CN102864472B - 一种微射流电铸喷头 - Google Patents

Abstract

一种微射流电铸喷头，包括具有空腔的喷头体，喷头体上设有进液接口、进气接口，喷头体的空腔内设有与进液接口连接的喷管，喷口外可拆卸密封连接有喷头帽，喷头帽上开设有导流孔，喷口、喷管和导流孔的中心线重合，导流孔的入口端面与喷管的出口端面具有间隙，喷头体上设有伸入到空腔内并与喷管连接的导电对心微调机构，所述空腔内充满惰性压力气体。本发明突破了依靠缩小孔径和优化喷头几何结构获取微细射流的传统思维，采用辅助高速气流的方法来聚焦和加速液流束，克服传统方法在几何结构和加工实现方面的限制，降低了加工成本，大幅度减小了极限射流束直径，增大了有效稳定等径射程，增强了射流电铸的工艺能力并提高了电铸层/件的性能品质。

Description

一种微射流电铸喷头

技术领域

本发明涉及一种射流电铸加工用喷头，尤其涉及一种微射流电铸喷头。

背景技术

电铸是一种基于电化学沉积原理实施金属层/件制备的特种加工技术。因具有能复制精细纹路、工艺成本低、材料选择性大、适用尺度范围大等优势，常用于精密、微细、异形等金属结构与零件的制造。电铸加工可分为有模电铸与无模电铸两种。相比而言，直接通过阴极或阳极诱导控制金属层生长的无模电铸因具有无需特制芯模、金属层可三维自由生长等特点，在制造三维复杂金属微细结构方面有很好的发展前景。典型的无模电铸有射流电铸、局部诱导电沉积(Localized Electrochemical Deposition，LECD)等。其中，射流电铸用喷头将电铸液直接喷射在阴极上来沉积金属层/件，由于具备沉积速度快、易于控制等特点，更受业界关注。目前，射流电铸所用喷头的结构大都与高压水射流喷头相同或相似，主要依靠喷头内导流部分的聚焦作用和出口孔的定(直)径定形作用，在压差驱动下把流体喷射出去。这种喷头所喷出的流速直径、有效射程与扩散程度除了与流体性质、压差等因素有关外，更主要取决于喷头内导流部分的几何结构特征(如入口直径、收缩角、收缩段长度和圆柱长度等)和出口孔的几何特征参数(如孔径等)。一般而言，导流部分圆柱段越长，孔径越小，所喷射出的射流越细，扩散程度越小。显然，基于这种喷头，无法获得比出口孔径更细的射流束。为了获得直径更细、扩散角更小的等径射流，必须加长圆柱段长度并缩小孔径，这就需要在喷嘴内形成具有超大深径比的微小孔结构。而超大深径比微小孔的加工难度极大，常常是业界无法获得稳定微细射流的主要制约因素。更何况，受微尺度效应的影响，当孔径小到一定程度时，大深径比喷孔内的流体因受巨大表面张力、粘性力等的阻滞作用，极难获得束径数微米以下且等径性好的长射程微细射流。

从工艺效果的角度上看，射流的直径越小，等径射程越长，越有利于电铸出特征尺寸小、精度高、形貌质量好的金属微细结构与零件，且定域性（获得的最小铸斑直径与最小射流直径的比值，比值越小，定域性越好）也更好。然而，基于常规结构特征的喷头，极难获得高品质(射流直径小至极数微米，等径射程大，流速较高)的微细射流，制约了射流电铸技术的深化应用，如应用于高集成度芯片的布金属线工艺。此外，基于上述传统结构喷头所喷射的射流实施电铸时，由于沉积金属层易于与周围环境中的氧气接触，使得一些易氧化金属的电铸层常含有氧化物杂质，降低了电铸层/件的形貌质量和性能。综上，有必要提供一种能获得极微细(直径数微米)射流、大等径射程、较高流速、更好工艺质量 (形貌质量、定域性好，氧化物杂质少等)的微射流电铸喷头。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种能获得束径小至数微米、大等径射程、较高流速、更好工艺质量的微射流电铸喷头。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种微射流电铸喷头，包括具有空腔8的喷头体3，喷头体3上设有进液接口1、进气接口2，所述喷头体3的空腔8内设有与进液接口1连接的喷管7，喷口4外可拆卸密封连接有喷头帽5，喷头帽5上开设有导流孔6，喷口4、喷管7和导流孔6的中心线重合，导流孔6的入口端面与喷管7的出口端面具有间隙，喷头体3上设有伸入到空腔8内并与喷管7连接的导电对心微调机构，所述空腔8内充满惰性压力气体。

所述导电对心微调机构包括夹持体9、X向接线柱12-2、Y向接线柱12-5、X向连接杆12-3、Y向连接杆12-6，夹持体9夹持在喷管7外壁，X向接线柱12-2和Y向接线柱12-5分别设在喷头体3外壁上，X向连接杆12-3和Y向连接杆12-6的内端分别通过一个连接销钉12-1与夹持体9可拆卸连接，X向连接杆12-3和Y向连接杆12-6的外端穿过喷头体3分别与X向接线柱12-2和Y向接线柱12-5固定连接，X向连接杆12-3和Y向连接杆12-6垂直设置，X向连接杆12-3和Y向连接杆12-6上分别套装有一个位于夹持体9和喷管7内壁之间的压缩弹簧12-4。

所述喷管7内径D不大于1mm。

所述导流孔6直径d不大于1mm，导流孔6直径d小于喷管7内径D。

所述导流孔6的深度 不大于1mm。

所述喷管7材质为钛、铂或其他惰性金属，且喷管7除出液口端面及与夹持体9相配合的部分外其余外周壁均被电绝缘处理。

所述喷头体3及喷头帽5的材质为电绝缘材料。

所述接线柱12-2、连接杆12-3及夹持体9之间为电导通连接。

所述喷头体3上设有与空腔8连通的气压计接口11。

所述喷管7通过一节导液软管10与进液接口1连接。

采用上述技术方案，喷管中部连接有导电对心微调机构，用以调节导流孔与喷管的相对位置使喷管喷出的液流处于导流孔中心。因喷管、连接杆、接线柱及夹持体之间为电导通连接，电铸时，电铸电源的正极可与X向对心微调机构和Y向对心微调机构中的任一接线柱连接或同时连接，使喷管通电以充当不溶性阳极。喷头体及喷头帽选用强度高的耐磨性电绝缘材料，以提高其工作寿命和避免被电解腐蚀。

喷管内径D及导流孔直径d不大于1mm，且d小于D、以利于形成束径为毫米级以下的微细射流。喷管出液口端面与导流孔入口之间留有间隙H，具体间隙值根据应用要求而定。因为喷头的有效射流长度（从导流孔入口到射流破碎点之间的距离）受到导流孔深度的影响，其值要根据射程需要来确定，在允许的情况下，尽量取小值，以尽可能在喷头帽外获得较长的微细射流。

喷头工作时，由进气接口输入空腔内的惰性气体在压力的作用下从导流孔中高速流出，并在导流孔入口处形成吸力，再由进液接口向喷管通入电解液，电解液从喷管出口流出。流出瞬间呈液滴状的电解液，在导流孔入口处受到如下力的作用：(1)气流吸力；(2)因高速气流与液滴间的粘性力剪切作用而形成的拉力；(3)高速气流变径(由大变小)所形成的挤压力等。在这些力的共同作用下，液滴被拉长变细，并加速进入导流孔内部。进入导流孔后的电解液滴，一方面，继续受到上述吸力与拉力的协同作用而被进一步加速和拉长变细；另一方面，因液流受到自身内部的分子力及与喷管口间的粘性力作用，表现出抵抗被拉长、被压缩的阻力。当这些力在导流孔内到达动态平衡且输入喷管的电解液流量Q与电解液滴的消耗速度相等时，液流便以等径、等速的状态从导流孔中喷出，并在液流自身的惯性及气流的助推作用下，继续在导流孔外以既定状态喷射一定距离。当受外在因素(如空气的扰动等)影响严重时，高速气流包裹下的射流束将失稳并破碎为小液滴状。电铸加工时，阴极基底或已沉积层始终置于稳定等径射流的射程之内。

在优化组合喷头的各种结构参数（d、D、H）及外部施加条件（及Q）的情况下，本发明提及的喷头可获得小至数微米的大射程稳定等径射流束。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、能获得传统喷头极难实现的极微细射流。本发明突破了依靠缩小孔径和优化喷头几何结构获取微细射流的传统思维，采用辅助高速气流的方法来聚焦和加速液流束，克服传统方法在几何结构和加工实现方面的限制，降低了加工成本，大幅度减小了极限射流束直径，增大了有效稳定等径射程，同时，也可根据需要，用作普通喷头，以满足多种需要。

2、增强了射流电铸的工艺能力。基于本发明的喷头，能以极微细的射流束实施电铸工艺，从而可以电铸制造出特征尺寸更微细的金属结构，加工精度更高，使射流电铸有望在集成电路布线、复杂金属微细结构与零件制造等领域扩大应用。

3、提高了电铸层/件的性能品质。与基于传统喷头的射流电铸不同，用本发明的喷头所喷射出的射流束因为受到惰性气流的包裹。当此种射流喷射到阴极基底或已沉积金属层上时，一方面，惰性气流对外围的氧气、灰尘杂质等起到一定的隔离作用，减小了沉积金属被氧化、被杂质侵入的可能性；另一方面，射流在流经已沉积金属件侧壁时，因受到气流的驱赶与隔离作用，减弱了电铸件的杂散电流，提高了电铸件的定域性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1在A-A截面的剖面图；

图3是图1中B处的局部放大图；

图4是本发明的一个优选实际应用原理图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的一种微射流电铸喷头，包括具有空腔8的喷头体3，喷头体3上设有进液接口1、进气接口2，喷头体3的空腔8内设有与进液接口1连接的喷管7，喷口4外可拆卸密封连接有喷头帽5，喷头帽5上开设有导流孔6，喷口4、喷管7和导流孔6的中心线重合，导流孔6的入口端面与喷管7的出口端面具有间隙，喷头体3上设有伸入到空腔8内并与喷管7连接的导电对心微调机构，所述空腔8内充满惰性压力气体。

导电对心微调机构包括夹持体9、X向接线柱12-2、Y向接线柱12-5、X向连接杆12-3、Y向连接杆12-6，夹持体9夹持在喷管7外壁，X向接线柱12-2和Y向接线柱12-5分别设在喷头体3外壁上，X向连接杆12-3和Y向连接杆12-6的内端分别通过一个连接销钉12-1与夹持体9可拆卸连接，X向连接杆12-3和Y向连接杆12-6的外端穿过喷头体3分别与X向接线柱12-2和Y向接线柱12-5固定连接，X向连接杆12-3和Y向连接杆12-6垂直设置，X向连接杆12-3和Y向连接杆12-6上分别套装有一个位于夹持体9和喷管7内壁之间的压缩弹簧12-4。压缩弹簧12-4使喷头体3分别与X向接线柱12-2和Y向接线柱12-5始终相互接触以消除调节间隙，而喷管7插在夹持体9中，当转动X向接线柱12-2和Y向接线柱12-5时，喷管7也会在相应方向（X向或者Y向）上随之偏移，直到喷管7与导流孔6的中心线重合度达到要求。

喷管7内径D不大于1mm。

导流孔6直径d不大于1mm，导流孔6直径d小于喷管7内径D。

导流孔6的深度不大于1mm。

喷管7材质为钛、铂或其他惰性金属，且喷管7除出液口端面及与夹持体9相配合的部分外其余外周壁均被电绝缘处理。

喷头体3及喷头帽5的材质为电绝缘材料。

接线柱12-2、连接杆12-3及夹持体9之间为电导通连接。

喷头体3上设有与空腔8连通的气压计接口11。

喷管7通过一节导液软管10与进液接口1连接。

喷管7所用材质为钛、铂等惰性金属以充当不溶性阳极，且除出液口端面及与夹持体9配合的部分外其它外表面被电绝缘处理，以避免杂散对流引发的金属腐蚀；连接杆12-3、接线柱12-2及夹持体9之间为电导通连接，用导线将X向对心微调机构12的接线柱12-2和Y向对心微调机构13的接线柱12-2中其一或同时与电源正极相连可使喷管（阳极）通电。喷头体3及喷头帽5选用强度高的耐磨性电绝缘材料，以提高其使用寿命和避免电解腐蚀。

在优化组合喷头的各种结构参数（d₁、D、H）及外部施加条件（及Q）的情况下，本发明提及的喷头可获得小至数微米的长射程稳定等径射流束。

喷头体3的空腔8内不通入惰性压力气体且喷管7出液口端面与喷头帽5内壁无间隙时，由进液接口1输入的电解液在压力作用下从喷管7直接喷出，其射流原理与性能与普通喷头相似，可充当普通喷头使用。

如图4所示，本发明的微射流电铸喷头的一个电铸应用实例。喷头18的进气接口2通过管路与气源25相连通，管路中间设置有输气节流阀26；气压计接口11通过管路与气压计19连通；进液接口1通过管路与储液槽24相连接，管路中同时连接有微量输液泵23、输液节流阀22及流量计21，储液槽24内的电解液通过微量输液泵23加压后供给喷头使用。

开始电铸作业时，将具有最优结构参数的喷头18以喷口4朝上进液接口1朝下的姿势固定在Z向运动机构上，阴极14以阴极面朝下的姿势固定于工作台上，工作台在工作台X向运动机构15与工作台Y向运动机构16的带动下可沿X向及Y向运动。打开输气节流阀26使空腔8与气源25相通，再启动微量输液泵23并打开输液节流阀22向喷管7内通入电解液；然后，协同调节输气节流阀26与输液节流阀22，使气压计19显示压力和流量计21显示流量Q达到形成微细射流的最优值。此外，依靠Z向运动机构20带动喷头18上下运动来调节导流孔6出口端面与阴极面或已沉积层之间的距离，以保证稳定射流能喷射到阴极14基底或已沉积层上。最后，将电源17正极与喷管7相连通，电源17负极与阴极14相连通，阴极14与喷管7之间便形成电铸回路，包含高浓度金属离子的电解液将在阴极14上还原并沉积其上。这样，喷头18在Z向的运动与阴极14的X向及Y向运动相互配合便可以将各种电铸图形以扫描的形式一层一层的在阴极14上沉积出来，形成镀层13。电铸作业结束后，先断开电铸电源，后关闭微量输液泵23、输液节流阀22和输气节流阀26。图中箭头为气流方向。

本实施例所描述的只是利用本发明的微射流电铸喷头进行射流加工的基本条件，实际应用中可以增加其它部件来更好更快更方便的完成电铸加工，例如控制机构运动的控制系统、电解液过滤装置、电解液温控系统等。

Claims (9)

1.一种微射流电铸喷头，包括具有空腔（8）的喷头体（3），喷头体（3）上设有进液接口（1）、进气接口（2），其特征在于：所述喷头体（3）的空腔（8）内设有与进液接口（1）连接的喷管（7），喷口（4）外可拆卸密封连接有喷头帽（5），喷头帽（5）上开设有导流孔（6），喷口（4）、喷管（7）和导流孔（6）的中心线重合，导流孔（6）的入口端面与喷管（7）的出口端面具有间隙，喷头体（3）上设有伸入到空腔（8）内并与喷管（7）连接的导电对心微调机构，所述空腔（8）内充满惰性压力气体；

所述导电对心微调机构包括夹持体（9）、X向接线柱（12-2）、Y向接线柱（12-5）、X向连接杆（12-3）、Y向连接杆（12-6），夹持体（9）夹持在喷管（7）外壁，X向接线柱（12-2）和Y向接线柱（12-5）分别设在喷头体（3）外壁上，X向连接杆（12-3）和Y向连接杆（12-6）的内端分别通过一个连接销钉（12-1）与夹持体（9）可拆卸连接，X向连接杆（12-3）和Y向连接杆（12-6）的外端穿过喷头体（3）分别与X向接线柱（12-2）和Y向接线柱（12-5）固定连接，X向连接杆（12-3）和Y向连接杆（12-6）垂直设置，X向连接杆（12-3）和Y向连接杆（12-6）上分别套装有一个位于夹持体（9）和喷管（7）内壁之间的压缩弹簧（12-4）。

2.根据权利要求1所述的一种微射流电铸喷头，其特征在于：所述喷管（7）内径D不大于1mm。

3.根据权利要求2所述的一种微射流电铸喷头，其特征在于：所述导流孔（6）直径d不大于1mm，导流孔（6）直径d小于喷管（7）内径D。

4.根据权利要求1或2所述的一种微射流电铸喷头，其特征在于：所述导流孔（6）的深度                                                不大于1mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种微射流电铸喷头，其特征在于：所述喷管（7）材质为钛、铂或其他惰性金属，且喷管（7）除出液口端面及与夹持体（9）相配合的部分外其余外周壁均被电绝缘处理。

6.根据权利要求1或2所述的一种微射流电铸喷头，其特征在于：所述喷头体（3）及喷头帽（5）的材质为电绝缘材料。

7.根据权利要求1或2所述的一种微射流电铸喷头，其特征在于：所述X向接线柱（12-2）、X向连接杆（12-3）及夹持体（9）之间为电导通连接。

8.根据权利要求1或2所述的一种微射流电铸喷头，其特征在于：所述喷头体（3）上设有与空腔（8）连通的气压计接口（11）。

9.根据权利要求1或2所述的一种微射流电铸喷头，其特征在于：所述喷管（7）通过一节导液软管（10）与进液接口（1）连接。