精密電鑄模芯厚度均勻性的調控

楊忠豪 蔣炳炎 馬志高 楊 迪 張 露

1.中南大學機電工程學院,長沙,4100832.極端服役性能精準制造全國重點實驗室,長沙,410083

0 引言

微流控芯片能將傳統的生物實驗[1]、化學實驗[2]設備微縮到一個小型芯片系統上,在疾病診斷、藥物篩選等領域具有廣闊的應用前景[3]。注射成形技術可實現復雜聚合物零件的低成本、批量化生產,對推動微流控芯片的科學研究與產業發展具有重要作用[4-5]。微流控芯片的精密注射成形依賴于高性能模芯的制造,微電鑄技術利用電化學沉積的方法成形具有表面微結構的金屬零件,復制精度高,可一次成形含復雜特征的表面,在精密模芯的制造上具有無可比擬的優勢[6-9]。電沉積過程中,鑄層厚度分布的不均現象(主要表現為鑄層邊緣厚度顯著大于中心厚度)會降低模芯的尺寸精度,影響模芯在注射模具中的裝配[10]。

電鑄層厚度分布不均勻主要由陰極表面電流密度分布不均勻導致。為改善電鑄層厚度的均勻性,人們提出了輔助陰極[11]、優化陽極形狀[12]、絕緣屏蔽[13]、輔助攪拌[14]、脈沖反向電成形[15]、超聲和兆聲[16]、優化工藝參數[17]等方法。PARK等[18]發現電鑄層在整個沉積區域內呈凹形分布,電鑄層邊緣的厚度幾乎是中心的2倍。ZHAO等[19]采用類似模芯局部微觀結構的共面輔助陰極制作電成形模芯,將電模模芯的厚度均勻性提高53.2%。馬鑫等[13]通過仿真和實驗研究了不同尺寸的屏蔽擋板對電鑄微模芯厚度均勻性的影響,電鑄120 h制備出1.5 mm 厚度微透鏡陣,模芯厚度不均勻性為34%。ZHANG等[20]采用變電流密度、陰極旋轉和屏蔽擋板相結合的方式,制備出直徑80 mm、厚度500 μm、不均性8%的鎳鑄層。屏蔽擋板具有結構簡單、無需設計陰極和陽極、無材料浪費和無效率降低的優點,常被用于優化陰極表面的電場分布[21]。

采用屏蔽擋板只能在一定程度上抑制鑄層邊緣的過度生長,并不能改變鑄層內凹的問題,且1 mm以上注射模芯的問題更為明顯。因此,本文借鑒屏蔽擋板的思想,設計了一種帶有側邊凹槽的夾具來抑制陰極表面電流的集中,從而解決鑄層內凹的問題。結合屏蔽擋板,進一步優化整個陰極表面的電場分布,從而獲得具有高度厚度均勻性的注射模芯。

1 理論分析

1.1 側邊凹槽電鑄技術的工作原理

側邊凹槽電鑄技術采用屏蔽擋板的原理,在陰極夾具和陰極模芯接觸的位置開設一個側邊凹槽,如圖1a所示。該槽可以顯著減少電場線在陰極邊緣的聚集。通過抑制陰極邊緣的電場,減小陰極邊緣處電鑄層的厚度,模芯鑄層厚度大于1 mm的效果更加顯著。傳統的夾具不帶有側邊凹槽,如圖1b所示,電場線在陰極邊緣的集中嚴重降低了電鑄層的均勻性和電流的利用效率。為進一步提高鑄層厚度的均勻性,在側邊凹槽上方增加絕緣屏蔽擋板,提高整個模芯電鑄層厚度的均勻性。在噴射流和旋轉的作用下,陰極可以得到即時的離子補充,同時快速排出吸附在陰極表面上的H2,從而減少鑄層表面的氣泡,提高電鑄層表面的光潔度。

(a)夾具式側邊凹槽電鑄 (b)無側邊凹槽電鑄

1.2 厚度均勻性仿真模型

微電鑄系統是由電源、金屬陽極、電解質溶液、陰極組成的閉合回路,根據法拉第第一定律,電鑄層厚度與電流的關系為

(1)

式中,σt為電鑄層厚度,μm;Z為電化學當量,g/(A·h);j為電流密度,A/dm2;ρ為金屬鎳的密度,g/cm3;η為電流效率;t為沉積時間,h。

由式(1)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。陰極表面的電流密度不均勻會造成電鑄層的厚度不均勻。為研究陰極表面的電流密度分布,利用COMSOL軟件建立了回轉體幾何模型。在確保與實驗條件一致的前提下,對幾何模型進行適度的簡化,如圖2所示。

圖2 陰極局部電流密度仿真模型

本研究主要關注宏觀尺寸下模芯基底層的厚度不均勻性。在旋轉攪拌和沖液攪拌的共同作用下,電鑄層表面的離子濃度被認為是均勻的,因此,可以忽略濃差極化對電流密度的影響,采用電鍍模塊中的二次電流分布,仿真只考慮幾何因素與極化現象對電流密度分布的影響。局部電流密度由Butler-Volmer方程表征:

(2)

式中,iloc、i0分別為局部電流密度和交換電流密度;φ為過電位,φ=φs-φι-Eeq;φs、φι、Eeq分別為陰極表面電位、電解質電位和平衡電位;αa為陽極電荷轉移系數;αc為陰極電荷轉移系數。

仿真模型的參數來自文獻[10,19],并根據實驗條件進行調整,詳見表1。

表1 仿真中使用的物理數據和模型參數

在二次電流分布的基礎上,進一步增加變形幾何模塊,其中,陰極邊界設為自由變形邊界,其余邊界為固定邊界。隨著電鑄過程的進行,陰極表面形貌發生變化會導致表面電流密度分布發生變化,進而研究形貌變化對陰極局部電流密度均勻性與鑄層厚度均勻性的影響。

2 實驗

2.1 實驗裝置

圖3為MER080精密電鑄裝置示意圖,裝置包括電鑄模塊、電鑄液溫度控制模塊、陰極旋轉控制模塊、電鑄液循環過濾模塊、給電模塊。電鑄模塊包括電鑄槽和陰極夾具,電鑄槽內裝有氨基磺酸鎳溶液,以及與陰極對應的陽極;在陰極夾具與陰極接觸邊緣開設側邊凹糟以抑制電流在鑄層邊緣的聚集;電鑄槽內設置斜沖液口(對準陰極表面并使電鑄液沖擊陰極)。磁力泵和過濾器去除電鑄過程中產生的雜質,并給斜沖液口提供動力。電機控制器控制電機帶動陰極夾具做循環正反轉運動。

(a)實物圖

2.2 實驗方法

電鑄陰極為直徑50 mm、厚2 mm的304不銹鋼板,其中,陰極中心為直徑37 mm的鎳沉積區域,直徑37～50 mm的圓環區域連接導電框,以此實現陰極電路的導通。不銹鋼基板在電鑄前需先除油,再放入去離子水中清洗。電鑄過程中,陽極會產生雜質,為阻止陽極產生的雜質進入電鑄液,將陽極袋(裝有去離子水沖洗的鎳珠)裝入陽極夾具。電鑄完成后,分離陰極和夾具并一起放入去離子水沖洗,接著用氮氣吹干鑄層表面。實驗采用的氨基磺酸溶液其化學組分見表2。

表2 鎳電形成過程中的電解質化學成分以及實驗條件

采用4 A/dm2直流電源電鑄125 min后,鑄層理論厚度為100 μm,本研究3個固定實驗參數、1個變化實驗參數下的鑄層厚度不均勻性隨沉積厚度的變化規律,側邊凹槽高度、屏蔽擋板開口半徑、屏蔽擋板至陰極的距離、鑄層理論厚度等實驗參數見表3。

表3 電鑄實驗工藝參數表

2.3 鑄層厚度不均勻性測量

如圖4所示,采用數字螺旋測微器測量鑄層19個位置(含中心點A0)的徑向厚度,其中,每個位置的間距為1 mm。將每個位置8個方位測量值B1、B2、…、B8的平均值Bavg作為該位置的厚度,采用同樣操作獲得其他位置的厚度Cavg、Davg、…、Savg。電鑄層厚度的不均勻性由厚度的相對偏差表示:

(a)鑄層測試分區

(3)

式中,Hmax、Hmin分別為19個測量點厚度的最大值和最小值。

2.4 電沉積利用率的計算

傳統的電鑄成形中,鑄層內凹,降低了中心區域的電沉積利用率,如圖5所示。為改善這一情況,筆者采用增加側邊凹槽的方法來抑制鑄層邊緣的過度生長,提高鑄層中心區域的電沉積利用率。改進后,鑄層的厚度分布得到優化,在保持鑄層厚度不變的同時,實現了中心區域電沉積利用率的提高。電沉積利用率為其中,r1、r2分別為鑄層取值處的內圓半徑和外圓半徑;f(r)為鑄層厚度在半徑方向分布的多項式擬合曲線,本文采用的是9次多項式,擬合精度R2>0.995。

圖5 鑄層厚度分布示意圖

(4)

3 結果與討論

3.1 側邊凹槽高度對鑄層厚度均勻性的影響

通過仿真模擬和實驗,本文研究了側邊凹槽的高度對鑄層厚度均勻性的影響。圖6a展示了陰極表面局部電流密度在徑向的分布情況,可以發現,側邊凹槽具有抑制邊緣電場線的作用,且抑制效果隨著側邊凹槽高度的減小而增強。側邊凹槽高度為0.5 mm時,電流密度最大值為4.17 A/dm2,但邊緣電流密度僅為3.38 A/dm2,抑制效果明顯。圖6c、圖6d直觀顯示了側邊凹槽對邊緣電場的抑制效果。圖6b所示為實驗結果,可見鑄層在邊緣的厚度隨側邊凹槽的高度減小而減小。該規律與局部電流密度的分布規律一致,即電流密度大的位置鑄層厚度較大,電流密度小的位置鑄層厚度較小。因此,側邊凹槽的存在解決了傳統電鑄過程中鑄層內凹的問題。仿真結果和實驗結果一致,驗證了仿真結果的可靠性,為后續的實驗研究提供了依據。

(a)局部電流密度的徑向分布

仿真研究還發現陰極局部電流密度分布的不均勻性隨半徑增大而增加,且電流密度在陰極中心的不均勻性遠小于在整個陰極的不均勻性,如圖7a所示。側邊凹槽高度g<2.0 mm時,邊緣凹槽對電場線的抑制作用明顯,電流密度分布的不均勻性在距離陰極邊緣2.5mm處急劇增加;g>2.0 mm時,邊緣凹槽對電場的抑制效果減弱,電流密度分布的不均勻性在在距離陰極邊緣2.5 mm處不再增加。為盡可能提高鑄層的電沉積利用率并減小使用區域的鑄層厚度不均勻性,結合仿真研究和實際模芯尺寸,將半徑16.0 mm的中心平坦區域作為優化對象。由圖7b所示的研究結果發現,側邊凹槽可以有效提高中心區域的電沉積利用率,降低邊緣區域的電沉積利用率,縮短模芯的制備周期。中心鑄層的厚度均勻性隨側邊凹槽高度的增大呈現先減小、后增大的趨勢。側邊凹槽高度g=3.0 mm時,厚度不均勻性最小,為13.19%;中心區域電沉積利用率為100.20%,邊緣區域電沉積利用率為99.42%,改善效果不明顯。綜合考慮電沉積利用率和厚度,將側邊凹槽高度g=1.5 mm作為后續研究的基準。此時,鑄層厚度的不均勻性為16.49%,中心電沉積利用率為102.35%,邊緣區域為93.04%。

(a)局部電流密度分布不均勻性的徑向分布

3.2 屏蔽擋板對鑄層厚度均勻性的影響

側邊凹槽雖然可以抑制電場陰極邊緣的集中,但對鑄層厚度均勻性的改善并不明顯。為進一步提高鑄層厚度的均勻性,在側邊凹槽的基礎上引入了屏蔽擋板來調控中心區域電流密度的分布。

3.2.1屏蔽擋板開口半徑對鑄層厚度均勻性的影響

屏蔽擋板開口半徑對陰極表面電流密度分布和鑄層厚度分布影響的仿真模擬中,調整屏蔽擋板的開口半徑rh,并保持其他參數不變(h=9 mm,g=1.5 mm),實驗采用相同的參數。圖8a、圖8b展示了仿真結果和實驗結果的高度一致性。圖8c中,隨著屏蔽擋板開口半徑的減小,陰極邊緣局部電流密度進一步降低,這使得邊緣區域的電沉積利用率降低、中心區域的電沉積利用率提高,進一步縮短模芯的制備周期。如圖8d所示,調整屏蔽擋板開口半徑可以優化陰極表面局部電流密度,減小鑄層厚度的不均勻性。從仿真結果看,rh<16.5 mm時,電場線集中在陰極中心,且陰極中心的電流密度隨開口半徑的增大而減小,減小了局部電流密度分布的不均勻性。rh>16.5 mm時,隨著開口半徑的增大,陰極中心的電流密度減小,邊緣的電流密度增大,導致局部電流密度分布的不均勻性增大。rh=16.5 mm時,局部電流密度的不均勻性最小,為3.23%。從實驗結果上看,鑄層的厚度不均勻性隨著開口半徑的增大先減小、后增大。實驗和仿真結果都得出了相同的規律,屏蔽擋板的開口半徑為15.5 mm時,鑄層的厚度不均勻性最小,為4.28%,相比于沒有屏蔽擋板時的16.49%,電鑄層的厚度分布均勻性得到了顯著改善。

(a)局部電流密度在徑向的分布

3.2.2屏蔽擋板與陰極距離對鑄層厚度均勻性的影響

圖9展示了屏蔽擋板到離陰極的距離h改變時陰極表面的電流密度分布情況。實驗和仿真采用相同的參數,即rh=14.5 mm和g=1.5 mm。根據仿真研究結果可知,隨著h的增大,陰極中心的電流密度逐漸減小,邊緣的電流密度逐漸增大。這種變化的原因是距離增大導致屏蔽擋板對邊緣電場的抑制作用減弱。圖10a顯示了徑向的鑄層厚度隨h變化的規律,可以觀察到,中心區域的厚度隨著h的增加而減小,邊緣區域的厚度隨h的增加而增大。圖10b展示了鑄層厚度分布和陰極表面局部電流密度分布的不均勻性隨h的變化。h<12 mm時,陰極中心區域的鑄層厚度大于邊緣區域的厚度;隨著h的增大,中心區域的厚度逐漸減小,邊緣區域的厚度逐漸增大,減小了鑄層的厚度不均勻性。h>12 mm時,陰極中心區域的鑄層厚度小于邊緣區域的厚度;隨著h的增大,中心區域的厚度減小,邊緣區域的厚度增大,導致厚度不均勻性增大。h=12 mm時,鑄層的厚度不均勻性最小,為4.78%。仿真結果顯示,h=15 mm時,局部電流密度的不均勻性最小,為3.23%。仿真和實驗結果基本一致,鑄層厚度及局部電流密度分布的不均勻性均隨屏蔽擋板與陰極距離h的增大而先減小、后增大。調整屏蔽擋板的直徑和擋板與陰極的距離可實現陰極表面電流密度的優化,進一步減小中心區域鑄層的不均勻性,提高中心區域的電沉積利用率。

(a)鑄層厚度在徑向的分布

3.3 鑄層厚度對鑄層厚度均勻性影響

隨著鑄層厚度的增大,鑄層的厚度不均勻性增大。由圖11a所示的結果可知,鑄層厚度與不均勻性正相關。無屏蔽擋板的情況下,鑄層厚度為0.1 mm時,不均勻性為16.49%;鑄層厚度增加到1.1 mm時,不均勻性達到24.56%,增加了8.07%。在優化條件一(g=1.5 mm,rh=14.5 mm,h=12 mm)下,鑄層厚度0.1 mm的不均勻性為4.78%,鑄層厚度1.1 mm的不均勻性為7.81%。不均勻性增大的主要原因是電場線在電鑄過程中逐漸聚集。圖11b顯示,隨著電鑄的進行,中心區域的局部電流密度減小,邊緣區域的局部電流密度增大,且電流密度在電流密度大的區域進一步增大,在電流密度小的區域進一步減小。為減緩厚度不均勻性增長的速度,應優化初始陰極表面的電流分布,本文通過側邊凹槽和屏蔽擋板來優化電場。優化后,鑄層厚度的不均勻性及其增長值均減小。圖11c、圖11d分別展示了優化條件一下鑄層厚度的變化及鑄層電沉積利用率的變化。研究表明,隨著鑄層厚度的增大,邊緣區域的電沉積速率降低,電沉積利用率下降,而中心區域的利用率無明顯變化。圖12對比展示了優化前后的鎳模芯沉積結果,優化后的鑄層表面平整光潔,鑄層厚度不均勻性7.81%在10%以內,滿足微混合器注射模芯的使用需求。

(a)無側邊凹槽、有屏蔽擋板 (b)有側邊凹槽,無屏蔽擋板 (c)有側邊凹槽、有屏蔽擋板

3.4 精密模芯的電鑄成形

以微混合器芯片為研究對象,采用光刻和精密電鑄工藝制備了該芯片的模芯。制備微混合器芯片母模采用的光刻工藝包括硅片前處理、涂膠、曝光、顯影、刻蝕和去膠等步驟,并在真空鍍膜儀Leica EM ACE200中進行導電化處理。將母模置于陰極夾具中,采用優化后的工藝條件,在MER080精密電鑄設備進行微混合器注射模芯的電鑄成形。圖13a～圖13d為微混合器注射模芯的成形實物圖以及超景深下微通道的輪廓檢測圖。模芯鑄層厚度的徑向分布,厚度最大值為1086 μm,最小值為1009 μm,厚度不均勻性為7.35%,如圖13e所示。根據表4的數據可知,鎳模芯微結構的寬度最大誤差為7.51%,深度最大誤差為4.67%。該研究中,微混合器注射模芯的整體微結構復制誤差小于10%,鑄層厚度的均勻性誤差小于10%,這表明采用的電鑄工藝在微混合器注射模芯的制備過程中具有可靠性。

表4 微混合器注射模芯尺寸及誤差

(a)電鑄鎳模芯 (b)十字形通道

4 結論

設計了一種帶有側邊凹槽的陰極夾具,并結合屏蔽擋板工藝,成功實現了微混合器注射模芯的精密電鑄成形。通過仿真和實驗研究了關鍵工藝參數(側邊凹槽高度、屏蔽擋板開口半徑、屏蔽擋板與陰極的距離)對電鑄模芯厚度均勻性的影響。研究結果表明,夾具側邊凹槽能夠有效地解決傳統電鑄中的鑄層邊緣(2.5 mm)處電場集中導致的電鑄內凹問題,制備了中間區域較厚、邊緣區域較薄的鎳模芯,提高了中心區域鑄層的電沉積利用率。在側邊凹槽的基礎上添加屏蔽擋板可優化陰極表面的電流密度分布,制備的模芯(rc=16.0 mm)厚度約1.1 mm,不均勻性僅為7.35%,滿足了微混合器注射模芯的使用要求。電鑄實驗驗證了數值模擬能有效預測沉積厚度的變化趨勢。