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)
隨著MEMS技術的發展,微電鑄作為一種全新的微細加工技術,已經廣泛應用于信息、通信、國防、航空航天、醫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,實現了微型器件的批量化生產,對推廣其應用有重要意義[6]。然而,由于電沉積過程的內在特性,電鑄微模芯往往存在厚度分布不均的現象[7-9]。微透鏡陣列是微光學系統中的一個關鍵元件,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、增強液相傳質及優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]和優化電鑄工藝[13-15]兩方面。
本文以微光學系統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。
微電鑄系統是由電源、金屬陽極、電解質溶液、陰極四部分組成的閉合回路[16]。根據法拉第第一定律,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,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。
根據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模型
選用Hypermesh輸出網格,導入Ansys中進行數值計算。由于微透鏡與電鑄系統整體尺寸相差巨大,為節省計算時間,提高數值模擬效率,僅對微結構處的網格采用細化處理,保證網格平緩過渡,如圖2所示。
圖2 Hypermesh處理的微電鑄系統模型網格
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。電鑄系統中邊界條件根據實驗設計情況而定,陽極與陰極之間施加4.5V電壓。系統中各材料的電阻率參數,如表1所示。
表1 電鑄系統中各材料的電阻率參數
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的繼續增大,均勻性開始變差,陰極中心處的電流密度持續降低,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生收攏、偏轉,繞過屏蔽擋板后向四周發散,屏蔽擋板方孔邊緣與陰極邊緣都具有明顯的電流集中現象。隨著方孔的增大,電流密度在屏蔽擋板邊緣的集中現象減弱,而在陰極邊緣的增強。
圖3為陰極電流密度分布的數值模擬變化曲線。5條數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值模擬變化曲線
為驗證仿真優化結果在模芯厚度均勻性方面的表現,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。檢測發現: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。經厚度測量儀檢測,模芯邊緣與中心的厚度比為1.42。
(1)采用數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。
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