CN110509001B - 整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法，属于太赫兹微器件精密制造领域。其特征在于：利用微细电解线切割技术和微细电镀技术组合制造中间是纯铝上下表面是纯镍或者纯金的镍铝复合矩形芯模或者金铝复合矩形芯模，在波导基体成型后，实现狭长微腔体内部铝基矩形芯模的快速蚀除。本发明在纯铝高品质微加工的基础上，显著提高狭长波导微腔体内矩形芯模的溶解效率，实现整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导高效、精密制造，具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法，属于太赫兹微器件精密制造领域。
背景技术
太赫兹波的传输、构建、接收、探测都强烈依赖于太赫兹系统中各种高品质的太赫兹微结构器件。太赫兹波导是其中一种最具代表性的关键核心器件，种类复杂多样，金属空芯镀层矩形波导具有损耗低、柔韧性好和安全性高等优点，应用需求日益迫切。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，其腔体端面尺寸微小、加工公差、圆角及内层粗糙度要求极高，例如工作频率为1THz的太赫兹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，对现有的微纳加工技术提出了严峻的挑战。
国内外研究人员已经开展了太赫兹金属矩形波导制造工艺的研究。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，太赫兹金属矩形波导制造工艺虽然取得了一定的进展，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，并且制造的精度低、质量差。低频段太赫兹金属矩形波导的“造不精”，高频段的 “造不出”，制造的“卡脖子”问题制约了高性能信号传输对于高品质太赫兹金属空芯镀层矩形波导的需求。
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），在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，该方法基于矩形芯模实现太赫兹矩形波导微腔体的构建造成了狭长腔体内部芯模的溶解困难，制造效率低，可实施性较差。因此，有必要在此基础上提出新的方法，解决整体式矩形波导狭长微腔体内部矩形芯模溶解困难的问题。
发明内容
本发明的目的在于通过电化学组合工艺实现铝基复合矩形芯模的高品质加工极其高效去除，进而实现太赫兹金属空芯矩形波导高效、精密整体制造。
一种整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、利用微细电解线切割技术和微细电镀镍技术组合制造中间为纯铝上下表面为纯镍的镍铝复合矩形芯模；步骤1-1、对厚度为T1的纯铝箔进行双面抛磨；步骤1-2、在纯铝箔上下两个表面电镀镍，其厚度D为数十纳米到数微米量级；步骤1-3、利用微细电解线切割加工技术在镀镍铝箔上加工出长度为L1、宽度为W1、高度为H1的大长径比镍铝复合矩形芯模。
步骤2、利用微细电镀金技术、电铸铜技术和微细电解线切割技术组合制造内部为金层外部为铜层的铜金镍铝复合波导基体；步骤2-1、在镍铝复合矩形芯模前端部和后端部涂覆绝缘胶；步骤2-2、在镍铝复合矩形芯模矩形芯模外表面电镀金，其厚度D1为数十纳米到数微米量级；步骤2-3、在电镀金层外部电铸铜，其厚度D2为数百微米到数毫米量级；步骤2-4、去除前端部和后端部的绝缘胶，利用微细电解线切割技术切除工件端部的电沉积余量并进行整平修整，获得具有清晰端面轮廓的铜金镍铝复合波导基体。
步骤3、利用碱性溶液和镍刻蚀剂组合去除镍铝复合矩形芯模，获得整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导；步骤3-1、将完成步骤2的工件放入碱性溶液中去除矩形芯模中的纯铝；步骤3-2、将完成步骤3-1的工件放入镍刻蚀剂中去除矩形芯模中的镍层；步骤3-3、对波导基体铜层外轮廓整平修整，获得内腔长度为L2、宽度为W2、厚度为H2整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导。
上述步骤中L1＞L2，W1=W2，H1=H2，H1=T1+2D；上述步骤中镍铝复合矩形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、电铸铜层的厚度和质量通过对应的优化工艺参数控制。
上述整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导是直波导、或是弯波导。
一种整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、利用微细电解线切割技术和微细电镀金技术组合制造中间为纯铝四个表面为纯金的金铝复合矩形芯模；步骤1-1、对厚度为T2的纯铝箔进行双面抛磨；步骤1-2、在纯铝箔上下两个表面电镀金，其厚度D3为数十纳米到数微米量级；步骤1-3、利用微细电解线切割加工技术在镀金铝箔上加工出长度为L3、宽度为W3、高度为H3的具有上下镀金表面的金铝复合矩形芯模；步骤1-4、在金铝复合矩形芯模前端部及后端部涂覆绝缘胶，在非绝缘的四个表面电镀金，其厚度D4为数十纳米到数微米量级。步骤2、在完成步骤1的工件表面电铸铜，其厚度D5为数百微米到数毫米量级；步骤3、去除前端部和后端部的绝缘胶，利用微细电解线切割技术切除工件端部的电沉积余量并进行整平修整，获得具有清晰端面轮廓的铜金铝复合波导基体。步骤4、利用碱性溶液去除金铝复合矩形芯模中的纯铝；步骤5、对波导基体铜层外轮廓整平修整，获得长度为L4、宽度为W4、高度为H4整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导。
上述步骤中L3＞L4，W3=W4，H3＞H4，H4=T2= H3-2D3，D3=D4；上述步骤中金铝复合矩形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、电铸铜层的厚度和质量通过对应的优化工艺参数控制。上述整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导是直波导、或是弯波导。
本方法的有益效果是：
1、实现了铝基矩形芯模的高品质加工。用于太赫兹金属矩形波导的矩形芯模长径比大、宽度一致性、表面粗糙度以及加工圆角半径要求较高。常用的微加工技术包括微细电火花加工、激光加工等都难以实现其高品质制造，而微细电解线切割加工纯铝时，由于化学性质极其活泼，常用的氯化钠溶液杂散腐蚀严重，而酸碱溶液易于与其发生反应，另外纯铝密度小、延展性强，当长径比大时极易变形，因此无法实现大长径比高品质的加工。本发明提出在纯铝表面电镀镍层或金层，加工时不仅可以有效的抑制电解加工时的杂散腐蚀，还可以防止其长径比大时矩形芯模的变形。在此基础上，本发明利用微细电解线切割的技术优势，通过工艺参数的优化控制，实现高品质纯铝矩形芯模的加工。
2、解决了整体式太赫兹金属矩形波导狭长微腔体内部矩形芯模溶解困难难题。本发明通过在直径为500μm、长度为18mm的纯铝丝表面电镀金1h并电铸铜36h后，放入1mol/L的氢氧化钠溶液溶进行纯铝芯溶解的验证性，结果表明在不添加辅助措施的前提下，仅仅小于12h的时间内，狭长腔体内部的纯铝芯即可完全溶解。因此本发明可以解决狭长微腔体内部矩形芯模溶解困难难题。
3、降低了生产制造成本。相比于使用纯镍等金属制造矩形芯模时，需要选择专用的刻蚀剂，刻蚀剂成本高，本发明的氢氧化钠溶液成本更低。相比于其他材料的矩形芯模材料溶解时需要数十小时甚至数百小时的时间，本发明溶解速度快时间短，显著提高了效率，降低了生产成本。
4、扩大了应用范围。当矩形芯模使用纯镍等金属材料时，由于矩形芯模极难溶解，当矩形波导为弯波导等其它形状时，狭长微腔体内的芯模材料将更难溶解。本发明中的使用铝基矩形芯模解决了溶解困难的难题，因此可以实现弯曲及其他形状的整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导的制造。
附图说明
图1-1是制造镍铝复合矩形芯模用的纯铝箔双面抛磨示意图；
图1-2是纯铝箔上下两个表面电镀纯镍镀层示意图；
图1-3是微细电解线切割加工镍铝复合矩形芯模示意图；
图2-1是在镍铝复合矩形芯模前端部和后端部涂覆绝缘胶示意图；
图2-2是矩形芯模外表面电镀金层示意图；
图2-3是电镀金层外部电铸铜层示意图；
图2-4是去除前端部和后端部绝缘胶示意图；
图2-5是利用微细电解线切割技术切除工件端部的电沉积余量并进行整平修整后获得具有清晰端面轮廓的铜金镍铝复合波导基体示意图；
图3-1是碱性溶液去除矩形芯模中的纯铝示意图；
图3-2是镍刻蚀剂去除矩形芯模中的镍层示意图；
图3-3是对波导基体铜层外轮廓整平修整获得整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导示意图；
图4-1是是制造金铝复合矩形芯模用的纯铝箔双面抛磨示意图；
图4-2是纯铝箔上下两个表面电镀纯金镀层示意图；
图4-3是微细电解线切割加工金铝复合矩形芯模示意图；
图5是金铝复合矩形芯模四个表面电镀金层制造过程示意图；
图6是金铝复合矩形芯模四个表面电镀金层表面电铸铜层制造过程示意图；
图7是利用微细电解线切割技术切除工件端部的电沉积余量并进行整平修整后获得具有清晰端面轮廓的铜金铝复合波导基体制造过程示意图；
图8是碱性溶液去除金铝复合矩形芯模中的纯铝制造过程示意图；
图9是外轮廓整平修整获得整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导制造过程示意图；
图中标号名称：1、制造镍铝复合矩形芯模用的厚度为T1的纯铝箔，2、厚度为D的纯镍镀层，3、长度为L1、宽度为W1、高度为H1的大长径比镍铝复合矩形芯模，4、镍铝复合矩形芯模用的绝缘胶，5、厚度为D1的电镀金层，6、“厚度为D2的电铸铜层，7、具有清晰端面轮廓的铜金镍铝复合波导基体，8、待去除的镍铝复合矩形芯模中的纯铝，9、待去除的镍铝复合矩形芯模中的纯镍层，10、内腔长度为L2、宽度为W2、厚度为H2整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导，11、制造金铝复合矩形芯模用的厚度为T2的纯铝箔，12、厚度为D3的纯金镀层，13、长度为L3、宽度为W3、高度为H3的具有上下镀金表面的金铝复合矩形芯模，14、金铝复合矩形芯模用的绝缘胶，15、厚度为D4的电镀金层，16、厚度为D5的电铸铜层，17、具有清晰端面轮廓的铜金铝复合波导基体，18、待去除金铝复合矩形芯模中的纯铝，19、长度为L4、宽度为W4、高度为H4的整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导，
具体实施方法
为了使本发明的内容更容易被理解,下面结合附图,对本发明做进一步详细的解释。
图1-1至图3-3说明了基于镍铝复合矩形芯模的整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法制造过程。
图1-1至图1-3说明了利用微细电解线切割技术和微细电镀镍技术组合制造中间为纯铝上下表面为纯镍的镍铝复合矩形芯模的过程。图1-1是对厚度为T1的纯铝箔1进行双面抛磨；图1-2是在纯铝箔上下两个表面电镀纯镍镀层2；图1-3是利用微细电解线切割加工技术在镀镍铝箔上加工出长度为L1、宽度为W1、高度为H1的大长径比镍铝复合矩形芯模3.
图2-1至图2-5说明了利用微细电镀金技术、电铸铜技术和微细电解线切割技术组合制造内部为金层外部为铜层的铜金复合波导基体的过程。图2-1是在镍铝复合矩形芯模前端部和后端部涂覆绝缘胶4；图2-1是在镍铝复合矩形芯模矩形芯模外表面电镀金层5；图2-2是在电镀金层外部电铸铜层6；图2-3是去除前端部和后端部的绝缘胶，利用微细电解线切割技术切除工件端部的电沉积余量并进行整平修整，获得具有清晰端面轮廓的铜金镍铝复合波导基体7。
图3-1至图3-3说明了利用碱性溶液和镍刻蚀剂组合去除镍铝复合矩形芯模，获得整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导的过程。图3-1是将完成步骤2的工件放入碱性溶液中去除矩形芯模中的纯铝8；图3-2是将完成步骤3-1的工件放入镍刻蚀剂中去除矩形芯模中的镍层9；图3-3是对波导基体铜层外轮廓整平修整，获得内腔长度为L2、宽度为W2、厚度为H2整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导10。
图4-1至图9说明了基于金铝复合矩形芯模的整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法制造过程。
图4-1至图4-3以及图5说明了利用微细电解线切割技术和微细电镀金技术组合制造中间为纯铝四个表面为纯金的金铝复合矩形芯模的过程。图4-1是对厚度为T2的纯铝箔11进行双面抛磨；图4-2是在纯铝箔上下两个表面电镀纯金镀层12，其厚度D3为数十纳米到数微米量级；图4-3是利用微细电解线切割加工技术在镀金铝箔上加工出长度为L3、宽度为W3、高度为H3的具有上下镀金表面的金铝复合矩形芯模13。图5说明了在金铝复合矩形芯模前端部及后端部涂覆绝缘胶14，在非绝缘的四个表面电镀金层15的过程。
图6说明了在完成步骤2的工件表面电铸铜层16的过程。图7说明了去除前端部和后端部的绝缘胶，利用微细电解线切割技术切除工件端部的电沉积余量并进行整平修整，获得具有清晰端面轮廓的铜金镍复合波导基体17的过程。图8说明了利用碱性溶液去除金铝复合矩形芯模中的纯铝18的过程。图9说明了对波导基体铜层外轮廓整平修整，获得长度为L4、宽度为W4、高度为H4整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导19的过程。
Claims (6)
1.一种整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、利用微细电解线切割技术和微细电镀镍技术组合制造中间为纯铝上下表面为纯镍的镍铝复合矩形芯模；
步骤1-1、对厚度为T1的纯铝箔（1）进行双面抛磨；
步骤1-2、在纯铝箔上下两个表面电镀镍（2），其厚度D为数十纳米到数微米量级；
步骤1-3、利用微细电解线切割加工技术在镀镍铝箔上加工出长度为L1、宽度为W1、高度为H1的大长径比镍铝复合矩形芯模（3）；
步骤2、利用微细电镀金技术、电铸铜技术和微细电解线切割技术组合制造内部为金层外部为铜层的铜金镍铝复合波导基体；
步骤2-1、在镍铝复合矩形芯模前端部和后端部涂覆绝缘胶（4）；
步骤2-2、在镍铝复合矩形芯模矩形芯模外表面电镀金（5），其厚度D1为数十纳米到数微米量级；
步骤2-3、在电镀金层外部电铸铜（6），其厚度D2为数百微米到数毫米量级；
步骤2-4、去除前端部和后端部的绝缘胶，利用微细电解线切割技术切除工件端部的电沉积余量并进行整平修整，获得具有清晰端面轮廓的铜金镍铝复合波导基体（7）；
步骤3、利用碱性溶液和镍刻蚀剂组合去除镍铝复合矩形芯模，获得整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导；
步骤3-1、将完成步骤2的工件放入碱性溶液中去除矩形芯模中的纯铝（8）；
步骤3-2、将完成步骤3-1的工件放入镍刻蚀剂中去除矩形芯模中的镍层（9）；
步骤3-3、对波导基体铜层外轮廓整平修整，获得内腔长度为L2、宽度为W2、厚度为H2整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导（10）。
2.根据权利要求1所述的整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法，其特征在于：
上述步骤中L1＞L2，W1=W2，H1=H2，H1=T1+2D；
上述步骤中镍铝复合矩形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、电铸铜层的厚度和质量通过对应的优化工艺参数控制。
3.根据权利要求1所述的整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法，其特征在于：
上述整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导是直波导、或是弯波导。
4.一种整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、利用微细电解线切割技术和微细电镀金技术组合制造中间为纯铝四个表面为纯金的金铝复合矩形芯模；
步骤1-1、对厚度为T2的纯铝箔（11）进行双面抛磨；
步骤1-2、在纯铝箔上下两个表面电镀金（12），其厚度D3为数十纳米到数微米量级；
步骤1-3、利用微细电解线切割加工技术在镀金铝箔上加工出长度为L3、宽度为W3、高度为H3的具有上下镀金表面的金铝复合矩形芯模（13）；
步骤1-4、在金铝复合矩形芯模前端部及后端部涂覆绝缘胶（14），在非绝缘的四个表面电镀金（15），其厚度D4为数十纳米到数微米量级；
步骤2、在完成步骤1的工件表面电铸铜（16），其厚度D5为数百微米到数毫米量级；
步骤3、去除前端部和后端部的绝缘胶，利用微细电解线切割技术切除工件端部的电沉积余量并进行整平修整，获得具有清晰端面轮廓的铜金铝复合波导基体（17）；
步骤4、利用碱性溶液去除金铝复合矩形芯模中的纯铝（18）；
步骤5、对波导基体铜层外轮廓整平修整，获得长度为L4、宽度为W4、高度为H4整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导（19）。
5.根据权利要求4所述的整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法，其特征在于：
上述步骤中L3＞L4，W3=W4，H3＞H4，H4=T2= H3-2D3，D3=D4；
上述步骤中金铝复合矩形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、电铸铜层的厚度和质量通过对应的优化工艺参数控制。
6.根据权利要求4所述的整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导电化学组合制造方法，其特征在于：
上述整体式太赫兹金属镀层空芯矩形波导是直波导、或是弯波导。
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