太赫茲腔體濾波器電化學加工技術研究

劉 星，曾永彬，繆卓偉

（ 1. 南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016；2. 東南大學信息科學與工程學院，江蘇南京 210096 ）

太赫茲波是一種波長在0.03~3 mm、 頻率在0.1~10 THz 之間的電磁波，頻率范圍介于微波（0.3~300 GHz）和紅外光之間，該頻段賦予太赫茲波多種特性。 太赫茲研究主要集中在 0.1~10 THz 頻段，這是一個覆蓋廣泛且性質特殊的頻譜區(qū)域[1-2]。

太赫茲波集成了微波通信與光通信的優(yōu)點，同時表現(xiàn)出一些優(yōu)良特性。 相比較于微波通信，太赫茲通信的傳輸容量大[3-4]、波束更窄、方向性更好、有更好的保密性和抗干擾能力[5-6]；相比較于光通信，太赫茲波的能量效率更高，具有很好的穿透沙塵煙霧的能力[7]。 正是由于具有以上特性，太赫茲波應用也開始滲透到很多方面，如生物成像、太赫茲波譜快速檢測、高速通信、穿墻雷達等[8]。

濾波器是電子系統(tǒng)的核心器件之一，用于濾除環(huán)境噪聲和不需要的頻率成分，以提高系統(tǒng)性能[9]。太赫茲腔體濾波器是完全的金屬閉合結構，避免了電磁輻射和介質損耗，不需要考慮封裝問題，相比于其他類型的濾波器有高Q 值、低插損、功率容量大等特點[10-11]。 針對太赫茲濾波器的加工，國內外學者提出了多種方法， 但大多針對1 THz 以下的頻率。 Kirby 等[12]采用DRIE 工藝在硅基質鍍金制造了功率在400 GHz 的感性窗耦合結構四階濾波器，其端面尺寸為 635 μm×317.5 μm， 長度為 11.8 mm。Shang 等[13-14]利用SU-8 厚膜工藝研制了功率分別為293、671 GHz 的太赫茲濾波器， 得到的插入損耗小于5 dB。 謝善誼[15]采用硅晶體微機械加工技術制造了一個功率為380 GHz 的六階膜孔耦合帶通濾波器，其端面尺寸為 508 μm×254 μm，長度為 5 mm。對于更高工作頻率的太赫茲濾波器，尺寸要求更嚴格，加工精度要求更高。 例如工作頻率為1 THz 太赫茲腔體濾波器的腔體端面尺寸要求（127±1） μm×（254±2） μm，表面粗糙度要求≤Ra0.4 μm，圓角半徑要求≤5 μm；由于太赫茲腔體濾波器的主要性能與腔體內膜片的厚度、 垂直度以及金層的厚度、表面粗糙度都有關系[16]，因此太赫茲腔體濾波器的加工制造有很大的難度，直接限制了太赫茲腔體濾波器的應用。

電化學加工技術是基于電化學原理實現(xiàn)以離子形式去除工件材料， 由于離子的尺度為0.1 nm，因此，電化學加工技術在微細制造，以至于納米制造領域有著很大的發(fā)展?jié)撃躘17]。 基于電化學加工技術， 本文提出一種制備太赫茲腔體濾波器的方法，首先采用微細電解線切割的方法制備犧牲芯模，然后在芯模上電鍍相應材料，最后去除芯模得到端面和內腔形貌良好的濾波器。 與傳統(tǒng)的加工技術相比，采用犧牲芯模法制造出的太赫茲濾波器是整體式腔體結構，不需要考慮封裝問題，內腔表面尺寸更容易控制。

1 工藝方案

圖1 是WR1.0 太赫茲腔體濾波器為的制造路線，具體步驟如下：①微細電解線切割加工鎳犧牲芯模；②在鎳芯模表面電鍍金；③固封在環(huán)氧樹脂里并磨去兩端進行選擇性溶解。

采用此種工藝加工太赫茲腔體濾波器有如下優(yōu)點：

（1）采用犧牲芯模方法制備的太赫茲腔體濾波器是整體式的，與采用鍵合法相比，不需要考慮封裝問題，整體性更好。

（2）由于濾波器腔體內部的表面粗糙度會影響插入損耗，而采用犧牲芯模的方法加工太赫茲腔體濾波器時，鍍金層可以復制鎳芯模的表面，內腔金層的表面粗糙度由原始鎳芯模的粗糙度來保證。

（3）采用微細電解線切割方法加工犧牲芯模，尺寸精度高、無重鑄層，可保證蝕除芯模后濾波器腔體有很好的尺寸精度和表面粗糙度。

（4）犧牲芯模的材料選用鎳，其具有優(yōu)異的強度與延展性，不易變形彎曲且化學性質穩(wěn)定，便于后續(xù)的電鍍金及選擇性溶解試驗。

2 試驗過程

2.1 鎳犧牲芯模微細電解線切割加工

該試驗以厚度0.125 mm、 尺寸4 mm×20 mm、純度99.98%的純鎳片為工件，以摩爾濃度0.1 mol/L的HCl 溶液作為電解液， 線電極軸向往復振動傳質，其振幅為0.125 mm，振速為0.5 mm/s，切割工藝參數(shù)見表1。

表1 微細電解線切割工藝參數(shù)表

按照表1 的參數(shù)加工工件，最終可制得濾波器鎳犧牲芯模，其局部細節(jié)見圖2。 可見，鎳芯模尺寸芯模良好，邊緣輪廓清晰，長度尺寸為1558.1 μm，端面尺寸為 124.8 μm×254.2 μm， 微縫縫寬平均值為25 μm 左右，尺寸精度較高。 經(jīng)過粗糙度輪廓儀測得，鎳芯模的表面粗糙度均值為Ra0.2389 μm，側壁粗糙度均值為 Ra0.1173 μm，滿足≤Ra0.4 μm 的粗糙度要求。

圖2 局部細節(jié)圖

2.2 鎳芯模微縫電鍍金試驗

在鎳芯模微縫電鍍金試驗中，陽極采用不溶性的鍍鉑鈦網(wǎng)，陰極為經(jīng)過微細電解線切割后的鎳芯模圖形（其上有四條平均寬度25 μm 左右，長度分別為 25、50、75、100 μm 的微縫）， 厚度為 125 μm，具體如圖3 所示。

圖3 陰極鎳芯模圖形

以直流電源為電鍍電源，采用陰極旋轉及轉子攪拌溶液的方法來加強傳質， 鍍金液采用4~5 g/L的檸檬酸金鉀作為主鹽，使用氫氧化鉀和檸檬酸將溶液 pH 值調節(jié)至 4.0±0.1。

電鍍工藝中， 陰極的電流密度對于鍍層的厚度、 微觀形貌及表面粗糙度等方面具有較大影響。圖4 是電鍍的仿真結果，由于微縫內電場分布不均勻，微縫側壁上各處的電場強度隨著其與微縫底部之間的距離d 增加而增大，微縫開口處電場強度最大，微縫底部電場強度最小。

圖4 微縫處鍍金形貌仿真

隨著電鍍的進行， 微縫開口處先被鍍金層填滿， 此時距離開口較遠處微縫側壁未被鍍金層填滿，而形成一個內部封閉的空穴，空穴內部由于沒有電鍍液交換，電鍍反應停止，內部側壁鍍金層的厚度s 不再發(fā)生變化。隨著電流密度的增大，微縫內部側壁電場強度也隨著增大，單位時間金的沉積速率增大，導致微縫側壁開口處封閉的時間也隨之縮短，所形成的內部封閉的空穴隨著電流密度增大而增大， 內部側壁鍍金層平均厚度Δs 隨著電流密度的增大而減小，如圖4b、4c 所示。

表2 是電鍍試驗參數(shù)，研究不同電流密度下的電鍍效果。 由于鍍層的平均厚度與電流密度成正比，為了保證鍍金層鍍滿微縫并在不同的電流密度下獲得相同的電鍍層厚度，以電流密度為0.5 A/dm2時電鍍時間選為2.5 h 作為參照， 以確定其他電流密度下的電鍍時間，得到不同電流密度下微縫表面鍍金層及芯模厚度的中間剖面位置微縫處鍍金層的形貌如圖5 所示。

表2 電鍍試驗參數(shù)

由圖5 可知，當電流密度變化時，鎳表面鍍金層的晶粒大小及不同長度微縫處的鍍金層形貌均有所差異。 當電流密度僅0.5 A/dm2時，不同長度的微縫處都被金填滿，鍍層均勻且無明顯缺陷；隨著陰極電流密度的增加至1.0 A/dm2， 陰極極化增強，晶核的形成速率加快，金在微縫側壁與表面相交的尖端部分沉積速度加快，此時開始出現(xiàn)未鍍滿的微縫；隨著電流密度進一步增大至2.0 A/dm2時，不同長度的微縫處鍍金層出現(xiàn)較大的縫隙，鍍層形貌不規(guī)則，鍍層均勻性較差。

用7000 目砂紙細磨表面鍍金層， 磨去60 μm至鎳芯模厚度的一半時，每個電流密度下不同長度的微縫處均出現(xiàn)未鍍滿的空穴，且隨著電流密度的增加而增大，如圖5b 所示；同時，側壁鍍金層的平均厚度隨著電流密度的增大而減小， 當電流密度0.5、1.0、2.0 A/dm2時， 微縫側壁的鍍金層平均厚度Δs 分別為 11.16、8.35、6.43 μm， 均滿足厚度要求。通過試驗，結果與仿真結果基本吻合，即隨著電流密度的增大， 單位時間內陰極電沉積金的速率增大，微縫側壁開口處封閉的時間也隨之縮短，微縫內部所形成未鍍滿的封閉空穴增大，側壁的鍍金層的平均厚度減小。 綜上所述，電流密度應盡量小。

圖5 電流密度對微縫處鍍金層形貌的影響

采用表2 中的電鍍試驗參數(shù)， 電流密度選擇0.5 A/dm2，對圖2 中經(jīng)過微細電解線切割的濾波器鎳芯模進行電鍍金實驗。 由于濾波器芯模長寬比大、剛度低，后續(xù)的超聲溶解過程中，超聲功率大容易破壞腔體，所以電鍍時間選擇5 h，以確保溶解過程中的濾波器腔體有足夠的剛度，得到圖6 電鍍金后的局部圖，最終表面鍍金層厚度達到31.78 μm。

圖6 鍍金后局部圖

2.3 鎳芯模的溶解

在檸檬酸金鉀溶液中電鍍金層到一定厚度后，得到固封在環(huán)氧樹脂中并磨開含有犧牲芯模的濾波器端面見圖7。由于環(huán)氧樹脂不導電，電鏡圖中由外而內可見結構分別為鎳層、金層，可見鎳層與金層輪廓清晰、分界線明顯，鎳表面鍍金層厚度均勻。

圖7 濾波器端面結構圖

將樣品放入蝕刻劑TFG 中，施加頻率60 kHz、功率120 W 的超聲波，維持在60 ℃的溶解溫度，以1 h 為一個溶解周期，設置連續(xù)超聲時間為30 min，超聲結束后保持60 ℃恒溫30 min，然后依此設定，每24 h 更換一次溶解液，溶解48 h 即可溶通。 圖8是溶通后的太赫茲腔體濾波器的端面， 端面尺寸為125.1 μm×254.3 μm。

圖8 溶解后濾波器端面圖

將溶解后的濾波器從表面磨開，得到圖9 所示的腔體，其內部無溶解產(chǎn)物殘留，內壁鍍層結構平整致密，內部鍍金膜片厚度均勻，符合結構與表面質量的要求。

圖9 溶解后濾波器腔體內部圖

經(jīng)矢量網(wǎng)格分析儀測試，該太赫茲腔體濾波器具有較小的插入損耗， 且反射系數(shù)均小于-10 dB，具有良好的傳輸性能，有望大規(guī)模應用于太赫茲系統(tǒng)中。

3 結論

本文提出了一種基于微細電化學加工技術的太赫茲腔體濾波器的加工方法，通過試驗得到以下結論：

（1） 實現(xiàn)了WR1.0 太赫茲腔體濾波器的加工，為高頻段太赫茲腔體濾波器的制作提供了一種新思路。 經(jīng)測試，該腔體濾波器具有較小的插入損耗和良好的傳輸性能。

（2）研究了電流密度對于微縫處電鍍金形貌的影響，當電流密度0.5 A/dm2時，微縫處鍍金層厚度達到要求且形貌最佳，鎳層與金層輪廓清晰，分界線明顯。

（3）采用鎳蝕刻劑TFG 對濾波器進行超聲加熱溶解，溶解48 h 后濾波器腔體輪廓清晰，內部無鎳和溶解產(chǎn)物殘留。