CN109921162B - 太赫兹金属镀层空芯矩形波导组合制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导组合制造方法，属于太赫兹微器件精密制造领域。其特征在于：制造太赫兹金属镀层空芯矩形波导的“凹”型腔体；制造太赫兹金属镀层空芯矩形波导的“凹”覆盖板；将“凹”型腔体和“凹”覆盖板进行组合，获得具有较高尺寸精度和良好表面质量内腔的太赫兹金属镀层空芯矩形波导。本发明可以实现高工作频率的太赫兹金属镀层空芯矩形波导高效、精密、整体制造，具有重要意义。

Description

太赫兹金属镀层空芯矩形波导组合制造方法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导组合制造方法，属于太赫兹微器件精密制造领域。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围、波长在0.03mm到3mm范围的电磁波，是电磁波中唯一尚未完全开发利用的频谱资源。太赫兹技术在高速无线通信、安全检查、无损检测、电子对抗、雷达成像等领域有着巨大的应用潜力，对于推动国民经济发展、加强国家安全建设具有重大战略意义。

太赫兹波导是实现太赫兹信号传输的一种关键器件，金属空芯矩形波导具有损耗低、柔韧性好和安全性高等优点，其精密加工制造成为太赫兹微器件精密制造领域研究的前沿和热点之一。太赫兹金属空芯矩形波导由于传输特性，是典型的大长径比微型器件，高工作频率的金属空芯矩形波导腔体端面尺寸微小、加工公差、圆角及内层粗糙度要求极高，例如工作频率为1THz的金属矩形波导其腔体端面尺寸为127um×254um、表面粗糙度为Ra≤0.4um、圆角半径为R≤30um，对于高工作频率的金属镀层空芯矩形波导，其腔体尺寸、内部镀层质量、加工精度要求更为严格。

针对于太赫兹金属矩形波导的制造，国内外研究人员针对于已经开展了大量的研究。在国内，许延峰等利用光刻电铸技术加工出矩形金属波导腔，波导口尺寸200μm×400μm，长度为8mm，波导腔表面光滑平直，基本无加工圆角。孙玉洁等采用牺牲层光刻工艺，制备出长7.5mm、高300μm、侧壁垂直度为87.7°的0.4THz矩形波导腔结构。这两种制造方法，仅仅对矩形波导的制造进行了简单的探索，并未形成成熟的工艺方案，腔体内部高精密电镀难题仍然无法解决。在国外，美国的Adam Rowen等人提出通过多层电化学沉积制备内部尺寸几十微米的矩形金属波导的方法。通过种子层金属沉积、光刻、电化学沉积三种工艺步骤的循环进行，可以实现多层或者三维矩形波导的加工，这种方法还适用于基于矩形金属波导的其他一些部件包括天线，耦合器，弯曲隧道等微型机电系统的加工，然而该方法各个工艺步骤中加工精度的不一致，使得波导制造的整体精度下降，另外结合的不紧密仍然存在，因此也必将影响太赫兹信号的传输性能。美国的W.J. Otter等人将3D打印技术成功应用到太赫兹波导的加工中，采用RECILS 3D打印技术加工出矩形波导腔体，但是该波导腔体是非金属的，并且需要通过电镀金属层等复杂工艺实现其信号传输性能，这说明现阶段3D打印技术的发展水平尚无法实现金属材料直接打印，另外打印精度也无法达到高工作频率太赫兹金属空芯矩形波导的制造精度要求。

综上所述，国内外研究人员已经太赫兹金属矩形波导制造工艺进行了一定的研究，然而并未形成有效且成熟的工艺方案，同时制造的矩形波导工作频率相对降低，并且上述方法制造的金属矩形波导其信号传输质量较低，无法实现高性能信号传输对于腔体内部高精密电镀层的制造要求，因此无法用来制造高工作频率的太赫兹金属空芯镀层矩形波导。南京航空航天大学的科研人员提出了一种微小型金属矩形波导电化学制造方法（专利申请号：201610959510.0），该方法理论上实现了更高工作频率金属矩形波导的整体加工制造。然而，由于波导腔体端面尺寸微小、波导基体大长径比的特点，利用纯铝及纯镍等制造的矩形芯模长径比较大时易产生变形，腔体内部的金属材料溶解也极其困难，长时间溶解后腔体内部溶解产物较难清除，溶解试剂也极易造成对镀金层及铸铜层的损坏，这些问题严重的阻碍了该技术的发展应用。

因此，为了满足太赫兹技术蓬勃发展对高性能金属矩形波导的迫切需求，有必要在现有基础上，提出新的方法，实现高工作频率太赫兹金属空芯矩形波导的整体精密制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现矩形牺牲芯模大长径比制造、矩形牺牲芯模材料能够快速溶解并且腔体具体尺寸柔性可控、尺寸精度高、表面质量好的高工作频率太赫兹金属空芯矩形波导制造方法。

一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导组合制造方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、制造太赫兹金属镀层空芯矩形波导的“凹”型腔体；步骤1-1、利用微细电解线切割加工方法在厚平板金属上制造出带有工件基体的第一矩形牺牲芯模，第一矩形牺牲芯模具有四个高精密切割表面，其宽度为W₁、高度为H₁、长度为L₁；步骤1-2、在第一矩形牺牲芯模宽度方向任意选取一个切割表面，在第一矩形牺牲芯模的该切割表面以及工作基体对应的切割表面涂覆绝缘胶，在第一矩形牺牲芯模前端部也涂覆绝缘胶；步骤1-3、在涂覆绝缘胶的第一矩形牺牲芯模和工作基体的三个非绝缘表面电镀金层，其厚度T₁为几十微米量级，在电镀金层外部电铸铜层研磨基体，其厚度D₁为数百微米量级；步骤1-4、去除第一矩形牺牲芯模表面和工作基体表面，以及第一矩形牺牲芯模端部的绝缘胶，并对去胶表面精密研磨，获得“凹”型腔体侧壁精密上表面，其精度在数十纳米量级；步骤1-5、对工件基体精密研磨后的表面涂覆绝缘胶，将带着工件基体的第一矩形牺牲芯模放入选择性刻蚀济中，快速溶解第一矩形牺牲芯模及铜层研磨基体，获得带有工件基体的纯金“凹”型腔体；

步骤2、制造太赫兹金属镀层空芯矩形波导的“凹”型覆盖板；步骤2-1、利用微细电解线切割加工方法在厚金属平板上制造出带有工件基体的第二矩形牺牲芯模，第二矩形牺牲芯模具有三个高精密切割表面，其宽度为W₂、高度为H₂、长度为L₂；步骤2-2、在第二矩形牺牲芯模非高精密切割表面及工作基体对应的表面，以及第二矩形牺牲芯模前端部涂覆绝缘胶；步骤2-3、在涂覆绝缘胶的第二矩形牺牲芯模和工作基体的非绝缘表面电镀金层，其厚度T₂为几十微米量级；步骤2-4、去除镀金的第二矩形牺牲芯模表面和工作基体表面，及第二矩形牺牲芯模端部的绝缘胶，并将镀金的第二矩形牺牲芯模从工件基体后端部切断；步骤2-5、将切断后的镀金的第二矩形牺牲芯模放入选择性刻蚀济中，快速溶解第二矩形牺牲芯模，获得不带工件基体的纯金“凹”覆盖板；

步骤3、将“凹”型腔体和“凹”覆盖板进行组合，制造太赫兹金属镀层空芯矩形波导；步骤3-1、将纯金“凹”覆盖板的内表面在长度方向上紧密贴合纯金“凹”型腔体的研磨上表面，并用微尺度金属丝进行扎紧；步骤3-2、在贴合矩形波导前端部涂覆绝缘胶；步骤3-3、在贴合矩形波导外部电镀金层进行整体密封，其厚度T₃为数十微米量级；步骤3-4、在密封矩形波导外部电铸金属层或复合镀层形成波导基体，其厚度D₃为毫米量级；步骤3-5、将电铸后的矩形波导后端部从工件基体上切断，并去除前端部的绝缘胶，对前端部和后端部进行研磨整平；步骤3-6、对波导基体进行修整，获得具有装配要求外轮廓的组合式太赫兹金属镀层空芯矩形波导，其内腔宽度为W₃、高度为H₃、长度为L₃。

上述步骤1和步骤2中W₁+T₁≤W₂≤W₂+T₃、W₃=W₁、H₃=H₁、H₂＜H₁、T₁=T₂、L₃＜L₂＜L₁、D₃≥D₁;

上述步骤1和步骤2获得的矩形牺牲芯模的尺寸精度和表面质量通过优化微细电解线切割加工工艺参数保证，电镀金层、研磨基体电铸铜层、波导基体电铸层的厚度和质量通过对应的工艺参数控制。

本方法的有益效果是：

1、实现了太赫兹矩形波导腔体具体尺寸的柔性可控。本发明利用微细电解线切割加工方法进行矩形芯模加工，理论上可以实现端面尺寸在数十微米甚至数微米级别的高精密矩形牺牲芯模加工，因此本发明通过高精密矩形牺牲芯模间接控制的“凹”型腔体即波导腔体端面尺寸可以达到数十微米甚至数微米级别，这显然满足了工作频率在1THz及以上太赫兹金属矩形波导腔体端面尺寸的要求。

2、解决了太赫兹矩形波导微腔体内表面高精密电镀的难题。通过在高精密矩形牺牲芯模外表面电镀金层及其自身的选择性溶解，获得了复制矩形牺牲芯模三个切割表面的纯金“凹”型腔体和复制矩形牺牲芯模一个切割表面的纯金“凹”型覆盖板，通过二者贴合装配，最终得到具有一致性良好的四个高精密镀金内表面的矩形波导腔体。

3、提高了太赫兹矩形波导整体制造的效率。本发明通过“凹”型腔体和“凹”型覆盖板的贴合装配和镀金密封实现太赫兹金属镀层矩形波导的整体制造。相对于现有的在芯模四个表面电镀金再进行芯模溶解的制造方法中芯模溶解时间长、溶解残留难以清除干净、长时间溶解易破坏电镀金层表面质量的问题，本发明的“凹”型腔体属于敞开式的，在恒温水浴加热、超声波震荡辅助等条件下可以在数小时到数十小时内实现芯模材料的快速溶解，间接提高了太赫兹矩形波导的制造效率，另外溶解时间较短，纯金“凹”型腔体在溶解试剂中浸泡时间大大减小，不会造成腔体内部表面质量的受损。

4、扩大了芯模材料、芯模溶解试剂、波导基体电铸金属层的选择范围。现有方法中为了提高芯模材料的溶解效率，往往选择纯铝、纯镍等材料进行芯模加工，然而上述材料尤其是纯铝材料在进行大长径比矩形芯模加工时极易变形并且尺寸精度和表面质量较难控制，本发明中的“凹”型腔体和“凹”型覆盖板属于敞开式并且是纯金材料，因此芯模材料的选择范围大为提高，可选用硬度较高的金属材料，只需要有应的溶解试剂即可，解决了大长径比矩形牺牲芯模易变形的问题。另外，本发明的“凹”型腔体和“凹”型覆盖板在贴合装配和镀金密封后可以在其外部电铸电铸铜层、内层和其他复合金属层。

附图说明

图1-1是微细电解线切割得到的高精密的第一矩形牺牲芯模示意图；

图1-2是高精密矩形牺牲芯模单面涂覆绝缘胶示意图；

图1-3是高精密矩形牺牲芯模非绝缘表面电镀金层示意图；

图1-4是高精密矩形牺牲芯模电镀金层外部电铸铜层研磨基体示意图；

图1-5是高精密矩形牺牲芯模电镀金层外部电铸铜层后去除绝缘胶示意图；

图1-6是“凹”型腔体上表面精密研磨示意图；

图1-7是基体上涂覆绝缘胶示意图；

图1-8是矩形牺牲芯模溶解制造“凹”型腔体示意图；

图2-1是微细电解线切割得到高精密的第二矩形牺牲芯模示意图；

图2-2是高精密矩形牺牲芯模非切割表面涂覆绝缘胶示意图；

图2-3是高精密矩形牺牲芯模非绝缘表面电镀金层示意图；

图2-4是高精密矩形牺牲芯模非绝缘表面电镀金层后去除绝缘胶示意图；

图2-5是镀金芯模从基体切断示意图；

图2-6是芯模溶解制造“凹”型覆盖板示意图；

图3-1是“凹”型覆盖板从内部和“凹”型腔体研磨上表面贴合示意图；

图3-2是用微尺度金属丝扎紧及端部涂覆绝缘胶示意图；

图3-3是贴合腔体镀金密封示意图；

图3-4是贴合腔体镀金密封后电铸形成波导基体示意图；

图3-5是波导基体从工件基体上切断示意图；

图3-6是波导基体整平修整得到具有装配外轮廓要求的波导示意图；

图4是微细电解线切割加工的高精密牺牲矩形芯模整体及局部放大图；

图5是矩形牺牲芯模电镀金表面的整体及局部放大图；

图6是纯金“凹”型腔体的整体及局部放大图；

图7是高精密矩形牺牲芯模微细电解线切割加工表面粗糙度及加工圆角半径测量形貌及结果。

图8是纯金“凹”型腔体内部表面粗糙度及圆角半径测量形貌及结果。

图中标号名称：1、第一矩形牺牲芯模，2、工件基体，3、绝缘胶，4、电镀金层，5、电铸铜层研磨基体，6、“凹”型腔体侧壁精密研磨上表面，7、纯金“凹”型腔体，8、第二矩形牺牲芯模，9、切断后的镀金芯模，10、纯金“凹”型覆盖板，11、“凹”型覆盖板和“凹”型腔体贴合后的波导，12、微尺度金属丝，13、贴合波导的密封电镀金层，14、波导基体，15、从工件基体上切断后的组合波导，16、整平修整后的组合波导，17、高精密矩形牺牲芯模微细电解线切割表面，18、高精密矩形牺牲芯模加工圆角半径，19、纯金“凹”型腔体内表面，20、纯金“凹”型腔体圆角半径。

具体实施方法

为了使本发明的内容更容易被理解,下面根据“凹”型腔体的制造验证示例并结合附图,对本发明做进一步详细的解释。

图1-1至图1-8说明了“凹”型腔体制造过程。如图1-1、图1-2所示，在对第一矩形牺牲芯模完成微细电解线切割后，由于矩形牺牲芯模宽度大于高度，一般在宽度方向选取一个表面利用绝缘胶进行绝缘。如图1-3、图1-4所示，在单面绝缘后的矩形牺牲芯模三个非绝缘表面依次电镀金层、电铸铜层。如图1-5、图1-6所示，去除绝缘胶并对去胶表面进行整体超精密抛磨，获得“凹”型腔体侧壁的精密上表面。如图1-7、图1-8所示，对工件基体涂覆绝缘胶，利用溶解试剂对矩形芯模、电镀铜层溶解获得带有工件基体的纯金“凹”型腔体。

图2-1至图2-6说明了“凹”型覆盖板制造过程。如图2-1、图2-2所示，对厚金属平板工件进行微细电解线切割加工获得第二矩形牺牲芯模的三个切割表面及具体尺寸，在非切割表面及工件前端部进行绝缘。如图2-3、图2-4所示，高精密矩形牺牲芯模非绝缘表面电镀金层并去除绝缘胶。如图2-5、图2-6所示，将三面镀金芯模从基体上切断并利用刻蚀济溶解芯模材料获得不带工件基体的纯金“凹”型覆盖板。

图3-1至图3-6说明了“凹”型腔体和“凹”型覆盖板组合制造太赫兹金属镀层空芯矩形波导的过程。如图3-1、图3-2所示，将凹”型覆盖板从内部和“凹”型腔体研磨上表面进行贴合，利用微尺度的金属丝对贴合后的工件进行扎紧并利用绝缘胶对其前端部进行密封。如图3-3、图3-4所示，在扎紧后的的贴合外部电镀金层进行进一步密封，在金层外表面电铸金属层或复合镀层形成波导基体。如图3-5、图3-6所示，将波导基体从工件基体上切断并进行整平修整获得具有装配外轮廓需求的太赫兹金属镀层空芯矩形波导。

图4、图5及图6验证了“凹”型腔体和“凹”型覆盖板制造的可行性。如图4所示，在脉冲电压为5V、周期为5us、脉宽为60ns的电参数条件下，利用20um的钨丝在0.1molL的稀盐酸溶液中对纯镍平板工件以0.25um/s进给速度进行微细电解线切割加工，最终得到的长度为6mm、宽度为254um、厚度为127um的高精密矩形牺牲芯模结果。如图5所示，利用柠檬酸金钾溶解在单面绝缘后的矩形芯模表面进行立式旋转电镀金，电镀金电流密度为0.5A/dm、时间为4h，矩形芯模阴极转速为10 r/min，最终获得的非绝缘表面电镀金层结果。如图6所示，利用TFG镍刻蚀济对矩形纯镍芯模材料进行溶解，溶解时间小于24小时，最终获得的纯金“凹”型腔体。

图7及图8验证了本发明的方法中“凹”型腔体内表面形貌对高精密矩形牺牲芯模外表面形貌的精确复制。如图7所示，图7中左边是高精密矩形牺牲芯模微细电解线切割表面的AFM测量形貌及结果，图7中右边是高精密矩形牺牲芯模加工圆角半径的LECIA测量形貌及结果。如图8所示，图8中左边是纯金“凹”型腔体内表面的AFM测量形貌及结果，图8中右边是纯金“凹”型腔体内部加工圆角半径的LECIA测量形貌及结果。

Claims (2)

1.一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导组合制造方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、制造太赫兹金属镀层空芯矩形波导的“凹”型腔体（7）；

步骤1-1、利用微细电解线切割加工方法在厚平板金属上制造出带有工件基体（2）的第一矩形牺牲芯模（1），第一矩形牺牲芯模（1）具有四个高精密切割表面，其宽度为W₁、高度为H₁、长度为L₁；

步骤1-2、在第一矩形牺牲芯模（1）宽度方向任意选取一个切割表面，在第一矩形牺牲芯模（1）的该切割表面以及工件基体（2）对应的切割表面涂覆绝缘胶（3），在第一矩形牺牲芯模前端部也涂覆绝缘胶（3）；

步骤1-3、在涂覆绝缘胶的第一矩形牺牲芯模（1）和工件基体（2）的三个非绝缘表面电镀金层（4），其厚度T₁为几十微米量级，在电镀金层外部电铸铜层研磨基体（5），其厚度D₁为数百微米量级；

步骤1-4、去除第一矩形牺牲芯模表面和工件基体（2）表面，以及第一矩形牺牲芯模端部的绝缘胶（3），并对去胶表面精密研磨，获得“凹”型腔体侧壁精密上表面（6），其精度在数十纳米量级；

步骤1-5、对工件基体（2）精密研磨后的表面涂覆绝缘胶，将带着工件基体（2）的第一矩形牺牲芯模（1）放入选择性刻蚀剂 中，快速溶解第一矩形牺牲芯模（1）及铜层研磨基体（5），获得带有工件基体（2）的纯金“凹”型腔体（7）；

步骤2、制造太赫兹金属镀层空芯矩形波导的“凹”型覆盖板（10）；

步骤2-1、利用微细电解线切割加工方法在厚金属平板上制造出带有工件基体（2）的第二矩形牺牲芯模（8），第二矩形牺牲芯模（8）具有三个高精密切割表面，其宽度为W₂、高度为H₂、长度为L₂；

步骤2-2、在第二矩形牺牲芯模（8）非高精密切割表面及工件基体对应的表面，以及第二矩形牺牲芯模（8）前端部涂覆绝缘胶（3）；

步骤2-3、在涂覆绝缘胶（3）的第二矩形牺牲芯模和工件基体的非绝缘表面电镀金层（4），其厚度T₂为几十微米量级；

步骤2-4、去除镀金的第二矩形牺牲芯模（8）表面和工件基体表面，及第二矩形牺牲芯模（8）端部的绝缘胶（3），并将镀金的第二矩形牺牲芯模（8）从工件基体（2）后端部切断；

步骤2-5、将切断后的镀金的第二矩形牺牲芯模（8）放入选择性刻蚀剂 中，快速溶解第二矩形牺牲芯模（8），获得不带工件基体的纯金“凹”覆盖板（10）；

步骤3、将“凹”型腔体（7）和“凹”覆盖板（10）进行组合，制造太赫兹金属镀层空芯矩形波导（16）；

步骤3-1、将纯金“凹”覆盖板（10）的内表面在长度方向上紧密贴合纯金“凹”型腔体（7）的研磨上表面（6），并用微尺度金属丝（12）进行扎紧；

步骤3-2、在贴合矩形波导前端部涂覆绝缘胶（3）；

步骤3-3、在贴合矩形波导外部电镀金层（13）进行整体密封，其厚度T₃为数十微米量级；

步骤3-4、在密封矩形波导外部电铸金属层或复合镀层形成波导基体（14），其厚度D₃为毫米量级；

步骤3-5、将电铸后的矩形波导后端部从工件基体（2）上切断，并去除前端部的绝缘胶（3），对前端部和后端部进行研磨整平；

步骤3-6、对波导基体（14）进行修整，获得具有装配要求外轮廓的组合式太赫兹金属镀层空芯矩形波导（16），其内腔宽度为W₃、高度为H₃、长度为L₃。

2.根据权利要求1所述的太赫兹金属镀层空芯矩形波导组合制造方法，其特征在于：

上述步骤1和步骤2中W₁+T₁≤W₂≤W₂+T₃、W₃=W₁、H₃=H₁、H₂＜H₁、T₁=T₂、L₃＜L₂＜L₁、D₃≥D₁;

上述步骤1和步骤2获得的矩形牺牲芯模的尺寸精度和表面质量通过优化微细电解线切割加工工艺参数保证，电镀金层、研磨基体电铸铜层、波导基体电铸层的厚度和质量通过对应的工艺参数控制。

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