CN110408978A - 一种基于电化学沉积的金属微构件互联方法 - Google Patents

一种基于电化学沉积的金属微构件互联方法 Download PDF

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Abstract

一种基于电化学沉积的金属微构件互联方法，涉及一种金属微构件互联方法。目的是解决焊接方法对金属微构件进行互联时成功率低的问题。方法：金属微构件与导电基底接触，移液管内填充电解液，电解液为操作对象的金属盐溶液，移液管内电解液中放置导线并连接至电源阳极，导线的材料与沉积金属相同，导电基底连接电源阴极；移液管中的电解液与微构件连接成回路，通电后在阴极即金属微构件处发生还原反应，微构件与移液管之间生成金属沉积，此时金属沉积覆盖在金属微构件上，实现金属微构件之间的互联。本发明能够应用在制造复杂微机电系统中。本发明互联时在常温下进行，沉积时不产生高温，因此不会对金属微构件造成不可逆的损伤，本发明互联的成功率能够达到100％，本发明能够连接多种类型的金属微构件。本发明适用于金属微构件的互联。

Description

一种基于电化学沉积的金属微构件互联方法
技术领域
本发明涉及一种金属微构件互联方法。
背景技术
微构件是指微米尺度的构件，较常见的是线状的金属微构件，如微铜线。通过焊接对金属微构件进行组装时，产生的高温会对构件造成变形、损坏等不可逆的损伤，导致互联失败，降低了组装的成功率。
发明内容
本发明为了解决现有采用焊接方法对金属微构件进行互联时成功率低的问题，提出一种基于电化学沉积的金属微构件互联方法。
本发明基于电化学沉积的金属微构件互联方法按照以下步骤进行：
步骤一、取管嘴半径为rNozzle、管嘴长度为L1的移液管；
步骤二、计算稳态电流i；
所述稳态电流i的表达式为：
公式(1)中，Z是金属微构件的金属离子充电数；F是法拉第常数；D是离子的扩散系数；L1是管嘴长度；c是电解液的浓度；d是管嘴直径；
步骤三、计算沉积金属的生长速率v；
所述沉积金属的生长速率v的表达式为：
公式(2)中，i表示稳态电流；M表示沉积金属的摩尔质量；n表示沉积金属离子的带电数；F为法拉第常数；ρ为沉积金属的密度；Dw为沉积金属的直径；
步骤四、计算得到高度为L的沉积金属所需的沉积时间t；
步骤五、进行互联
将金属微构件置于导电基底上，向移液管内填充电解液，在移液管进口端套设转接套管，转接套管另一端连接进气管，在转接套管侧壁开口，将微电极一端从转接套管侧壁开口插入至电解液内部，然后密封转接套管侧壁开口，微电极另一端连接至电源阳极，导电基底连接电源阴极，将移液管固定到微动平台上，利用微动平台将移液管移动到金属微构件上方；
向移液管的进气管通入气体，使移液管管嘴端面的电解液形成凸出的电解液表面，同时利用降低移液管至当移液管管嘴端面接触金属微构件，然后开启电源施加步骤三计算得到的稳态电流i进行沉积，沉积时利用微动平台提升移液管，提升速率与沉积金属的生长速率v相同，达到沉积时间t后撤离移液管，即完成金属微构件互联。
进一步地，步骤一、步骤二和步骤五中所述电解液中的金属元素与金属微构中的金属元素相同。
进一步地，所述电解液的浓度为100～300mol/m3。
进一步地，步骤三所述沉积金属直径Dw的获取方法为：取与金属微构件材质相同的金属板材，将金属微构件置于导电基底上，向移液管内填充电解液，在移液管进口端套设转接套管，转接套管另一端连接进气管，在转接套管侧壁开口，将微电极一端从转接套管侧壁开口插入至电解液内部，然后密封转接套管侧壁开口，微电极另一端连接至电源阳极，导电基底连接电源阴极，将移液管固定到微动平台上，利用微动平台将移液管移动到金属板材上方；
向移液管的进气管通入气体，使移液管管嘴端面的电解液形成凸出的电解液表面，同时利用微动平台降低移液管至凸出的电解液表面接触金属板材，然后开启电源施加步骤二计算得到的稳态电流i进行沉积，沉积后测量所得沉积金属直径Dw。
进一步地，步骤四所述沉积时间t的表达式为：
进一步地，步骤四所述沉积金属高度L为金属微构件直径的20～25％。
进一步地，步骤五所述微电极的材质与沉积金属相同。
进一步地，步骤五所述向移液管中通入的气体为惰性气体。
进一步地，所述惰性气体为氮气。
本发明原理为：
本发明互联时金属微构件与导电基底接触，移液管内填充电解液，移液管内电解液中放置导线并连接至电源阳极，导电基底连接电源阴极；移液管中的电解液与金属微构件连接成回路。通电后，在阴极即金属微构件处发生还原反应，金属微构件与移液管之间生成金属沉积，此时金属沉积覆盖在金属微构件上，实现金属微构件之间的互联。
在微观环境下，移液管中的电解液与移液管内壁之间因为毛细作用会产生吸附，吸附会导致移液管喷嘴端面的电解液是凹面，凹面的电解液无法与金属微构件之间接触，间接影响沉积。本发明利用通入的气体对电解液施加压力，促使移液管喷嘴端面的电解液形成凸出的液体液面，使电解液与金属微构件之间接触，保证了沉积成功，继而提高了互联的成功率。
本发明的有益效果是：
本发明金属微构件互联时采用的移液管体积小，能够应用在制造复杂微机电系统中。本发明通过金属沉积实现对金属微构件的互联，金属微构件之间通过沉积金属牢固连接，由于互联时在常温下进行，沉积时不产生高温，因此不会对金属微构件造成不可逆的损伤，本发明互联的成功率能够达到100％；并且需要的移液管制备方法简单，制备周期短，制备成本低。本发明方法采用的电解液中的金属元素与金属微构中的金属元素相同，避免了沉积过程中电流波动，保证了沉积质量。
附图说明
图1实施例1中移液管的示意图；
图2为图1中a处放大图；
图3实施例1中互联过程示意图。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加的清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
结合图1和图2说明，本实施例中互联的金属微构件为两根微铜线，微铜线的长度为100μm，半径为10μm。其中一根微铜线一端与另一根微铜线中部垂直接触，接触点为连接点，本实施例采用的电解液为浓度200mol/m3的硫酸铜溶液；
本实施例基于电化学沉积的金属微构件互联方法按照以下步骤进行：
步骤一、取管嘴半径为rNozzle、管嘴长度为L1的移液管(石英移液管)；移液管中的管嘴使用微机械加工技术制备；
所述rNozzle为移液管下端管嘴的半径，rNozzle＝7.5×10-6m；L1为管嘴长度，L1＝5×10-6m；
步骤二、计算稳态电流i；
所述稳态电流i的表达式为：
公式(1)中，Z是铜离子的充电数，Z＝2；F是法拉第常数，F＝96485.3383C/mol；D是离子的扩散系数，D＝2×10-10m2/s；L1是管嘴长度，L1＝5×10-6m；c是电解液的浓度，c＝200mol/m3；d为管嘴直径，d＝15×10-6m；
步骤三、计算沉积金属的生长速率v；
所述沉积金属的生长速率v的表达式为：
公式(2)中，i表示稳态电流，i＝3.25×10-7A；M表示铜的摩尔质量，取M＝6.4×10-2Kg/mol；n表示铜离子的带电数，取n＝2；F为法拉第常数，取F＝96485.3383C/mol；ρ为铜的密度，单位为Kg/m3，8.9×103Kg/m3；Dw为沉积金属的直径，Dw＝12×10-6m；
步骤三所述沉积金属直径Dw的获取方法为：取与金属微构件材质相同的金属板材，将金属微构件置于导电基底上，向移液管内填充电解液，在移液管进口端套设转接套管，转接套管另一端连接进气管，在转接套管侧壁开口，将微电极一端从转接套管侧壁开口插入至电解液内部，然后密封转接套管侧壁开口，微电极另一端连接至电源阳极，导电基底连接电源阴极，将移液管固定到微动平台上，利用微动平台将移液管移动到金属板材上方；
向移液管的进气管通入气体，使移液管管嘴端面的电解液形成凸出的电解液表面，同时利用微动平台降低移液管至凸出的电解液表面接触金属板材，然后开启电源施加步骤二计算得到的稳态电流i进行沉积，沉积后测量所得沉积金属直径Dw。
步骤四、计算得到高度为L的沉积金属所需的沉积时间t；
步骤四所述沉积金属高度L为金属微构件直径的20％，L＝4×10-6m；
所述沉积时间t的表达式为：
公式(3)中，L沉积金属高度，L＝4×10-6m；t为沉积时间，计算得t＝40s；
步骤五、进行互联
将金属微构件置于导电基底上，向移液管内填充电解液，在移液管进口端套设转接套管，转接套管另一端连接进气管，在转接套管侧壁开口，将微电极一端从转接套管侧壁开口插入至电解液内部，然后密封转接套管侧壁开口，微电极另一端连接至电源阳极，导电基底连接电源阴极，将移液管固定到微动平台上，利用微动平台将移液管移动到金属微构件上方；
向移液管的进气管通入气体，使移液管管嘴端面的电解液形成凸出的电解液表面，同时利用微动平台降低移液管至凸出的电解液表面接触金属微构件，然后开启电源施加步骤三计算得到的稳态电流i进行沉积，沉积时利用微动平台提升移液管，提升速率与沉积金属的生长速率v相同，达到沉积时间t后撤离移液管，即完成金属微构件互联。
图1实施例1中移液管的示意图；图中1为进气管，2为微电极，3为转接套管，4为电解液；图2为图1中a处放大图；图中5为移液管管嘴与移液管主体之间设置的直管段，6为移液管管嘴，L为移液管下端管嘴的长度；图3实施例1中互联过程示意图。图中a为移液管管嘴，b为电解液，c为互联的两个微铜线，d为互联过程中形成的沉积金属，图中状态(1)为未通入气体时管嘴处电解液下表面的内凹液面形态；图中状态(2)为通入气体后，移液管下端内电解液的形态呈凸出状；状态(3)为电解液流淌至金属微构件表面上；状态(4)为开启电源后产生沉积金属时的状态；状态(5)为互联成功后移液管离开微铜线后的状态，此时沉积金属覆盖在两个微铜线上，微铜线之间通过沉积金属粘合，实现互联。
本实施例金属微构件互联时采用的移液管体积小，能够应用在制造复杂微机电系统中。本实施例通过金属沉积实现对金属微构件的互联，金属微构件之间通过沉积金属牢固连接，由于互联时在常温下进行，沉积时不产生高温，因此不会对金属微构件造成不可逆的损伤。

Claims (9)

1.一种基于电化学沉积的金属微构件互联方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
步骤一、取管嘴半径为rNozzle、管嘴长度为L1的移液管；
步骤二、计算稳态电流i；
所述稳态电流i的表达式为：
公式(1)中，Z是金属微构件的金属离子充电数；F是法拉第常数；D是离子的扩散系数；L1是管嘴长度；c是电解液的浓度；d是管嘴直径；
步骤三、计算沉积金属的生长速率v；
所述沉积金属的生长速率v的表达式为：
公式(2)中，i表示稳态电流；M表示沉积金属的摩尔质量；n表示沉积金属离子的带电数；F为法拉第常数；ρ为沉积金属的密度；Dw为沉积金属的直径；
步骤四、计算得到高度为L的沉积金属所需的沉积时间t；
步骤五、进行互联
将金属微构件置于导电基底上，向移液管内填充电解液，在移液管进口端套设转接套管，转接套管另一端连接进气管，在转接套管侧壁开口，将微电极一端从转接套管侧壁开口插入至电解液内部，然后密封转接套管侧壁开口，微电极另一端连接至电源阳极，导电基底连接电源阴极，将移液管固定到微动平台上，利用微动平台将移液管移动到金属微构件上方；
向移液管的进气管通入气体，使移液管管嘴端面的电解液形成凸出的电解液表面，同时利用微动平台降低移液管至凸出的电解液表面接触金属微构件，然后开启电源施加步骤三计算得到的稳态电流i进行沉积，沉积时利用微动平台提升移液管，提升速率与沉积金属的生长速率v相同，达到沉积时间t后撤离移液管，即完成金属微构件互联。
2.根据权利要求1所述的基于电化学沉积的金属微构件互联方法，其特征在于：步骤一、步骤二和步骤五中所述电解液中的金属元素与金属微构中的金属元素相同。
3.根据权利要求3所述的基于电化学沉积的金属微构件互联方法，其特征在于：所述电解液的浓度为100～300mol/m3。
4.根据权利要求1所述的基于电化学沉积的金属微构件互联方法，其特征在于：步骤三所述沉积金属直径Dw的获取方法为：
取与金属微构件材质相同的金属板材，将金属微构件置于导电基底上，向移液管内填充电解液，在移液管进口端套设转接套管，转接套管另一端连接进气管，在转接套管侧壁开口，将微电极一端从转接套管侧壁开口插入至电解液内部，然后密封转接套管侧壁开口，微电极另一端连接至电源阳极，导电基底连接电源阴极，将移液管固定到微动平台上，利用微动平台将移液管移动到金属板材上方；
向移液管的进气管通入气体，使移液管管嘴端面的电解液形成凸出的电解液表面，同时利用微动平台降低移液管至凸出的电解液表面接触金属板材，然后开启电源施加步骤二计算得到的稳态电流i进行沉积，沉积后测量所得沉积金属直径Dw。
5.根据权利要求1所述的基于电化学沉积的金属微构件互联方法，其特征在于：步骤四所述沉积时间t的表达式为：
6.根据权利要求1所述的基于电化学沉积的金属微构件互联方法，其特征在于：步骤四所述沉积金属高度L为金属微构件直径的20～25％。
7.根据权利要求1所述的基于电化学沉积的金属微构件互联方法，其特征在于：步骤五所述微电极的材质与沉积金属相同。
8.根据权利要求1所述的基于电化学沉积的金属微构件互联方法，其特征在于：步骤五所述向移液管中通入的气体为惰性气体。
9.根据权利要求9所述的基于电化学沉积的金属微构件互联方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气。
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