CN108560024B - 减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微制造技术领域，提供一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，该方法通过在微电铸过程中施加兆声振动进行制备金属微结构，包括“基底预处理‑微电铸型膜制作‑兆声辅助微电铸”，解决了现有技术中工艺参数优化、热处理、超声振动时效和超声辅助电铸等方法的不足和应用的局限性，有效的减小了微电铸层残余应力并且对微电铸型膜结构无损害，具有应用范围广、简单、高效的特点，从而提高金属微器件的制作成品率和使用寿命。

Description

减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法
技术领域
本发明属于微制造技术领域，涉及到减小微电铸层残余应力的方法，尤其涉及一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法。
背景技术
利用微电铸技术制备金属微器件的工艺过程中，微电铸层内不可避免地会产生残余应力。过大的残余应力容易使铸层出现鼓泡、翘曲、变形等问题，严重时导致铸层脱落，极大地影响了金属微器件的制作成品率和使用寿命。为了减小微电铸层内的残余应力，通常采用工艺参数优化、热处理、超声振动时效和超声辅助电铸等方法：杂志《材料保护》1996年第29卷、第3期、第5-7页中通过工艺参数优化的方法，即通过对氨基磺酸盐浓度、阴极电流密度、电解液温度、电解液PH值和添加剂含量的优化获得了使镍镀层残余应力最小的最佳工艺条件。但这种方法在研究过程中需要进行大量的重复性实验才能获取最优的工艺参数，并且针对不同的电铸液体系，工艺参数的影响规律不同，因此实验成本高、应用范围小。杂志《机电元件》2004年第24卷、第1期、第15-16页中提出采用真空热处理的方法可以消除电化学镍镀层中的部分残余应力。然而，这种方法通常操作费用较高，耗时长。杂志Nanotechnology and Precision Engineering 2010年第8卷、第2期、第143-148页中对电铸完成后的试样进行超声振动去除其铸层内的残余应力。当超声振动时间为50min时，其去除残余应力的作用效果最佳，去除率为47.9％。然而，超声振动时效与热处理均属于后处理方法，耗时长，且去应力效果有限。杂志Key Engineering Materials 2015年第645-646卷、第178-183页中通过超声辅助电铸减小了微电铸层内的残余应力，在超声频率为40KHz、功率为200W时残余应力达到最小值。然而，在制作厚度较高的金属微结构时，长时间的超声波瞬态空化效应会导致微电铸过程中使用的微电铸型膜发生变形甚至破损，严重地影响了金属微结构的尺寸精度。因此，超声辅助电铸法虽然能有效的减小微电铸层的残余应力，但其应用范围有限。目前，在金属微器件制造领域，建立一种简单、高效、应用范围广的减小微电铸层残余应力的方法具有重要的实用意义。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种通过兆声辅助电铸减小微电铸层残余应力的方法，即通过在微电铸过程中施加兆声振动，利用兆声稳态空化效应和声流作用减小微电铸层的残余应力。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，该方法通过在微电铸过程中施加兆声振动来减小微电铸层残余应力。区别于普通微电铸工艺流程“基底预处理-微电铸型膜制作-微电铸”，该方法采用“基底预处理-微电铸型膜制作-兆声辅助微电铸”。兆声辅助电铸的制作步骤如下：
步骤一，基板预处理
用不同型号的砂纸对金属基板进行粗磨、精磨、抛光处理，使其表面粗糙度Ra小于0.04μm；用丙酮棉球擦洗基板表面；将擦拭干净的基板置于丙酮溶液中超声清洗15～25min，再置于乙醇溶液中超声清洗15～25min，经去离子水冲洗、氮气吹干后放入干燥箱内烘干；将烘干后的金属基板冷却至室温待用。
步骤二，制作微电铸型膜
在金属基板表面旋涂SU-8光刻胶，将涂覆SU-8光刻胶的金属基板置于烘箱内进行前烘，采用阶梯式升温方式：65℃时烘20-40min，75℃时烘20-40min，85℃时烘1-2h，前烘结束后冷却至室温后进行曝光，曝光时间为1-3min，曝光剂量为300mJ/cm2～400mJ/cm2；将曝光后的基板放置在热板上进行后烘，热板温度为85℃，后烘时间为1～3min，随后冷却至室温；用SU-8胶显影液对微电铸胶膜进行显影，显影时间为2～4min，用去离子水冲洗干净，氮气吹干即可得到具有微电铸型膜的金属基板。
步骤三，兆声辅助微电铸
启动兆声辅助微电铸实验装置，将带有微电铸型膜的金属基板固定在阴极板上，电铸阳极为纯镍板，然后将阴阳极板放入到电铸槽中进行微电铸。电铸液PH值为3.8～4.0，其配方为：氨基磺酸镍595-605g/L、氯化镍4-6g/L、硼酸30-40g/L。微电铸温度为45-50℃，微电铸时间为5h，电流密度为1-3A/dm2；兆声频率为1MHz，输入电压为30V，兆声功率密度为2W/cm2,兆声振动时间间隔为0.1s。兆声作用时间与微电铸时间等同。
本发明的效果与益处：提供了一种在微电铸过程中施加兆声振动以减小微电铸层残余应力的方法。解决了工艺参数优化、热处理、超声振动时效、超声辅助电铸方法的不足和应用的局限性，具有简单、高效、应用范围广的特点，能显著减小微电铸层残余应力，从而提高金属微器件的制作成品率和使用寿命。
附图说明
图1为金属微结构掩膜板示意图；
图2为兆声辅助微电铸实验装置示意图；
图中：1电铸电源；2兆声发射器；3时间继电器；4电铸槽；5电铸阴阳极板；6水浴槽。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
附图1是用于光刻的金属微结构掩膜板示意图，该微结构整体尺寸为6.33mm×2mm。基于UV-LIGA工艺流程，制作了金属微结构电铸胶膜。之后在附图2所示的兆声辅助微电铸装置中进行微电铸，兆声辅助微电铸装置包括电铸电源1、兆声发射器2、时间继电器3、电铸槽4、电铸阴阳极板5、水浴槽6：所述电铸槽4放置在水浴槽6内，其内放置电铸液；所述的电铸阴阳极板5在电铸槽4内进行微电铸，带有微电铸型膜的不锈钢基板固定在阴极板上，电铸阳极为纯镍板；所述电铸电源1与兆声发射器2相连；所述兆声发射器2与电铸阴阳极板5阴极不锈钢基板相连，二者之间设有时间继电器3，用于控制兆声发射器输入电压和兆声振动时间间隔。兆声辅助电铸减小微电铸层残余应力的方法，其包括步骤如下：
(1)基板预处理。分别用320/600/800/1000/2000型号的砂纸对316L不锈钢基板进行粗磨、精磨、抛光处理，使其表面粗糙度Ra小于0.04μm；用丙酮棉球擦拭基板表面；然后，将不锈钢基板先置于丙酮溶液中超声清洗20min，再置于乙醇溶液中超声清洗20min，经去离子水冲洗、氮气吹干后放入120℃干燥箱内烘干2h；将烘干后的不锈钢基板取出，冷却至室温待用。
(2)微电铸型膜制作
用台式匀胶机在316L不锈钢基板表面旋涂SU-8光刻胶，转速为1800r/min，得到的胶膜厚度约为50μm。将涂覆了SU-8光刻胶的不锈钢基板置于烘箱内进行前烘，采用阶梯式升温方式：65℃时烘30min，75℃时烘30min，再升温至85℃烘1h，前烘结束后冷却至室温；采用曝光机对SU-8光刻胶进行曝光，曝光时间为1min30s，曝光剂量为350mJ/cm2；将曝光后的不锈钢基板放置在热板上进行后烘，热板温度为85℃，后烘时间为2min，随后冷却至室温；用SU-8胶显影液对微电铸胶膜进行显影，显影时间为2min，用去离子水冲洗干净，氮气吹干即可得到微电铸胶膜型腔。
(3)兆声辅助微电铸
在附图2所示的兆声辅助微电铸实验装置中进行微电铸实验，兆声输入电压为30V，兆声功率密度为2W/cm2，兆声振动时间间隔为0.1s，兆声频率为1MHz。将带有微电铸型膜的不锈钢基板固定在阴极板上，电铸阳极为纯镍板，将阴阳极板放入电铸槽内进行微电铸。电铸液配方：氨基磺酸镍600g/L、氯化镍5g/L、硼酸35g/L。电铸液PH值为3.8，电铸液温度为50℃，电流密度为1A/dm2。兆声作用时间与微电铸时间均为5h。
采用本发明提供的通过在微电铸过程中施加兆声振动的方法，与不施加兆声振动的常规微电铸工艺相比，微电铸层残余应力减小了60％。本方法能够有效减小微电铸层残余应力并且对微电铸型膜无损害，进而提高微器件的制作成品率，具有简单、高效、经济的特点。

Claims (10)

1.一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，其特征在于以下步骤：
步骤一，基板预处理
对金属基板进行粗磨、精磨、抛光处理后，超声清洗基板表面；
步骤二，制作微电铸型膜
在金属基板表面旋涂SU-8光刻胶，将涂覆SU-8光刻胶的金属基板置于烘箱内进行前烘，前烘结束后冷却至室温后进行曝光，将曝光后的基板放置在热板上进行后烘，冷却至室温后对微电铸胶膜进行显影，最后去离子水冲洗干净，氮气吹干即可得到具有微电铸型膜的金属基板；
步骤三，兆声辅助微电铸
电铸阴阳极板（5）阳极为纯镍板，阴极板上固定具有微电铸型膜的金属基板，将电铸阴阳极板（5）放入电铸槽（4）内进行微电铸，所述兆声发射器(2)与电铸阴阳极板(5)阴极不锈钢基板相连，二者之间设有时间继电器(3)，用于控制兆声发射器输入电压和兆声振动时间间隔；
微电铸温度为45-50℃，微电铸时间为5h，电流密度为1-3A/dm2；启动兆声发射器(2)，在微电铸过程中施加兆声振动减小微电铸层残余应力，通过调节输入电压改变兆声功率；所述输入电压范围为0-40V，兆声功率密度范围为0-3W/cm2,兆声振动时间间隔范围为0.1-999.9s，兆声频率为1MHz；兆声作用时间与微电铸时间等同。
2.根据权利要求1所述的一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，其特征在于，步骤二中SU-8胶膜采用阶梯式升温方式进行前烘干：65℃时烘20-40min，75℃时烘20-40min,85℃时烘1-2h。
3.根据权利要求1或2所述的一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，其特征在于，步骤二中SU-8光刻胶的曝光时间为1-3min、曝光剂量为300mJ/cm2～400mJ/cm2。
4.根据权利要求1或2所述的一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，其特征在于，步骤二中SU-8光刻胶的后烘时间为1～3min、后烘温度85℃。
5.根据权利要求3所述的一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，其特征在于，步骤二中SU-8光刻胶的后烘时间为1～3min、后烘温度85℃。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，其特征在于，步骤二中显影时间为2～4min。
7.根据权利要求3所述的一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，其特征在于，步骤二中显影时间为2～4min。
8.根据权利要求4所述的一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，其特征在于，步骤二中显影时间为2～4min。
9.根据权利要求1或2或5或7或8所述的一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，其特征在于，所述电铸槽内pH值为3.8～4.0，其配方为：氨基磺酸镍595-605g/L、氯化镍4-6g/L、硼酸30-40g/L。
10.根据权利要求6所述的一种减小微电铸层残余应力的兆声辅助电铸方法，其特征在于，所述电铸槽内pH值为3.8～4.0，其配方为：氨基磺酸镍595-605g/L、氯化镍4-6g/L、硼酸30-40g/L。
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