏觀尺寸問題（如模芯基底翹曲變形、均勻性差），而單一的電鑄工藝參數(shù)無法同時兼顧微結(jié)構(gòu)沉積質(zhì)量、基底平面度及成型速率的跨尺寸要求。影響沉積質(zhì)量的工藝參數(shù)有電流密度、PH 值、溫度和流速等。低電流密度容易滿足微結(jié)構(gòu)模芯電鑄的質(zhì)量要求，但沉積速率慢、工作效率低。電流密度過高，沉積速率快，會造成微結(jié)構(gòu)充填不足，影響模芯質(zhì)量。升高電鑄液溫度可提高傳質(zhì)速度，改善溶液分散能力，但過高的溫度使電鑄液無法保持長期穩(wěn)定。一般氨基磺酸電鑄液溫度在40～50 ℃。PH 值過高容易造成鑄層應(yīng)力較大，較低的PH 值可以提高電流密度，有利于陽極溶解，但析氫反應(yīng)較大，容易產(chǎn)生針孔。一般電鑄液的PH 值在3.5～4.5。但在同一電鑄過程中，PH值、溫度無法進行實時準確改變，而流速相對于電流密度對模芯質(zhì)量的影響較小。因此，針對微結(jié)構(gòu)模芯的性能要求，通過實時調(diào)控電流密度大小，提出三段式電鑄協(xié)同策略，如圖1 所示。微結(jié)構(gòu)層采用小電流密度沉積模芯微結(jié)構(gòu)，提高其沉積質(zhì)量；電鑄過程中的應(yīng)力積累會導(dǎo)致模芯翹曲變形，過渡層采用變電流密度調(diào)控基底應(yīng)力，提高模芯平面度；基底層采用大電流密度沉積模芯基底，提高模芯成型速率。3 個階段對應(yīng)的沉積厚度分別為（0～h）μm、（h～300）μm 和300 μm～4 mm，其中h 為微結(jié)構(gòu)高度。

2 微結(jié)構(gòu)模芯電鑄系統(tǒng)總體設(shè)計

一個電鑄系統(tǒng)包含裝入電鑄液的電鑄槽、提供金屬離子的陽極、將離子還原為金屬并沉積在其表面的陰極、固定并完成導(dǎo)電的陽極與陰極的安裝夾具。為了縮短裝卸周期，減少電鑄液消耗，同時滿足各種尺寸變化需求，將微結(jié)構(gòu)模芯電鑄系統(tǒng)分為4 個模塊：流動模塊、陽極模塊、陰極模塊以及蓋板，如圖2 所示。流動模塊控制電鑄液進出；陽極模塊放置可溶性陽極及各種傳感器，如PH 傳感器、水位傳感器等；陰極模塊固定且密封陰極，防止電鑄液滲漏；蓋板用于保護陰極背部。

圖2 電沉積系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電鑄槽不能輕易被電鑄液腐蝕，與電鑄液接觸的內(nèi)表面應(yīng)為塑料或橡膠等材質(zhì)。PMMA不會與電鑄液反應(yīng)，且耐熱性好，熱變形溫度為80 ℃，高于電鑄液的最高溫度60 ℃，易加工且成本低。除此之外，其無色透明，透光率達90%～92%，后續(xù)可用于鑄層表面應(yīng)力實時檢測及表面氣泡研究，故選擇PMMA作為電沉積系統(tǒng)的主要材料。

3 微結(jié)構(gòu)模芯電鑄系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 流動模塊與陽極模塊設(shè)計

電鑄液的一般組成成分為：主鹽、導(dǎo)電鹽、緩沖劑、添加劑及陽極在氧化反應(yīng)中融入到液體中的離子。因其成分復(fù)雜，而電鑄工藝通常需要較長的時間，在電鑄期間電鑄液的成分容易發(fā)生變化，增加溶液的維護難度。電沉積過程對濃度的敏感性強，需及時補充電鑄液。而流動模塊包含了用于電鑄過程的電鑄液進出口，2 個與外部水泵連接口分別保證了電鑄液的輸入與輸出，側(cè)面的2 個孔洞自下而上分別是電鑄液的輸入孔與輸出孔，在裝配過程中均會用密封接口與水泵的軟管完成密封組裝。

電鑄過程中陽極與陰極之間的距離、電鑄液的PH 值與溫度等諸多因素都會對電鑄層質(zhì)量產(chǎn)生影響。安裝陽極時需保證陽極導(dǎo)電、正常溶解，導(dǎo)電材料不能溶于電鑄液中，可選擇鈦作為導(dǎo)電材料。當陽極與陰極的中心連成的線垂直于兩極板的表面時，即兩者的擺放位置完全相對時，電場在陰極表面的分布會更為均勻。在陽極模塊中，設(shè)計了可以夾緊陽極的鈦線，如圖3所示，保證其與陰極的位置相對。鈦線自下而上通過預(yù)留的孔洞進行安裝，且在孔洞的上方使用護線圈保證固定與密封。

圖3 陽極模塊結(jié)構(gòu)

為了時刻檢測電鑄液的PH 值，在陽極模塊設(shè)計了管螺紋用于密封、安裝PH 傳感器的電極探頭。外置的水位傳感器直接通過固體膠貼合在電沉積系統(tǒng)的外側(cè)，可時刻監(jiān)控電鑄液是否充足。為了將流動模塊、陽極模塊、陰極模塊密封連接，選用了橫截面為圓形的密封圈，圓形密封圈相對H 形與Y 形等更容易生產(chǎn)加工，且密封性好、可靠性高、價格更低。

3.2 陰極模塊與蓋板設(shè)計

由于陰極裝夾時容易產(chǎn)生碎裂及變形，傳統(tǒng)的陰極夾具大多數(shù)使用卡盤將陰極固定于平面上再進行電鑄或其他加工，在安裝與拆卸過程中很可能會損壞陰極原模本身的結(jié)構(gòu)或損壞所沉積的電鑄層，且大多數(shù)情況下根據(jù)所要加工的陰極原模的尺寸制作相應(yīng)大小的卡爪或卡盤，適用范圍小。真空唇是近些年推廣使用的一種安裝夾具，其主要通過連接真空泵制造氣壓差將薄壁類器件直接吸附在其表面。比起傳統(tǒng)夾具，其在裝夾易變形或結(jié)構(gòu)不適合裝夾的薄壁平面件上有較大的優(yōu)勢。真空唇通過簡單的吸附安裝，簡化了安裝拆卸的流程和節(jié)約了安裝拆卸的時間，不會因機械接觸而損壞薄壁的結(jié)構(gòu)。

陰極模塊參照真空夾具設(shè)計了一大一小2個真空唇，通過真空吸附對陰極進行裝夾，同時為了防止電鑄液滲漏，采用兩級真空唇形成密閉空間，如圖4 所示。陰極模塊的頂部有3 個孔，都有相應(yīng)的功能與作用。左孔連接真空泵，在陰極吸附的情況下，防止電鑄液泄漏到陰極背部，影響電場分布，從而影響電鑄層質(zhì)量；中間孔也連接真空泵，并與陰極模塊上過盈配合的大真空唇、小真空唇接觸，通過真空分別將陰極與蓋板吸附在真空唇上；右孔用于引出接觸陰極導(dǎo)電框的電線，保證可在腔體外連接電源。

圖4 陰極模塊結(jié)構(gòu)

電鑄過程中，真空泵會將陰極的背部抽成真空，使導(dǎo)電框不與電鑄液發(fā)生反應(yīng)。導(dǎo)電框所用材料為SUS304 不銹鋼，厚度為0.5 mm，套于小真空唇的周圍且與小真空唇突出陰極模塊的厚度相同，如圖5 所示。當陰極被真空唇吸附夾緊時，陰極的邊緣會與導(dǎo)電框接觸導(dǎo)電，而自導(dǎo)電框引出的線也會連接至外部電源，完成電沉積系統(tǒng)的通電。

圖5 導(dǎo)電框在陰極模塊的安裝位置

蓋板主要由安裝在陰極模塊的大真空唇吸附固定，保護陰極的背部不被損壞，且因為陰極與蓋板均由真空唇吸附固定，在二者之間產(chǎn)生了1 個完全與外界隔絕的空間。在陰極模塊中連接到真空泵的孔洞（第4 個孔洞）可以確保該空間的壓力均衡，該結(jié)構(gòu)設(shè)計確保了陰極的背面不會與電鑄液直接接觸。

4 典型應(yīng)用案例

通過上述工藝及系統(tǒng)進行了微流控芯片模芯電鑄成型，成型后的模芯如圖6 所示。模芯厚度為1 mm，采用超景深顯微鏡對微結(jié)構(gòu)進行檢測，得到通道界面高度為60.9 μm，與陰極原模相差0.89 μm；寬度為113.31 μm，與陰極原模相差3.02 μm。微結(jié)構(gòu)尺寸誤差較小，復(fù)制質(zhì)量好。采用光學表面輪廓儀對模芯表面平面度進行檢測，其表面高度上校差值為5.4 μm，遠小于模芯宏觀尺寸，說明模芯表面平整，未出現(xiàn)明顯翹曲現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

圖6 微流控芯片模芯實物

對微結(jié)構(gòu)模芯電鑄工藝進行分析，并結(jié)合微結(jié)構(gòu)模芯需求及電鑄系統(tǒng)設(shè)計的基本原則，設(shè)計了一套用于微結(jié)構(gòu)模芯電鑄加工的系統(tǒng)，最后電鑄成型了微流控芯片模芯，模芯微結(jié)構(gòu)復(fù)制質(zhì)量高，表面平整，得到如下結(jié)論：①通過模塊化設(shè)計，后期僅需對陰極模塊進行修改即可適用于多種模芯尺寸的加工；②添加了PH、水位傳感器，可實現(xiàn)PH 及水位控制；③采用真空唇裝夾，實現(xiàn)了陰極密封，其安裝更簡便；④添加了屏蔽模板，減小了邊緣效應(yīng)對于陰極鑄層均勻性的影響。