畢曉磊,程雪利

(1.河南工學(xué)院 機械工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.新鄉(xiāng)市增材制造工程技術(shù)研究中心,河南 新鄉(xiāng) 453003;3.河南省機電裝備數(shù)字化設(shè)計與制造工程技術(shù)研究中心,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 緒論

基于太赫茲波的太赫茲技術(shù)作為前瞻性、前沿性和戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域,已成為國內(nèi)外爭相搶占的科技制高點[1-2]。太赫茲波的發(fā)生、傳輸、接收、探測和成像等需要各種小型化、精密化太赫茲器件的支撐,而金屬或具有金屬表面的太赫茲微矩形腔體結(jié)構(gòu)因能實現(xiàn)更好的工作性能[3],被應(yīng)用于許多太赫茲器件,其精密加工制造也成為太赫茲技術(shù)研究的前沿和熱點[4]。

太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)腔體是典型的太赫茲微金屬矩形空芯腔體結(jié)構(gòu),其外層是金屬基體,中間有金、銀等金屬層[5],具有傳輸損耗低、柔性好和安全性高等優(yōu)點,應(yīng)用極為廣泛。隨著太赫茲技術(shù)的飛速發(fā)展,太赫茲技術(shù)的未來應(yīng)用將向高頻段即1 THz及以上頻段邁進。高頻段太赫茲器件的特征尺寸將進一步減小,對尺寸精度、表面粗糙度和加工圓角等技術(shù)指標的要求將更為嚴格。太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)腔體工作頻段較高時,加工指標要求極高,例如頻段為1 THz時,腔體端面尺寸要求為127μm×254 μm,腔體尺寸公差為±10 μm、表面粗糙度Ra≤0.4 μm、圓角半徑R≤30 μm、金屬層厚度大于1μm[6]。制備如此小端面尺寸的腔體并滿足這些技術(shù)指標要求,是對各類微加工技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)。

從現(xiàn)階段的研究來看,各種微加工技術(shù)對于太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)腔體的制造,通常是制備出表面金屬化的凹型微腔后與表面金屬化的蓋板進行組合封裝,最終形成太赫茲微矩形腔體結(jié)構(gòu)。研究人員基于該制造理念,先后利用DRIE 技術(shù)與表面濺射技術(shù)及表面電鍍技術(shù)結(jié)合[7]、基于SU-8光刻膠的UV-LIGA技術(shù)與表面濺射技術(shù)結(jié)合[8]、微細銑削技術(shù)[9]等,制備了凹型微腔與蓋板組合式的太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)腔體。然而,上述制造方法對于制備高精度、高表面質(zhì)量、小圓角半徑的高頻段太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)腔體尚存在一些問題。因此,迫切需要探究新的微加工技術(shù),解決高頻段太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)腔體的制造難題。

電化學(xué)制造技術(shù)包括基于陰極表面離子沉積的電化學(xué)沉積技術(shù)和金屬陽極材料溶解的電解加工技術(shù),由于具有不產(chǎn)生機械力作用、無工具損耗、無加工熱影響區(qū)、無熔融層微裂紋等優(yōu)勢,特別適合制造尺寸微小、尺寸精度高、表面質(zhì)量好、圓角半徑小的金屬微結(jié)構(gòu)。針對微小金屬零件制造有代表性的電化學(xué)制造技術(shù)有微細電化學(xué)沉積技術(shù)和微細電解線切割加工技術(shù)等[10-11]。已有研究人員利用微細電化學(xué)沉積技術(shù)實現(xiàn)了頻段大于1 THz的太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔的制造,但其方法制備的犧牲芯模精度較低、表面粗糙度較高,限制了該方法制備高質(zhì)量、高頻段的太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)腔體[12]。本文在此基礎(chǔ)上,開展基于微細電解線切割加工技術(shù)制備犧牲芯模并結(jié)合電化學(xué)沉積技術(shù)進行1 THz微金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔的電化學(xué)制造研究,為高頻段、高質(zhì)量的太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)腔體制造提供支撐。

1 太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔電化學(xué)制造技術(shù)原理

本文提出的基于微細電解線切割加工犧牲芯模的太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔電化學(xué)制造技術(shù),其總體制造工藝方案如圖1所示。其中主要包括五個步驟:(1)犧牲芯模微細電解線切割加工,如圖1(a)所示;(2)犧牲芯模表面電化學(xué)沉積金層,如圖1(b)所示;(3)犧牲芯模表面電化學(xué)沉積金層表面電化學(xué)沉積銅層,如圖1(c)所示;(4)有機玻璃包裹輔助拋磨去除工件單面的電沉積金層及銅層,直至裸露出具有良好上表面質(zhì)量的犧牲芯模,如圖1(d)所示;(5)刻蝕去除電化學(xué)沉積銅層、犧牲芯模直至電沉積銅層及犧牲芯模被完全刻蝕干凈,獲得純金太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔,如圖1(e)所示。

圖1 太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔電化學(xué)制造工藝方案

上述過程中,犧牲芯模的尺寸精度、表面質(zhì)量和圓角半徑等技術(shù)指標由微細電解線切割加工技術(shù)的工藝參數(shù)來保證;金層的厚度和質(zhì)量由電化學(xué)沉積金層的工藝參數(shù)來保證;銅層的厚度由電化學(xué)沉積銅層的工藝參數(shù)來保證;凹型微腔的腔體高度由精密拋磨來保證。由于金具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),不溶于大多數(shù)刻蝕劑,因此本文提出的方法中犧牲芯?？蛇x擇的材料廣泛,只要有對應(yīng)的刻蝕劑即可。

本文提出的方法可以實現(xiàn)高頻段的太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)凹型腔體的制造。由于微細電解線切割加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)端面尺寸為數(shù)百微米甚至數(shù)十微米的犧牲芯模制備,因此本文提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)端面尺寸為數(shù)百微米甚至數(shù)十微米的太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)凹型腔體制造,這種尺度的端面尺寸對應(yīng)了高頻段太赫茲微矩形波導(dǎo)腔體的端面尺寸。

此外,本文提出的方法還可以實現(xiàn)高質(zhì)量的太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)凹型腔體的制造。由于微細電解線切割加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高尺寸精度、小表面粗糙度、小圓角半徑的犧牲芯模加工,因此在犧牲芯模外表面電沉積金層后,犧牲芯模外表面形貌能被電沉積金層的內(nèi)表面復(fù)制,犧牲芯?？涛g后,可以獲得具有較高尺寸精度、較小腔體表面粗糙度和較小腔體圓角半徑純金凹型微腔。

2 結(jié)果及討論

2.1 犧牲芯模微細電解線切割加工

由于鎳材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,本文選擇鎳作為犧牲芯模材料。鎳犧牲芯模微細電解線切割加工參照文獻[13]中的實驗系統(tǒng)及參數(shù)進行,實驗使用的線電極為直徑20 μm的鎢絲,工件為厚度130 μm的純鎳板。加工開始前,鎳板上下表面使用10,000目的砂紙進行拋磨,拋磨后厚度約為125 μm并用去離子水和酒精進行超聲清洗。實驗采用工件振動和線電極運絲的方式進行傳質(zhì),結(jié)合本文中的純鎳板厚度及實驗需求,參考文獻[13]并在前期預(yù)先實驗的基礎(chǔ)上,本文中所選取的實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗采用的加工參數(shù)

圖2(a)為利用表1的加工參數(shù)進行微細電解線切割加工后,獲得的長度約為6mm、對應(yīng)于1 THz金屬矩形波導(dǎo)腔體端面尺寸127 μm×254 μm的純鎳犧牲芯模加工結(jié)果。圖2(b)、2(c)、2(d)分別為在犧牲芯模長度方向上隨機選擇測量位置進行矩形芯模加工寬度、加工表面粗糙度及加工圓角半徑的測量示例。表2為各個加工指標對應(yīng)的測量結(jié)果。

表2 鎳犧牲芯模長度方向上加工指標隨機測量結(jié)果

(a)加工結(jié)果SEM整體觀測示例

2.2 犧牲芯模表面電化學(xué)沉積金層

電沉積金層實驗所使用實驗平臺、溶液配方以及電沉積金層實驗參數(shù)參照文獻[12]開展。根據(jù)本文提出的太赫茲微金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔電化學(xué)制造工藝方案,步驟5將會對犧牲芯模進行化學(xué)刻蝕去除。當(dāng)電沉積金厚度較小時,后續(xù)的鎳犧牲芯?？涛g過程中容易造成金層斷裂,當(dāng)金層厚度較大時,實驗成本較高。因此,實驗研究了金層厚度和電沉積金層的關(guān)系,通過對電沉積金層后工件端面拋磨出的輪廓進行測量,得出了具體結(jié)果,如圖3所示。可以看出,隨著電沉積時間的增加,金層的厚度呈線性增加。當(dāng)電沉積金進行4 h 后,觀測發(fā)現(xiàn)金層厚度大于20 μm,當(dāng)電沉積金時間為5 h時,金層厚度接近30 μm。為了保證金層有足夠的厚度以避免刻蝕時損壞金層,本文中提出的方法電沉積金層時間一般大于4 h。

圖3 金層厚度隨電沉積時間的變化

電沉積金層完成后,將工件從電沉積溶液中取出,通過肉眼即可觀察到鎳犧牲芯模表面電沉積金層呈現(xiàn)發(fā)亮的金黃色。使用去離子水和無水乙醇將其清洗干凈,而后對鎳犧牲芯模的電沉積金層結(jié)果進行整體形貌和局部形貌的觀察,發(fā)現(xiàn)鎳犧牲芯模表面的電沉積金層致密,金層表面無氣孔、結(jié)瘤等缺陷,如圖4所示。

(a)整體形貌

2.3 犧牲芯模表面電化學(xué)沉積金層表面電化學(xué)沉積銅層

電沉積銅開始前,需要將工件依次用去離子水和無水乙醇進行清洗。電沉積銅仍采用低主鹽高硫酸電沉積銅體系,電沉積銅層所使用實驗平臺、溶液配方以及電沉積銅層實驗參數(shù)參照文獻[12]開展,銅層厚度可以根據(jù)電沉積所用時間進行調(diào)整,電沉積時間一般約為36 h左右。圖5為鎳犧牲芯模表面電化學(xué)沉積金層表面電化學(xué)沉積銅層的結(jié)果。

(a)整體形貌

2.4 有機玻璃包裹輔助拋磨去除犧牲芯模上表面金層及銅層

由于上述電鑄銅后的工件尺寸仍然非常微小,因此直接拋磨時,拋磨效果較差,無法均勻地去除矩形芯模上表面的電鍍金層及電鑄銅層。本步驟中利用有機玻璃將其包裹后形成基體,借助于基體進行拋磨,將矩形芯模上表面的電沉積金層及電沉積銅層均勻地拋磨掉,并通過實時觀測控制拋磨時犧牲芯模的厚度。

將有機玻璃即亞克力樹脂粉及亞克力固化劑按照比例調(diào)配成粘稠狀后迅速將2.3中的工件放入其中,固化2h后進行拋磨,拋磨結(jié)果如圖6所示。

(a)整體形貌

2.5 犧牲芯模及電鑄銅層的去除

本步驟主要通過刻蝕劑蝕除犧牲芯模,同時將電沉積金層和有機玻璃基體之間的電鑄銅層蝕除,從而使得純金太赫茲金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔從有機玻璃基體上脫離。

由于犧牲芯模的材料為純鎳,本步驟中的刻蝕劑選用TFG鎳蝕刻劑。將2.4中拋磨后的工件放入TFG鎳蝕刻劑中,采用水浴加熱的方法使刻蝕溫度保持在65 °C,以6 h為一個刻蝕周期,每刻蝕6 h后,超聲波震蕩120 s,更換刻蝕劑再次刻蝕,連續(xù)刻蝕36 h后,即可發(fā)現(xiàn)純鎳犧牲芯?；旧媳晃g除。然而純金太赫茲金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔并未從有機玻璃基體上脫離,當(dāng)繼續(xù)刻蝕36 h后發(fā)現(xiàn)二者分離,電鑄銅層被蝕除。這可能因為純鎳犧牲芯模被逐漸蝕除后,TFG鎳蝕刻劑與純銅發(fā)生了作用,從而導(dǎo)致了電鑄銅層的蝕除。

圖7(a)為最終獲得的長度約為5mm的純金太赫茲金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔。圖7(b)為隨機選取測量位置進行太赫茲金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔寬度和高度的測量示例。圖7(c)為太赫茲金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔腔體內(nèi)部隨機選取測量位置進行表面粗糙度的測量示例。圖7(d)為腔體內(nèi)部隨機選取測量位置進行凹型微腔體內(nèi)部加工圓角半徑的測量示例。表3為各個測量指標對應(yīng)的測量結(jié)果。

表3 凹型微腔長度方向上加工指標隨機測量結(jié)果

(a)加工結(jié)果SEM整體HT觀測示例

根據(jù)圖1中提出的工藝方案,結(jié)合圖2及圖7,凹型微腔的寬度對應(yīng)了犧牲芯模的寬度,凹型微腔的高度對應(yīng)了犧牲芯模的厚度,凹型微腔的底面對應(yīng)了犧牲芯模的拋磨表面,凹型微腔的側(cè)面對應(yīng)了犧牲芯模的切割表面,凹型微腔的內(nèi)部圓角對應(yīng)了犧牲芯模的外部圓角。對比表2和表3中的測量結(jié)果,可以證明犧牲芯模的具體尺寸、表面形貌、圓角等被純金太赫茲金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔精確復(fù)制。數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明,最終獲得的純金太赫茲金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔加工指標滿足1 THz金屬矩形波導(dǎo)的技術(shù)指標要求。

3 結(jié)論

(1)利用電化學(xué)組合制造技術(shù)實現(xiàn)了端面尺寸為124.3μm×253.2μm、表面粗糙度為Ra<0.1μm、圓角半徑為R<8μm、頻段對應(yīng)于1 THz的太赫茲金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔的制造。

(2)對比犧牲芯模加工后的測量結(jié)果和凹型微腔的測量結(jié)果,可以得出犧牲芯模的尺寸、表面形貌、圓角等被凹型微腔精密地復(fù)制。凹型微腔的測量結(jié)果表明本文提出的電化學(xué)制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、高頻段的太赫茲金屬矩形波導(dǎo)凹型微腔制備。

(責(zé)任編輯 呂春紅)