專利名稱：基于磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微細(xì)電化學(xué)加工領(lǐng)域，具體涉及一種微細(xì)電鑄方法，還涉及實(shí)施該方 法的裝置。
背景技術(shù)：
金屬微結(jié)構(gòu)與零件常常是微型機(jī)電系統(tǒng)、微機(jī)械與高技術(shù)產(chǎn)品的核心，直接影響 甚至決定著其依托產(chǎn)品的服役性能。微細(xì)加工技術(shù)是上述微結(jié)構(gòu)與零件得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)與 前提。基于電化學(xué)沉積原理的微細(xì)電鑄技術(shù)因具有高復(fù)制精度、高重復(fù)精度、寬材料選擇范 圍、低工藝操作溫度等工藝優(yōu)勢(shì)，成為金屬微細(xì)制造領(lǐng)域的主要支撐技術(shù)之一。比如，半導(dǎo) 體產(chǎn)品生產(chǎn)中的印制線路板布銅線、連通孔金屬化、復(fù)雜形狀金屬微零件與微模具的制造， 都需要微細(xì)電鑄技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)保障。產(chǎn)品微型化與高性能化的發(fā)展趨勢(shì)，激發(fā)著高深寬(徑)比微結(jié)構(gòu) (High-Aspect-Ratio Microstructures,HARMS)特征的強(qiáng)勢(shì)需求，如甚大規(guī)模集成電路、強(qiáng) 驅(qū)動(dòng)力微馬達(dá)、高靈敏度渦流傳感器等。這就要求微細(xì)電鑄技術(shù)具備更強(qiáng)的高深寬比深鑄 能力與均鑄能力，而現(xiàn)有的微細(xì)電鑄工藝受制于嚴(yán)重傳質(zhì)受限、電流密度分布畸變等技術(shù) 瓶頸，HARMS電鑄件常常呈現(xiàn)厚度不均、針孔、積瘤、組織疏松等多缺陷共存特征。提升微細(xì) 電鑄的工藝能力，減少沉積缺陷成為現(xiàn)今微細(xì)加工界亟待解決的發(fā)展問(wèn)題。從工藝實(shí)踐可行性的角度來(lái)看，破解HARMS電鑄件多沉積缺陷難題的技術(shù)關(guān)鍵是 增強(qiáng)高深寬(徑)比(High-Aspect-Ratio，HAR)特征微空間內(nèi)電鑄液的輸運(yùn)與交換能力。 目前在電化學(xué)沉積界，強(qiáng)化電極過(guò)程液相傳質(zhì)能力的主要措施有高速?zèng)_液、噴射給液、超 聲攪拌、陰極移動(dòng)或磨粒摩擦陰極表面等。但這些措施只能適用于常規(guī)電鑄工藝或小深寬 (徑)比微結(jié)構(gòu)的電鑄場(chǎng)合。這是因?yàn)?，上述大部分措施的攪拌致?dòng)力或難以突破HAR微空 間的尺度限制，或克服強(qiáng)大的表面張力滯縛，深入到微空間內(nèi)部，直接“擾動(dòng)”其中幾近靜滯 的電鑄液，實(shí)施高效的對(duì)流傳質(zhì)?；诂F(xiàn)有電鑄液致動(dòng)措施的HARMS電鑄，微空間內(nèi)的電鑄 液無(wú)法形成強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散層極厚(近似等于微空間的深度)，傳質(zhì)受限極其嚴(yán)重， 沉積缺陷多，電鑄件組織結(jié)構(gòu)參差不一。所以，有必要探索新的攪拌致動(dòng)方式或致動(dòng)力來(lái)實(shí) 現(xiàn)HAR微空間內(nèi)電鑄液的高效傳質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決微細(xì)電鑄過(guò)程液相傳質(zhì)嚴(yán)重受限的技術(shù)問(wèn)題，提供一種基于磁場(chǎng) 力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法及裝置，解決了高深寬(徑)比微結(jié)構(gòu)電鑄的液相傳質(zhì)受 限問(wèn)題，所制備的電鑄件厚度均勻，沉積缺陷少、組織致密。本發(fā)明的技術(shù)方案是以下述方式實(shí)現(xiàn)的基于磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法，首先把陽(yáng)極與陰極芯模放置在電鑄槽 內(nèi)，之后向電鑄槽內(nèi)加電鑄液、陰陽(yáng)極接通電源，當(dāng)芯模上電鑄層達(dá)到規(guī)定厚度之后斷電， 停止供液與電鑄，取出芯模脫模去膠，電鑄過(guò)程中，芯模外疊加有與陰陽(yáng)極間電流方向垂直的磁場(chǎng)。上述疊加于芯模的磁場(chǎng)為穩(wěn)恒磁場(chǎng)或變化磁場(chǎng)向電鑄槽內(nèi)加電鑄液的噴嘴出液速度不小于2mm/s。陽(yáng)極和芯模正對(duì)水平放置在電鑄槽內(nèi)，陽(yáng)極在上，芯模在下。陽(yáng)極和芯模之間相距30 50mm。電鑄槽內(nèi)電鑄液的液面高過(guò)陽(yáng)極3 5cm。實(shí)施上述方法所需要的裝置，包括電鑄系統(tǒng)、電鑄液溫度控制系統(tǒng)和電鑄液循環(huán) 系統(tǒng)，電鑄系統(tǒng)內(nèi)的芯模外側(cè)設(shè)有磁場(chǎng)發(fā)生器。所述磁場(chǎng)發(fā)生器是永磁體或者超導(dǎo)磁體發(fā)生器或者脈沖強(qiáng)磁體發(fā)生器或者復(fù)合 磁體發(fā)生器。采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果為1、直接利用磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)大深徑比微空間內(nèi)的電鑄液產(chǎn)生對(duì)流效應(yīng)，強(qiáng)力“擾動(dòng)”溶 液，傳質(zhì)高效，方法簡(jiǎn)單；2、利用磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)來(lái)強(qiáng)化微細(xì)電鑄過(guò)程的液相傳質(zhì)，傳質(zhì)效果受微結(jié)構(gòu) 的形狀特征(如特征尺寸、截面形狀、深寬比等)、電鑄槽特性(如電鑄槽大小、電鑄液組分 及其性質(zhì)、濃度等)的影響小，適用性強(qiáng)；3、磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)能直接深入到大深徑比微空間的內(nèi)部，直接攪拌沉積面附 近的電鑄液，能大大減薄擴(kuò)散層，從而提高沉積速度，大幅度減少沉積缺陷；4、磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)在強(qiáng)化微空間內(nèi)深部電鑄液傳質(zhì)作用的同時(shí)，疊加的磁場(chǎng) 效應(yīng)能進(jìn)一步調(diào)控電結(jié)晶過(guò)程，細(xì)化晶粒，優(yōu)化電鑄件的組織結(jié)構(gòu)；5、電鑄時(shí)，芯模陰極與陽(yáng)極正對(duì)水平放置，使得電鑄芯模附近液層能產(chǎn)生更明顯 的離子濃度差致自然對(duì)流現(xiàn)象，從而強(qiáng)化輔助傳質(zhì)作用，并有利于反應(yīng)伴生氣體和氣泡的 浮升排出，減少鑄層針孔缺陷。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中微細(xì)電鑄微空間內(nèi)流場(chǎng)分布示意圖；圖3是本發(fā)明的微細(xì)電鑄微空間內(nèi)流場(chǎng)分布示意圖。1.電鑄槽；2.電鑄液；3.陽(yáng)極；4.電源；5.磁場(chǎng)發(fā)生器；6.噴嘴；7.芯模；8.溫 控儀；9.加熱管；10.儲(chǔ)液槽；11.磁力泵；12.過(guò)濾器；13.截止閥；14.溫度傳感器；15.溢 流閥；16.電鑄液液流；17.電鑄液對(duì)流液流；18.渦流胞。
具體實(shí)施例方式一種基于磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法，首先把陽(yáng)極與陰極芯模放置在電 鑄槽內(nèi)，之后向電鑄槽內(nèi)加電鑄液、陰陽(yáng)極接通電源，當(dāng)芯模上電鑄層達(dá)到規(guī)定厚度之后斷 電，停止供液和電鑄，取出芯模脫模去膠，電鑄過(guò)程中，芯模外疊加有與陰陽(yáng)極間電流方向 垂直的磁場(chǎng)。本發(fā)明的原理如下加上磁場(chǎng)之后，電鑄芯模的微深孔/槽內(nèi)電鑄液中的大量荷 電動(dòng)粒子因此受到強(qiáng)洛倫茲力作用，不斷運(yùn)動(dòng)加速并改向，攜帶電鑄液形成強(qiáng)對(duì)流液流，驅(qū)動(dòng)微深孔/槽內(nèi)電沉積面附近的溶液作圓柱狀渦流運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，進(jìn)而顯著 增大電極過(guò)程液相傳質(zhì)速度，減薄擴(kuò)散層，提高電沉積速度；同時(shí)疊加的磁場(chǎng)能調(diào)控電結(jié)晶 過(guò)程，細(xì)化晶粒，優(yōu)化電鑄件的組織結(jié)構(gòu)。進(jìn)行高深寬(徑)比微結(jié)構(gòu)電鑄時(shí)，當(dāng)在電鑄芯模附近疊加了一個(gè)與陰陽(yáng)極電力 線/電流方向垂直的強(qiáng)磁場(chǎng)后，一方面，會(huì)在電沉積面附近電鑄液中誘發(fā)出強(qiáng)烈的對(duì)流效 應(yīng)，獲得高效的傳質(zhì)效果；另一方面，貼近電沉積面的對(duì)流效應(yīng)極大減薄了擴(kuò)散層，降低了 濃差極化，進(jìn)而提高了極限電流密度，大大加快了晶核的形成，抑制了晶粒的無(wú)序生長(zhǎng)。因 為上述綜合效應(yīng)隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，所以，磁場(chǎng)效應(yīng)環(huán)境下的電鑄件的形貌質(zhì) 量與組織結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的可調(diào)控性。向電鑄槽內(nèi)加電鑄液的噴嘴出液速度不小于2mm/s，比如說(shuō)3mm/S、4mm/S等，以使 微深孔/槽內(nèi)的上層電鑄液受到更大的液流剪切力作用，從而協(xié)同其它力(如洛侖茲力、浮 力等)的作用強(qiáng)化微空間內(nèi)的對(duì)流效應(yīng)。陽(yáng)極和芯模正對(duì)水平放置在電鑄槽內(nèi)，陽(yáng)極在上，芯模在下。電鑄陰陽(yáng)極采用陽(yáng)極 在上陰極芯模在下的水平放置方式，以便電鑄芯模附近液層產(chǎn)生更明顯的離子濃度差致自 然對(duì)流現(xiàn)象，強(qiáng)化輔助傳質(zhì)作用，并有利于反應(yīng)伴生氣體和氣泡的浮升排出，減少鑄層針孔 缺陷。陽(yáng)極和芯模之間相距30 50mm，比如說(shuō)30mm、:35mm、40mm、45mm、50mm等。電鑄槽內(nèi)電鑄液的液面高過(guò)陽(yáng)極3 5cm，比如說(shuō)3cm、3. 5cm,4cm,4. 5cm、5cm。所述磁場(chǎng)發(fā)生器5是永磁體(產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng))或者超導(dǎo)磁體發(fā)生器或者脈沖強(qiáng)磁 體發(fā)生器或者復(fù)合磁體發(fā)生器(產(chǎn)生穩(wěn)恒或時(shí)變磁場(chǎng))。如圖1所示，實(shí)施上述微細(xì)電鑄方法所需要的裝置，包括電鑄系統(tǒng)、電鑄液溫度控 制系統(tǒng)和電鑄液循環(huán)系統(tǒng)，電鑄系統(tǒng)內(nèi)的芯模外設(shè)有磁場(chǎng)發(fā)生器5。所述電鑄系統(tǒng)包括電源 4，電源4正極與陽(yáng)極3相連，電源4負(fù)極與芯模7相連，芯模7設(shè)置在電鑄槽1內(nèi)；所述電 鑄液循環(huán)系統(tǒng)包括電鑄槽1側(cè)壁設(shè)置的噴嘴6，噴嘴6與截止閥13相連，截止閥13分別于 溢流閥15和過(guò)濾器12相連，過(guò)濾器12通過(guò)磁力泵11與儲(chǔ)液槽10 ；所述電鑄液溫度控制 系統(tǒng)包括溫控儀8、加熱管9和溫度傳感器14，加熱管9和溫度傳感器14浸沒(méi)在儲(chǔ)液槽內(nèi) 的電鑄液內(nèi)。采用的磁場(chǎng)發(fā)生裝置5為能產(chǎn)生高磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)發(fā)生裝置，施加的磁感應(yīng)強(qiáng) 度要以芯模7電沉積區(qū)域微空間內(nèi)電鑄液能形成渦流運(yùn)動(dòng)為尺度。根據(jù)磁場(chǎng)發(fā)生裝置5的 類型及電鑄時(shí)所需磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小來(lái)確定其放置位置，如采用強(qiáng)永磁體，應(yīng)浸于電鑄液中 貼近陰極芯模放置；如采用其它類型，可以安置于電鑄槽1外壁。如圖2所示，現(xiàn)有技術(shù)的微細(xì)電鑄裝置中，在陰極芯模7附近沒(méi)有疊加磁場(chǎng)時(shí)，由 光刻膠膠模壁與芯模基底圍成的微空間內(nèi)電鑄液2，由于受強(qiáng)表面張力作用，往往被滯縛于 其中，而電鑄槽1內(nèi)電鑄液因強(qiáng)制攪拌作用(如沖液攪拌、機(jī)械攪拌等)所形成的電鑄液液 流16剪切力很難驅(qū)動(dòng)微空間內(nèi)的電鑄液作高傳質(zhì)效率的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，電沉積時(shí)的物質(zhì)交換 只能主要以擴(kuò)散方式來(lái)完成，造成嚴(yán)重的傳質(zhì)受限問(wèn)題。如圖3所示，本發(fā)明的微細(xì)電鑄裝 置，在陰極芯模附近疊加了一個(gè)與電流方向垂直的高強(qiáng)度磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向垂直紙面向內(nèi)， 以符號(hào)“(g)”表示)，在微空間內(nèi)的電鑄液中作近似定向運(yùn)動(dòng)的大量荷電粒子(如陽(yáng)離子、陰 離子、水合離子等)便受到洛侖茲力作用，當(dāng)洛侖茲力作用大于其所受的其它力場(chǎng)作用(如表面張力、熱運(yùn)動(dòng)力等)時(shí)，就會(huì)形成近似拋物線運(yùn)動(dòng)，攜帶微空間內(nèi)的電鑄液形成強(qiáng)電鑄 液對(duì)流液流17，從而驅(qū)動(dòng)微空間內(nèi)電沉積面附近的電鑄液作類似圓柱體狀渦流胞18運(yùn)動(dòng)， 這樣，大大加快了物質(zhì)交換速度，大幅度減薄了擴(kuò)散層，減小了濃差極化，進(jìn)而提高了極限 電流密度和沉積速度，細(xì)化了晶粒，且有利于電化學(xué)副反應(yīng)伴生氣體、氣泡的快速排出，減 少電沉積缺陷。本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程依次經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟1、把帶有微膠模圖形結(jié)構(gòu)的陰極芯模7經(jīng)預(yù)處理后水平放置于電鑄槽1中，平板 狀陽(yáng)極3與芯模間水平居上相對(duì)平行放置，兩者相距30 50mm，且分別與直流或脈沖電源 4的負(fù)、正極相連；2、根據(jù)芯模的結(jié)構(gòu)特性及磁電化學(xué)理論計(jì)算出所需磁感應(yīng)強(qiáng)度總值，選擇強(qiáng)磁場(chǎng) 發(fā)生裝置5并安置于電鑄槽1外壁靠近芯模附近；3、利用電鑄液循環(huán)供液系統(tǒng)通過(guò)噴嘴6向電鑄槽1循環(huán)供給電鑄液，液面以高過(guò) 陽(yáng)極3 5厘米為宜，電鑄液以大于2m/s的速度正對(duì)芯模近表面沖刷給液，并通過(guò)電鑄液 溫控系統(tǒng)控制槽液的溫度；4、啟動(dòng)電源4與磁場(chǎng)發(fā)生裝置5，開始電鑄，并在芯模附近疊加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)；5、電鑄層達(dá)到規(guī)定厚度后，切斷各種電源，停止電鑄，取出芯模，并清洗干燥，脫模 與去膠處理后，即可得到所需的滿足性能要求的微細(xì)電鑄件。電鑄時(shí)，芯模上各處微空間內(nèi)的電鑄液因受微磁流體力學(xué)效應(yīng)作用而作近似渦流 對(duì)流運(yùn)動(dòng)，使得微細(xì)電鑄電極過(guò)程液相傳質(zhì)得到顯著改善，且減薄了擴(kuò)散層，提高電沉積速 度，改善晶粒堆積模式，獲得少無(wú)電沉積缺陷、組織致密的電鑄層。
權(quán)利要求
1.基于磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法，首先把陽(yáng)極與陰極芯模放置在電鑄槽 內(nèi)，之后向電鑄槽內(nèi)加電鑄液、陰陽(yáng)極接通電源，當(dāng)芯模上電鑄層達(dá)到規(guī)定厚度之后斷電， 停止供液和電鑄，取出芯模脫模去膠，其特征在于電鑄過(guò)程中，芯模外疊加有與陰陽(yáng)極間 電流方向垂直的磁場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法，其特征在于所 述疊加于芯模的磁場(chǎng)為穩(wěn)恒磁場(chǎng)或變化磁場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法，其特征在于向 電鑄槽內(nèi)加電鑄液的噴嘴出液速度不小于2mm/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法，其特征在于陽(yáng) 極和芯模正對(duì)水平放置在電鑄槽內(nèi)，陽(yáng)極在上，芯模在下。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法，其特征在于陽(yáng) 極和芯模之間相距30 50mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法，其特征在于電 鑄槽內(nèi)電鑄液的液面高過(guò)陽(yáng)極3 5cm。
7.實(shí)施如權(quán)利要求1 6之一所述方法所需要的裝置，包括電鑄系統(tǒng)、電鑄液溫度控制 系統(tǒng)和電鑄液循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于電鑄系統(tǒng)內(nèi)的芯模外側(cè)設(shè)有磁場(chǎng)發(fā)生器(5)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述磁場(chǎng)發(fā)生器( 是永磁體或者超導(dǎo) 磁體發(fā)生器或者脈沖強(qiáng)磁體發(fā)生器或者復(fù)合磁體發(fā)生器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)對(duì)流效應(yīng)的微細(xì)電鑄方法及其裝置，屬于微細(xì)電化學(xué)加工領(lǐng)域。本發(fā)明所述的方法是首先把陽(yáng)極與陰極芯模放置在電鑄槽內(nèi)，之后向電鑄槽內(nèi)加電鑄液、陰陽(yáng)極接通電源，當(dāng)芯模上電鑄層達(dá)到規(guī)定厚度之后斷電，停止供液與電鑄，取出芯模脫模去膠，電鑄過(guò)程中，芯模外疊加有與陰陽(yáng)極間電流方向垂直的磁場(chǎng)。實(shí)施上述方法所需要的裝置，包括電鑄系統(tǒng)、電鑄液溫度控制系統(tǒng)和電鑄液循環(huán)系統(tǒng)，電鑄系統(tǒng)內(nèi)的芯模外側(cè)設(shè)有磁場(chǎng)發(fā)生器。本發(fā)明解決了高深寬(徑)比微結(jié)構(gòu)電鑄的液相傳質(zhì)受限問(wèn)題，所制備的電鑄件厚度均勻，沉積缺陷少、組織致密。
文檔編號(hào)C25D1/00GK102102213SQ20091022751
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者呂印定, 姜無(wú)疾, 明平美, 李偉 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)