CN109722682A - 负压下高速冲液精密电铸装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负压条件下高速冲液精密电铸的装置及其方法,属于精密电铸技术领域。本发明包括电铸模块、加热模块、循环及过滤模块、储液模块及抽负压模块。所述电铸模块、循环及过滤模块、储液模块通过管道连接。所述加热模块用于加热电铸模块内电铸液，抽负压模块用于保持电铸模块处于负压状态。使用本装置不仅可用于常压下高速冲液电铸，还可以实现负压条件下循环加热溶液并冲液电铸，有利于提高高深宽比结构的传质速率和气泡排出速率，从而提高微细电铸质量。

Description

负压下高速冲液精密电铸装置及方法
技术领域
本发明设计一种循环、过滤及加热液体的装置及其方法，尤其涉及一种负压条件下高速冲液精密电铸的装置及其方法。
背景技术
电沉积是一种基于电化学原理的增材制造技术，具有复制精度高、工艺可控性好、设备简单可行等特点，常用的电沉积方法有电铸、电镀、电刷镀等。但是电铸本身具有一些固有缺陷，比如随着沉积过程的进行，大量吸氢或夹杂在铸层内部，或发展成为气泡使得铸层出现针孔、麻点等缺陷。对于高深宽比结构，往往存在传质困难、析氢排出不易等问题，极大地影响铸层质量。随着MEMS器件的迅速发展，微细电铸得到了广泛应用，如何减少结瘤、真空、麻点等缺陷，降低铸层因吸氢夹杂产生的内应力，成为亟需解决的问题。
围绕这一问题，国内外科研人员提出了多种解决方案。较为常见的是向电铸液中加入光亮剂、润湿剂等，以抑制气泡产生和吸附，降低内应力。在负压环境下电铸也是一种有效去除气泡夹杂、吸附的方法，原理为通过负压使气泡迅速长大、脱离而破裂。中国的明平美等人提出利用交变压力梯度变化的方法（辅助交变低气压—温度梯度微细电铸技术，兵工学报，2008，29（6）：746-751.）和电解液真空沸腾电沉积的方法（中国专利号：CN101871108 A），使得沉积区域表面的气泡迅速长大、破碎，达到去除气泡和加速传质的目的。但是目前提出的负压电铸技术常常是在无循环或间歇性循环的情况下进行的，这就导致传质的进行很大程度上依赖浓度梯度传质，同时气泡和杂质的排出仅仅依靠浓差对流和气泡破碎产生的搅拌作用。对于微细电铸零件，尤其是高深宽比微细结构，依然存在气泡夹杂吸附和晶粒粗大、铸层松散等问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种可以改善微细电铸件的表面质量，提高电铸件的机械性能的负压下高速冲液精密电铸装置及方法。
本发明提供一种负压下高速冲液精密电铸装置，该装置包括电铸模块，电铸模块包括电铸加工槽、阴极板、阳极板；电铸加工槽下端设置主出口，一侧上方设置有主入口，另一侧上方上方设置辅助入口、下方设置辅助出口；该装置还包括储液模块，储液模块其包括密闭的储液槽及位于槽体上的液面高度计；储液槽一侧下方设置主出口，上方设置有主入口和辅助入口；
所述电铸模块和储液模块通过第一循环及过滤模块相连接；第一循环及过滤模块包括第一过滤器、第一磁力旋片泵、溢流球阀、第一真空球阀、第二真空球阀；所述储液槽位于电铸加工槽下方；储液槽的主出口经过所述第一过滤器与所述第一磁力旋片泵入口相连，所述第一磁力旋片泵出口分成两路，第一路经过所述第一真空球阀与电铸加工槽上方的主入口相连；第二路经过所述溢流球阀与储液槽辅助入口相连；电铸加工槽下方的主出口经过第二真空球阀与储液槽主入口相连；还包括加热模块，加热模块与电铸模块相连；还包括抽负压模块，所述抽负压模块与电铸模块相连；包括真空泵和气体干燥器；所述电铸加工槽还安装有泄压阀和压力表；上述真空泵及压力表还连接有用于控制所述真空泵在电铸加工槽内压力高于设定压力时启动，低于设定压力时停止的压力控制装置；
其特征在于：
该装置还包括第二循环及过滤模块，第二循环及过滤模块包括缓冲槽、第二磁力旋片泵、第二过滤器、第三真空球阀、第四真空球阀；上述电铸加工槽的辅助出口依次经过所述第二过滤器、所述第二磁力旋片泵、第四真空球阀后与所述缓冲槽的入口相连；缓冲槽的出口经过所述第三真空球阀与电铸加工槽的辅助入口相连；
所述电铸加工槽内与辅助出口直接相通部分容积大于所述第二循环及过滤模块容积之和；所述电铸加工槽内电铸液的体积应满足如下条件：所述第二循环及过滤模块内充满液体后，电铸加工槽内电铸液的体积大于第二磁力循环泵入口及电铸加工槽辅助出口相连部分的容积。目的在于，保持磁力旋片泵内部始终保持液体状态，减少气体量，从而削弱气蚀对泵的伤害，提高泵的使用寿命。
本发明提供的负压下高速冲液精密电铸装置，其特征在：所述加热模块包括热电阻、热电偶及对应温控装置；所述热电阻位于电铸槽内并远离阴极板和阳极板；所述热电偶位于电铸槽内并远离阴极板、阳极板及热电阻；所述温控装置位于电铸槽外。
本发明提供的负压循环冲液微细电铸装置的电铸方法，其特征在包括以下步骤：
第一步，注液：开启第一真空球阀、溢流球阀，关闭第二真空球阀；开启第一磁力旋片泵，调节第一真空球阀，直至电铸加工槽内溶液容积足够充满所述第一循环及过滤模块，且剩余溶液量足够保持加工过程中磁力旋片泵入口为满液体状态；电铸加工槽内的电铸液达到合适容积之后，关闭第一磁力旋片泵和第一真空球阀；
第二步，循环加热：开启第三真空球阀和第四真空球阀，开启第二磁力旋片泵，使电铸槽内溶液开始循环；打开所述加热模块，等待电铸液加热到工艺要求的温度；
第三步，真空电铸：到达指定温度后，装夹并定位待加工工件；密封电铸加工槽槽盖，开启真空泵，压力值稳定后，开启电源开始电铸；
第四步，结束电铸：关闭电铸电源、加热模块和第二磁力旋片泵；关闭，打开泄压阀；开启电铸加工槽槽盖，取出工件；若连续电铸多个工件，重复上述步骤；全部电铸完成后，开启第二真空球阀，将电铸槽和所述第一循环及过滤模块内的电铸液放回储液槽，关闭第二真空球阀，完成电铸流程。
本发明的有益结果：本发明提出了一种负压下循环冲液的微细电铸装置。与常规常压电铸相比，负压电铸有利于微细结构中的气泡排出和传质作用；与现有负压电铸装置相比，本发明实现了负压条件下的电铸液循环，有利于不断更新电铸区溶液，同时迅速带走阴极表面气泡。应用本发明装置可以改善微细电铸件的表面质量，提高电铸件的机械性能。
附图说明
图1是本负压循环冲液电铸装置具体实施例的结构示意图；
图中标号名称：1-密闭储液槽；2-过滤器；3-第一磁力旋片泵；4-溢流球阀；5-第一真空球阀；6-真空泵；7-气体干燥器；8-热电阻；9-泄压阀；10-压力控制器；11-热电偶；12-电铸槽；13-第三真空球阀；14-缓冲槽；15-第四真空球阀；16-第二磁力旋片泵；17-过滤器；18-第二真空球阀；19-液面高度计；20-阴极板；21-阳极板。
具体实施方式
实施本发明--“负压循环冲液微细电铸装置”，系统结构示意图如图1所示，示意图主要包括电铸模块、加热模块、循环及过滤模块、储液模块及抽负压模块。电铸模块包括电铸加工槽12、阴极板20和阳极板21；加热模块包括热电阻8、热电偶11及对应温控装置；储液模块包括密闭储液槽1及槽体上的液面高度计19；抽负压模块包括压力表10、真空泵6、气体干燥器7和泄压阀9；循环及过滤模块包括连接电铸模块和储液模块的管道、磁力旋片泵3、过滤器2以及相关球阀。
首先，由储液槽1向电铸模块内泵入电铸液。此时，开启真空球阀5、溢流球阀4，关闭真空球阀18。开启磁力旋片泵3，调节真空球阀5，直至电铸加工槽12内溶液容积足够充满第一循环及过滤模块，且剩余溶液量足够保持加工过程中磁力旋片泵16入口为满液体状态。应当注意的是，电铸加工槽12内的溶液低于槽盖一定距离，防止部分溶液因负压而被吸入抽负压模块。电铸加工槽12内的电铸液达到合适容积之后，关闭磁力旋片泵3和真空球阀5。
随后，开启真空球阀13、15，开启磁力旋片泵16，使电铸槽12内溶液开始循环。同时打开加热模块，等待电铸液加热到工艺要求的温度。
温度达到后，装夹并定位待加工工件20。密封电铸加工槽槽盖，开启真空泵6，开始抽负压。负压范围由工艺参数决定，压力控制器10控制真空泵在绝对压力达到设定值时停止，压力高于设定值时真空泵启动。压力值稳定后，开启电源开始电铸。
电铸时间到达后，关闭电铸电源、加热模块和磁力旋片泵16。关闭真空泵6，打开泄压阀9，使电铸槽内压力恢复大气压。开启槽盖，取出工件。若连续电铸多个工件，重复上述步骤。全部电铸完成后，开启真空球阀18，将电铸槽12和第一循环及过滤模块内的电铸液放回储液槽1，关闭真空球阀18，完成电铸流程。

Claims (3)

1.一种负压下高速冲液精密电铸装置，
该装置包括电铸模块，电铸模块包括电铸加工槽(12)、阴极板(20)、阳极板(21)；电铸加工槽(12) 下端设置主出口，一侧上方设置有主入口，另一侧上方上方设置辅助入口、下方设置辅助出口；
该装置还包括储液模块，储液模块其包括密闭的储液槽(1)及位于槽体上的液面高度计(19)；储液槽一侧下方设置主出口，上方设置有主入口和辅助入口；
所述电铸模块和储液模块通过第一循环及过滤模块相连接；第一循环及过滤模块包括第一过滤器(2)、第一磁力旋片泵(3)、溢流球阀(4)、第一真空球阀(5)、第二真空球阀(18)；所述储液槽(1）位于电铸加工槽(12）下方；储液槽(1）的主出口经过所述第一过滤器(2)与所述第一磁力旋片泵(3）入口相连，所述第一磁力旋片泵(3）出口分成两路，第一路经过所述第一真空球阀（5）与电铸加工槽(12）上方的主入口相连；第二路经过所述溢流球阀（4）与储液槽(1)辅助入口相连；电铸加工槽(12）下方的主出口经过第二真空球阀（18）与储液槽(1）主入口相连；
还包括加热模块，加热模块与电铸模块相连；
还包括抽负压模块，所述抽负压模块与电铸模块相连；包括真空泵(6)和气体干燥器(7)；所述电铸加工槽(12)还安装有泄压阀(9)和压力表(10)；上述真空泵及压力表还连接有用于控制所述真空泵(6)在电铸加工槽(12)内压力高于设定压力时启动，低于设定压力时停止的压力控制装置；
其特征在于：
该装置还包括第二循环及过滤模块，第二循环及过滤模块包括缓冲槽(14)、第二磁力旋片泵(16)、第二过滤器(17)、第三真空球阀(13)、第四真空球阀(15)；上述电铸加工槽(12)的辅助出口依次经过所述第二过滤器(17)、所述第二磁力旋片泵(16)、第四真空球阀(15)后与所述缓冲槽(14)的入口相连；缓冲槽(14)的出口经过所述第三真空球阀(13)与电铸加工槽(12)的辅助入口相连；
所述电铸加工槽(12)内与辅助出口直接相通部分容积大于所述第二循环及过滤模块容积之和；所述电铸加工槽（12）内电铸液的体积应满足如下条件：所述第二循环及过滤模块内充满液体后，电铸加工槽(12)内电铸液的体积大于第二磁力循环泵(16)入口及电铸加工槽(12)辅助出口相连部分的容积。
2.根据权利要求1所述的负压下高速冲液精密电铸装置，其特征在：所述加热模块包括热电阻(8)、热电偶(11)及对应温控装置；所述热电阻(8)位于电铸槽内并远离阴极板(20)和阳极板(21)；所述热电偶(11)位于电铸槽内并远离阴极板(20)、阳极板(21)及热电阻(8)；所述温控装置位于电铸槽外。
3.根据权利要求1所述的负压下高速冲液精密电铸装置的电铸方法，其特征在包括以下步骤：
第一步，注液：开启第一真空球阀(5)、溢流球阀(4)，关闭第二真空球阀(18)；开启第一磁力旋片泵(3)，调节第一真空球阀(5)，直至电铸加工槽(12)内溶液容积足够充满所述第一循环及过滤模块，且剩余溶液量足够保持加工过程中磁力旋片泵(16)入口为满液体状态；电铸加工槽(12)内的电铸液达到合适容积之后，关闭第一磁力旋片泵(3)和第一真空球阀(5)；
第二步，循环加热：开启第三真空球阀(13)和第四真空球阀(15)，开启第二磁力旋片泵(16)，使电铸槽(12)内溶液开始循环；打开所述加热模块，等待电铸液加热到工艺要求的温度；
第三步，真空电铸：到达指定温度后，装夹并定位待加工工件(20)；密封电铸加工槽(12)槽盖，开启真空泵(6)，压力值稳定后，开启电源开始电铸；
第四步，结束电铸：关闭电铸电源、加热模块和第二磁力旋片泵(16)；关闭，打开泄压阀(9)；开启电铸加工槽(12)槽盖，取出工件；若连续电铸多个工件，重复上述步骤；全部电铸完成后，开启第二真空球阀(18)，将电铸槽(12)和所述第一循环及过滤模块内的电铸液放回储液槽(1)，关闭第二真空球阀(18)，完成电铸流程。
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