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        屏蔽擋板對電鑄微模芯厚度均勻性的影響

        2014-01-29 02:14:14蔣炳炎陳中原StefanKirchberg
        電鍍與環(huán)保 2014年5期
        關鍵詞:模芯電鑄擋板

        馬 鑫, 蔣炳炎, 陳中原, 呂 輝, Stefan Kirchberg

        (1.中南大學 機電工程學院 高性能復雜制造國家重點實驗室,湖南 長沙410083;2.Institute of Polymer Materials and Plastics Engineering,Clausthal University of Technology,Clausthal-Zellerfeld 38678,Germany)

        0 前言

        隨著MEMS技術的發(fā)展,微電鑄作為一種全新的微細加工技術,已經(jīng)廣泛應用于信息、通信、國防、航空航天、醫(yī)療和生物工程等各個領域[1-2]。在LIGA技術[3]中,將微電鑄技術與光刻技術[4]、微注射成型技術[5]結合,應用于微模具的制作,實現(xiàn)了微型器件的批量化生產(chǎn),對推廣其應用有重要意義[6]。然而,由于電沉積過程的內(nèi)在特性,電鑄微模芯往往存在厚度分布不均的現(xiàn)象[7-9]。微透鏡陣列是微光學系統(tǒng)中的一個關鍵元件,因其特有的光學性能而得到廣泛應用[10]。在制作微透鏡陣列電鑄模芯的過程中,厚度均勻性差不僅會影響模芯的電鑄效率,更會降低模芯的質(zhì)量,造成微透鏡大小分布不均等缺陷,直接影響微透鏡陣列模芯的使用性能。因此,控制好鑄層的厚度均勻性,是制備高質(zhì)量微透鏡陣列模芯的關鍵。

        為改善鑄層的厚度均勻性,研究者們從改良電鑄液、增強液相傳質(zhì)及優(yōu)化電場分布等方面提出了諸多措施,具體分為改進實驗裝置[11-12]和優(yōu)化電鑄工藝[13-15]兩方面。

        本文以微光學系統(tǒng)的核心元件微透鏡陣列為研究對象,利用Ansys模擬軟件,通過對微透鏡陣列模芯電鑄過程中陰極電流密度分布進行模擬分析,研究電鑄過程中電流屏蔽擋板對陰極電流密度分布的影響,進而直觀反映微模芯的鑄層厚度分布,為微透鏡陣列電鑄模芯的精密制造提供參考。

        1 微電鑄仿真理論基礎

        微電鑄系統(tǒng)是由電源、金屬陽極、電解質(zhì)溶液、陰極四部分組成的閉合回路[16]。根據(jù)法拉第第一定律,鑄層厚度與電流的關系為:

        式中:h為鑄層厚度;Z為電化學當量;I為電流;a為陰極基底的表面積;ρ為金屬鎳的密度;η為電流效率;t為沉積時間。由上式可知:一定時間內(nèi),電沉積金屬層的厚度主要取決于陰極電流密度。陰極電流密度不均勻,會造成沉積層的厚度不均勻[17]。因此,利用有限元法求解描述電流場的偏微分方程,得到微電鑄體系的陰極電流密度分布,可以預測金屬沉積層的厚度均勻性,指導實際電鑄工藝設定。

        2 Ansys仿真分析

        2.1 建立模型

        根據(jù)微透鏡陣列模芯微電鑄實驗的實際工作情況建立模型,如圖1所示。微透鏡陣列母版的尺寸為20mm×20mm×1mm,表面分布有10×10的透鏡陣列。單透鏡基底的直徑為300μm,高度為45μm。陽極為65mm×55mm×3mm的電解鎳板。陰陽極間距為200mm,中間放置一塊絕緣材質(zhì)的屏蔽擋板。屏蔽擋板中心開設正方形孔,邊長為x,分別取x=16mm,20mm,24mm,28mm。屏蔽擋板到陰極的距離為10mm。微透鏡陣列鎳模芯的尺寸為16mm×16mm×1.5mm,因此,僅對16mm×16mm面積內(nèi)的陰極電流密度分布情況進行研究。

        圖1 使用屏蔽擋板的微電鑄系統(tǒng)模型

        2.2 劃分網(wǎng)格

        選用Hypermesh輸出網(wǎng)格,導入Ansys中進行數(shù)值計算。由于微透鏡與電鑄系統(tǒng)整體尺寸相差巨大,為節(jié)省計算時間,提高數(shù)值模擬效率,僅對微結構處的網(wǎng)格采用細化處理,保證網(wǎng)格平緩過渡,如圖2所示。

        圖2 Hypermesh處理的微電鑄系統(tǒng)模型網(wǎng)格

        2.3 確定邊界條件

        假設電鑄液中金屬離子的濃度處處相等,金屬的沉積速率僅與陰極電流密度有關。電鑄系統(tǒng)中邊界條件根據(jù)實驗設計情況而定,陽極與陰極之間施加4.5V電壓。系統(tǒng)中各材料的電阻率參數(shù),如表1所示。

        表1 電鑄系統(tǒng)中各材料的電阻率參數(shù)

        2.4 仿真結果分析

        以微透鏡陣列母版中心為基準,在其中心線左右兩邊各選取10個檢測點,間隔0.8mm。利用Ansys軟件求解陰極電流密度分布,預測微透鏡陣列模芯的厚度均勻性。未使用屏蔽擋板時,陰極電流密度呈現(xiàn)四周大、中間小的分布情況。模芯邊緣的陰極電流密度超過0.053 3A/cm2,而中心區(qū)域的僅為0.009 8A/cm2。陰極電流密度隨著向基底靠近而減小,透鏡底部的陰極電流密度最微弱,不利于電沉積的形核與結晶。

        為解決陰極邊緣與中心的電流密度偏差大的問題,在微電鑄系統(tǒng)中布置屏蔽擋板,仿真研究四種屏蔽擋板對陰極電流密度分布的影響。四組微透鏡陣列陰極母版邊緣處均存在較高的陰極電流密度,邊緣效應依舊存在,但相比于無屏蔽擋板時的而言,其均勻性均有明顯改善。當使用x=16mm的屏蔽擋板時,陰極電流密度分布較均勻。當x=20mm(即與陰極等大)時,均勻性得到進一步改善,陰極邊緣與中心處的電流密度差異進一步縮小。隨著x的繼續(xù)增大,均勻性開始變差,陰極中心處的電流密度持續(xù)降低,而邊緣處的電流密度逐漸增大。屏蔽擋板對電流起到一定的收束效果,電流矢量在屏蔽擋板邊緣處發(fā)生收攏、偏轉,繞過屏蔽擋板后向四周發(fā)散,屏蔽擋板方孔邊緣與陰極邊緣都具有明顯的電流集中現(xiàn)象。隨著方孔的增大,電流密度在屏蔽擋板邊緣的集中現(xiàn)象減弱,而在陰極邊緣的增強。

        圖3為陰極電流密度分布的數(shù)值模擬變化曲線。5條數(shù)值模擬的厚度曲線均呈兩邊厚、中心薄的馬鞍狀。相比而言,x=20mm時的曲線最為平整,鑄層邊緣與中心的陰極電流密度比為1.15;其次為x=16mm時的1.33;當x=24mm和28mm時,比值上升至1.53和1.74。而不使用屏蔽擋板時,這一比值則為2.03。因此,與未使用屏蔽擋板時的情況相比,合適的屏蔽擋板能顯著提高陰極電流密度分布的均勻性。

        圖3 陰極電流密度分布的數(shù)值模擬變化曲線

        3 實驗分析

        為驗證仿真優(yōu)化結果在模芯厚度均勻性方面的表現(xiàn),在電鑄實驗中使用x=20mm的屏蔽擋板,與無屏蔽擋板時的情況進行比較,觀察2組實驗樣品的厚度均勻性。采用平整的銅片作陰極;電源選用矩形脈沖電源,電壓為4.5V,占空比為24%,頻率為1 000Hz;陽極采用電解鎳板;屏蔽擋板用PVC制得。采用氨基磺酸鎳鹽型電鑄液,配方為:氨基磺酸鎳400g/L,氯化鎳10g/L,硼酸30g/L,潤濕劑2mL/L,增硬劑1mL/L。

        樣品電鑄完成后,洗凈烘干。用厚度測量儀測量鑄層各點的厚度,用影像測量儀觀察樣品中心截面的形貌。檢測發(fā)現(xiàn):不使用屏蔽擋板得到的電鑄樣品,其厚度分布極不均勻,兩邊明顯凸起,中心內(nèi)凹嚴重;而使用x=20mm的屏蔽擋板時,電鑄樣品厚度均勻,邊緣效應得到有效抑制。圖4為兩組樣品中心截面的形貌。樣品下方黃色部分為銅片基底,上部為電鑄鎳層。鑄層邊緣有輕微翹曲,這一現(xiàn)象可以通過適當添加去應力劑加以改善[18]。實驗證明:使用仿真方法得到的優(yōu)化結果,能有效改善鑄層厚度的均勻性。

        圖4 兩組樣品中心截面的形貌

        根據(jù)實驗仿真結果,在電鑄實驗中使用x=20mm的屏蔽擋板,電鑄時間120h,制作厚度為1.5mm的微透鏡陣列鎳模芯。圖5為微透鏡陣列母版及電鑄模芯的形貌。由圖5(d)可知:鎳模芯微結構輪廓清晰,表面光滑,與母版形貌一致。經(jīng)厚度測量儀檢測,模芯邊緣與中心的厚度比為1.42。

        4 結論

        (1)采用數(shù)值分析可觀察到陰極電流密度分布,預測鑄層厚度的變化趨勢。

        (2)電流邊緣效應導致微透鏡陣列電鑄模芯鑄層呈現(xiàn)四周厚、中心薄的形狀特點。屏蔽擋板能夠改善微透鏡陣列電鑄模芯的厚度均勻性。當屏蔽擋板的方孔與陰極母版等大時,模芯的厚度均勻性最佳,鑄層邊緣與中心的厚度比由無屏蔽擋板時的2.03縮減至1.15。

        圖5 微透鏡陣列母版及電鑄模芯的形貌

        (3)實驗結果與仿真結果吻合。使用x=20 mm的屏蔽擋板,能夠顯著提高厚度均勻性。實驗得到邊緣與中心的厚度比為1.42的微透鏡陣列鎳模芯。

        [1]李冠男,黃成軍,羅磊,等.微電鑄技術及其工藝優(yōu)化進展研究[J].微細加工技術,2006(6):1-5.

        [2]MCGEOUGH J A,LEU M C,RAJURKAR K P,etal.Electroforming process and application to micro/macro manufacturing[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2001,50(2):499-514.

        [3]李永海,丁桂甫,毛海平,等.LIGA/準LIGA技術微電鑄工藝研究進展[J].電子工藝技術,2005,26(1):1-5.

        [4]李曉建,朱冀梁,申溯,等.基于DMD微光刻的導光板模板的制作方法[J].應用光學,2009,30(4):669-673.

        [5]BAUER W,KNITTER R,EMDE A,etal.Replication techniques for ceramic microcomponents with high aspect ratios[J].Microsystem Technologies,2002,9(1):81-86.

        [6]李代兵.微透鏡陣列鎳模芯微電鑄工藝及表面質(zhì)量研究[D].長沙:中南大學,2011.

        [7]楊建明.電沉積分布均勻性改善技術的研究進展[J].材料保護,2010,43(4):38-42.

        [8]王星星,雷衛(wèi)寧,劉維橋,等.MEMS微器件電沉積層均勻性的研究進展[J].稀有金屬材料與工程,2011,40(12):2 245-2 250.

        [9]李加東,吳一輝,張平,等.掩模電鍍鎳微結構的鍍層均勻性研究[J].光學精密工程,2008,16(3):453-458.

        [10]杜春雷,周禮書,邱傳凱,等.衍射微透鏡列陣的研究與應用[J].光學技術,1998(3):17-22.

        [11]YANG H,KANG S.Improvement of thickness uniformity in nickel electroforming for the LIGA process[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2000,40(7):1 065-1 072.

        [12]劉海軍.微電鑄器件均勻性的研究[D].大連:大連理工大學,2006.

        [13]WEI Z,WANG Y Y,WAN C C,etal.Study of wetters in nickel electroforming of 3Dmicrostructures[J].Materials Chemistry and Physics,2000,63(3):235-239.

        [14]QU N S,CHAN K C,ZHU D.Surface roughening in pulse current and pulse reverse current electroforming of nickel[J].Surface and Coatings Technology,1997,91(3):220-224.

        [15]WONG K P,CHAN K C,YUE T M.A study of surface finishing in pulse current electroforming of nickel by utilizing different shaped waveforms[J].Surface and Coatings Technology,1999,115(2):132-139.

        [16]陳暉.微結構掩膜電鑄均勻性研究[D].上海:上海交通大學,2011.

        [17]李國鋒,王翔,何冀軍,等.微細電鑄電流密度的有限元分析[J].微細加工技術,2007(6):35-38.

        [18]CHOU M C,YANG H,YEH S H.Microcomposite electroforming for LIGA technology[J].Microsystem Technologies,2001,7(1):36-39.

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