提高微電鑄層與金屬基底界面結合性能的機理與方法.pdf

1、隨著微機電系統(tǒng)的發(fā)展，金屬微器件越來越受到人們的關注。金屬微器件的制作方法有多種，包括電火花加工技術、激光加工技術和微電鑄技術等。其中，微電鑄技術以其復制精度高、可批量化生產的優(yōu)勢，更適合于金屬微器件的加工制作。在利用微電鑄技術制作金屬微器件的過程中存在著微電鑄層與金屬基底界面結合性能差的問題。微電鑄層與金屬基底結合不牢使得微電鑄層容易從金屬基底脫落，嚴重時會造成金屬微器件的制作失敗。此問題影響了金屬微器件的質量從而成為制約微電鑄技術發(fā)

2、展的瓶頸問題之一。本文針對微電鑄層與金屬基底的界面結合性能開展研究。
　　為了明晰微電鑄層晶粒尺寸與界面結合能的定量關系，本文根據(jù)斷裂能量平衡準則、表面張力模型和米德馬半經驗電子模型建立了晶粒尺寸與界面結合能關系的理論模型。模型表明，界面結合能隨著晶粒尺寸的增大而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定。為了驗證模型的正確性，設計了微電鑄實驗，利用不同的電流密度制備了不同晶粒尺寸的微電鑄層。采用X Ray Diffraction(XRD)衍射法測量了

3、微電鑄層晶粒尺寸，利用劃痕法表征了界面結合能。實驗結果表明，隨著微電鑄層晶粒尺寸的增大界面結合能逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。實驗結果驗證了模型的正確性。該模型為合理選取小電流密度、超聲電鑄等適度增大晶粒尺寸，提高界面結合能的電鑄工藝參數(shù)提供一定的理論依據(jù)。
　　研究了電流密度對微電鑄層與金屬基底界面結合能的影響。在晶粒尺寸與界面結合能關系的理論模型的基礎上，分析了電流密度對晶粒尺寸和界面結合能的影響。設計了不同電流密度的電鑄實驗，測量了

4、微電鑄層晶粒尺寸、壓應力和真實接觸表面積，利用劃痕法表征了界面結合能。根據(jù)金屬離子局部放電理論和陰極極化理論對小電流密度提高界面結合能的機理進行了分析:一方面，利用小電流密度進行電鑄其陰極過電位較低，制備的微電鑄層晶粒尺寸較大，根據(jù)晶粒尺寸與界面結合能關系的理論模型，適度增大晶粒尺寸能夠提高界面結合能;另一方面，小電流密度增大了微電鑄層真實接觸表面積，提高了微電鑄層與基底的機械嵌合作用，改善了界面結合能。小電流密度電鑄法可以有效提高界面

5、結合能。
　　研究了超聲電鑄法對微電鑄層與金屬基底界面結合能的影響。設計了超聲電鑄實驗，研究了超聲場對電鑄反應過程的影響，利用極化法研究了超聲條件下的陰極極化特性，利用交流阻抗法研究了超聲條件下的電鑄反應速率。實驗結果表明，超聲條件下的微電鑄層壓應力較小，晶粒尺寸與真實接觸表面積較大。界面結合能首先隨著超聲功率的增大而增大，在超聲功率為200W時最高，隨后略有減小。界面結合能在超聲頻率為40kHz時較高，隨著超聲頻率的增大逐漸減小

6、。本文根據(jù)晶粒尺寸與界面結合能關系的理論模型，探討了超聲場提高界面結合能的機理，即:在電鑄過程中施加超聲場能夠減小陰極過電位，適度增大微電鑄層晶粒尺寸從而提高界面結合能。另一方面超聲場增大了微電鑄層的真實接觸表面積，提高了微電鑄層與基底的機械嵌合作用進而改善了界面結合能。在電鑄過程中采用功率為200W、頻率為40kHz的超聲進行電鑄提高界面結合能的效果較好。
　　提出了超聲復合電鑄提高界面結合能的新方法。首先探討了化學腐蝕法對界面

7、結合能的影響。設計了化學腐蝕電鑄實驗，實驗結果表明，化學腐蝕法能夠提高基底表面粗糙度Ra，增大微電鑄層的真實接觸表面積，從而提高界面結合能。在化學腐蝕法、小電流密度電鑄法與超聲電鑄法的研究基礎上，以晶粒尺寸與界面結合能關系的理論模型為指導，提出了超聲復合電鑄提高界面結合能的新方法，并通過實驗加以驗證。復合電鑄實驗結果表明，相對于普通電鑄法，超聲復合電鑄法使得界面結合能提高了134％。為了驗證超聲復合電鑄法提高金屬微器件界面結合性能的效果