CN104294244B - 激光辅助化学混合镀实现二维表面金属结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光辅助化学混合镀实现二维表面金属结构的方法，该方法包含以下步骤：①二维结构制作；②激光辅助还原；③清洗；④化学镀；⑤后清洗。本发明可在硬质基底或柔性衬底上制作二维的金属合金结构，制作的铜镍合金理论上同时具备导电和导磁的性质，在电磁屏蔽、微流控芯片、集成电路等微纳器件领域有很高的应用价值。

Description

激光辅助化学混合镀实现二维表面金属结构的方法

技术领域

本发明涉及微纳制造领域，特别是一种激光辅助化学混合镀实现二维表面金属结构的方法。

技术背景

化学镀是一种新型的金属表面处理技术，该技术以其工艺简便、节能、环保日益受到人们的关注。化学镀使用范围很广，镀金层均匀、装饰性好。而选择性化学镀则越来越引起人们的关注，比如印制线路板(PCB)孔金属化和塑料电镀。PCB孔、微型器件等集成电路技术需要特殊结构的金属化；一些特殊功能的陶瓷要求表面金属化,一方面解决陶瓷微粒与金属基体的浸润问题,一方面还可以通过焊接使陶瓷与电子元件相连,并且某些结构的金属化还可实现电磁屏蔽等一系列功能，来适应航空和军事方面的特殊要求。

铜镍合金混合镀不仅可以增加镀液稳定性，镀层更加致密，具有良好导电性的同时兼具良好的耐腐蚀性，与此同时，金属镍的存在能够起到催化作用，增加化学镀的速率。专利201010207017.6“一种化学镀镍溶液”，在化学镀镍的溶液中加入了耐蚀剂，提高了镀层的耐腐性。该发明将耐蚀剂中的少量金属还原出来，来提高镍层的耐腐蚀性，并且还需加入稳定剂，光亮剂等。专利200710013530.4“利用飞秒激光实现玻璃表面选择性金属化的方法”在玻璃上涂一层硝酸银薄膜，利用飞秒激光辐照玻璃在其表面有选择性地形成Ag颗粒，再利用化学镀铜的工艺实现玻璃表面激光辐照部位的金属化。该发明公开的技术方案可用于制造选择性的金属化图案。但是该方法需要在玻璃表面涂覆一层硝酸银薄膜，成膜工艺相对比较复杂，特别当基片尺寸较大时，硝酸银薄膜难以制备；以上两种方法只提供了单一金属镍和铜的化学镀法，铜镍合金的制备还没有被报道。

发明内容

本发明提供一种激光辅助化学混合镀实现二维表面金属结构的方法，该方法可在硬质基底或柔性衬底上制作二维的金属合金结构，制作的铜镍合金理论上同时具备导电和导磁的性质，可在电磁屏蔽、微流控芯片、集成电路等微纳器件领域有着很广泛的应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光辅助化学混合镀实现二维表面金属结构的方法，其特点在于包含以下步骤：

①二维结构制作：在基底上利用微纳加工技术加工表面二维网栅结构；

②激光辅助还原：将制备有二维网栅结构的基底浸入到硝酸银溶液中；该硝酸银溶液的浓度为0.1mol/L～1mol/L；硝酸银溶液高于基底上表面2mm以下；利用飞秒激光在所述基底的二维网栅结构上辐照，实现结构上金属银的还原；

③清洗：利用去离子水对激光还原后存在金属银的二维网栅结构的基底进行冲洗，除去基底上残留的硝酸银溶液；

④化学镀：对激光还原后的基底进行铜镍合金化学混合镀，采用的化学镀液的成分和浓度如下：

采用PH值为13的NaOH溶液对所述的化学镀液的PH值进行调节，使所述的化学镀液的PH值为12.5，镀液放置在带有搅拌的水浴锅内，镀液温度为60°～90°，将激光还原存在金属银的二维结构经过清洗后置于水浴锅内，同时伴随着搅拌，搅拌速度为600～800rpm/min，化学镀时间为1～2h；

⑤后清洗：利用去离子水、乙醇、丙酮分别对已镀铜镍合金的基底冲洗，除去表面存留的化学镀溶液。

所采用的基底的材料为K9玻璃、硫化锌或者聚二甲基硅氧烷。

所述的飞秒激光的波长为780nm，重复频率为80MHz，脉冲宽度为120fs，聚焦物镜的倍数为100x，数值孔径为1.35，所用的激光功率为10mw～50mw。

本发明的技术效果：

利用本发明的方法，结合激光辅助还原和化学混合镀技术，可在硬质基底或柔性衬底上制作二维的金属合金结构，本发明制作的铜镍合金理论上同时具备导电和导磁的性质，可在电磁屏蔽、微流控芯片、集成电路等微纳器件领域有着很广泛的应用。

具体的实施方式

实施例1：

利用强激光对k9玻璃表面加工，飞秒激光辅助化学混合镀来实现二维金属网栅的加工制作，其步骤如下：

首先，将清洗干净的K9玻璃利用激光直写技术在表面加工出二维网栅结构，网栅的周期为200μm，网栅的宽度为20μm；然后将加工好的K9玻璃放在装有硝酸银溶液的透明塑料容器内，硝酸银溶液的浓度为0.1mol/L，溶液的高度为高出玻璃表面1mm；利用飞秒激光辅助还原在二维网栅内还原出单质银种子，所用飞秒激光的波长为80nm，重复频率为80MHz，脉冲宽度为120fs，聚焦物镜的倍数为100x，数值孔径为1.35，激光的功率为10mw；然后利用三重去离子水将基底冲洗1分钟，将残留的硝酸银溶液洗掉，放入化学镀液中进行铜镍的混合镀，所采用的化学镀液的成分和浓度如下：

镀液的PH值为12.5，镀液放置在带有搅拌的水浴锅内，镀液温度为60°，搅拌速度为600rpm/min，化学镀时间为2h，镀完后利用丙酮、乙醇和去离子水分别清洗基本表面，去除残余的化学镀液，最后形成了二维的表面金属铜镍合金网栅。

实施例2：

利用强激光对k9玻璃表面加工，飞秒激光辅助化学混合镀来实现二维金属网栅的加工制作，其步骤如下：

首先，将清洗干净的K9玻璃利用激光直写技术在表面加工出二维网栅结构，网栅的周期为200μm，网栅的宽度为20μm；然后将加工好的K9玻璃放在装有硝酸银溶液的透明塑料容器内，硝酸银溶液的浓度为0.1mol/L，溶液的高度为高出玻璃表面1mm；利用飞秒激光辅助还原在二维网栅内还原出单质银种子，所用飞秒激光的波长为80nm，重复频率为80MHz，脉冲宽度为120fs，聚焦物镜的倍数为100x，数值孔径为1.35，激光的功率为20mw；然后利用三重去离子水将基底冲洗1分钟，将残留的硝酸银溶液洗掉，放入化学镀液中进行铜镍的混合镀，所采用的化学镀液的成分和浓度如下：

镀液的PH值为12.5，镀液放置在带有搅拌的水浴锅内，镀液温度为70°，搅拌速度为650rpm/min，化学镀时间为2h，镀完后利用丙酮、乙醇和去离子水分别清洗基本表面，去除残余的化学镀液，最后形成了二维的表面金属铜镍合金网栅。

实施例3：

利用强激光对硫化锌表面加工，飞秒激光辅助化学镀来实现二维金属网栅的加工制作，其步骤如下：

首先，将清洗干净的硫化锌利用激光直写技术在表面加工出二维网栅结构，网栅的周期为200μm，网栅的宽度为20μm；然后将加工好网栅的硫化锌放在装有硝酸银溶液的透明塑料容器内，硝酸银溶液的浓度为0.5mol/L，溶液高出硫化锌表面1.5mm，利用飞秒激光辅助在二维网栅内还原出单质银种子，所用飞秒激光的波长为80nm，重复频率为80MHz，脉冲宽度为120fs，聚焦物镜的倍数为100x，数值孔径为1.35，激光的功率为30mw；然后利用三重去离子水将基底冲洗1分钟，将残留的硝酸银溶液洗掉，放入化学镀液中进行铜镍的混合镀，所采用的化学镀液的成分和浓度如下：

镀液的PH值为12.5，镀液放置在带有搅拌的水浴锅内，镀液温度为75°，搅拌速度为700rpm/min，化学镀时间为1.5h，镀完后利用丙酮、乙醇和去离子水分别清洗基本表面，去除残余的化学镀液，最后形成了二维的表面金属铜镍合金网栅。

实施例4：

利用强激光对硫化锌表面加工，飞秒激光辅助化学镀来实现二维金属网栅的加工制作，其步骤如下：

首先，将清洗干净的硫化锌利用激光直写技术在表面加工出二维网栅结构，网栅的周期为200μm，网栅的宽度为20μm；然后将加工好网栅的硫化锌放在装有硝酸银溶液的透明塑料容器内，硝酸银溶液的浓度为0.5mol/L，溶液高出硫化锌表面1.5mm，利用飞秒激光辅助在二维网栅内还原出单质银种子，所用飞秒激光的波长为80nm，重复频率为80MHz，脉冲宽度为120fs，聚焦物镜的倍数为100x，数值孔径为1.35，激光的功率为35mw；然后利用三重去离子水将基底冲洗1分钟，将残留的硝酸银溶液洗掉，放入化学镀液中进行铜镍的混合镀，所采用的化学镀液的成分和浓度如下：

镀液的PH值为12.5，镀液放置在带有搅拌的水浴锅内，镀液温度为80°，搅拌速度为750rpm/min，化学镀时间为1.5h，镀完后利用丙酮、乙醇和去离子水分别清洗基本表面，去除残余的化学镀液，最后形成了二维的表面金属铜镍合金网栅。

实施例5：

利用强激光对聚二甲基硅氧烷表面加工，飞秒激光辅助化学镀来实现二维金属网栅的加工制作，其步骤如下：

首先，利用激光直写技术在聚二甲基硅氧烷表面加工出二维网栅结构，网栅的周期为200μm，网栅的宽度为20μm；然后将加工好的PDMS放在装有硝酸银溶液的透明塑料容器内，硝酸银溶液的浓度为1mol/L，溶液高出硫化锌表面2mm，利用飞秒激光辅助在二维网栅内还原出单质银种子，所用飞秒激光的波长为80nm，重复频率为80MHz，脉冲宽度为120fs，聚焦物镜的倍数为100x，数值孔径为1.35，激光的功率为40mw；然后利用三重去离子水将基底冲洗1分钟，将残留的硝酸银溶液洗掉，放入化学镀液中进行铜镍的混合镀，所采用的化学镀液的成分和浓度如下：

镀液的PH值为12.5，镀液放置在带有搅拌的水浴锅内，镀液温度为85°，搅拌速度为800rpm/min，化学镀时间为1h，镀完后利用丙酮、乙醇和去离子水分别清洗基本表面，去除残余的化学镀液，最后形成了二维的表面金属铜镍合金网栅。

实施例6：

利用强激光对聚二甲基硅氧烷表面加工，飞秒激光辅助化学镀来实现二维金属网栅的加工制作，其步骤如下：

首先，利用激光直写技术在聚二甲基硅氧烷表面加工出二维网栅结构，网栅的周期为200μm，网栅的宽度为20μm；然后将加工好的PDMS放在装有硝酸银溶液的透明塑料容器内，硝酸银溶液的浓度为0.5mol/L，溶液高出硫化锌表面2mm，利用飞秒激光辅助在二维网栅内还原出单质银种子，所用飞秒激光的波长为80nm，重复频率为80MHz，脉冲宽度为120fs，聚焦物镜的倍数为100x，数值孔径为1.35，激光的功率为50mw；然后利用三重去离子水将基底冲洗1分钟，将残留的硝酸银溶液洗掉，放入化学镀液中进行铜镍的混合镀，所采用的化学镀液的成分和浓度如下：

镀液的PH值为12.5，镀液放置在带有搅拌的水浴锅内，镀液温度为90°，搅拌速度为800rpm/min，化学镀时间为1h，镀完后利用丙酮、乙醇和去离子水分别清洗基本表面，去除残余的化学镀液，最后形成了二维的表面金属铜镍合金网栅。

利用本发明的方法，结合激光辅助还原和化学混合镀技术，可在硬质基底或柔性衬底上制作二维的金属合金结构，本发明制作的铜镍合金理论上同时具备导电和导磁的性质，可在电磁屏蔽、微流控芯片、集成电路等微纳器件领域有着很广泛的应用。

Claims (3)

1.一种激光辅助化学混合镀实现二维表面金属结构的方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

①二维结构制作：在清洗过的基底上利用微纳加工技术加工表面二维网栅结构；

②激光辅助还原：将制备有二维网栅结构的基底浸入到硝酸银溶液中；该硝酸银溶液的浓度为0.1mol/L～1mol/L；硝酸银溶液高于基底上表面2mm以下；利用飞秒激光在所述基底的二维网栅结构上辐照，实现结构上金属银的还原；

③清洗：利用去离子水对激光还原后存在金属银的二维网栅结构的基底进行冲洗，除去基底上残留的硝酸银溶液；

④化学镀：对激光辅助还原清洗后的基底进行铜镍合金化学混合镀，采用的化学镀液的成分和浓度如下：

采用pH值为13的NaOH溶液对所述的化学镀液的pH值进行调节，使所述的化学镀液的pH值为12.5，镀液放置在带有搅拌的水浴锅内，镀液温度为60℃～90℃，将激光还原存在金属银的二维结构经过清洗后置于水浴锅内，同时伴随着搅拌，搅拌速度为600～800rpm，化学镀时间为1～2h；

⑤后清洗：利用去离子水、乙醇、丙酮分别对已镀铜镍合金的基底冲洗，除去表面存留的化学镀溶液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的基底的材料为K9玻璃、硫化锌或聚二甲基硅氧烷。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的飞秒激光的波长为780nm，重 复频率为80MHz，脉冲宽度为120fs，聚焦物镜的倍数为100x，数值孔径为1.35；所用的激光功率为10mW～50mW。