微电铸器件铸层均匀性的研究

理论分析了负脉冲电流对铸层的修饰作用,采用正负间断脉冲电流和正间断负连续脉冲电流进行了相应的微电铸的实验研究。实验采用的微电铸器件是特征宽度为90 μm的微流控芯片的金属模具。微电铸实验主要包括三个步骤:制作SU-8胶胶模,微电铸和去除SU-8胶。为了对实验结果进行对比分析,两组实验的工作时间和电流强度均采用240 min和2.5 A/dm²。将正负脉冲电流微电铸与正脉冲电流微电铸的实验结果进行了对比分析。研究结果表明,正负间断脉冲电流能够获得较好的器件铸层均匀性。由于在负向脉冲的间断时间内,铸层表面附近的浓度极差得以改变,因此正负间断脉冲电流微电铸的铸层均匀性优于正间断负连续脉冲电流微电铸。实验结果与理论分析结果相一致。     

微电铸中电流-流体耦合的数值分析及实验

研究了LIGA/UV-LIGA的核心技术微电铸的内在规律,对影响铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行了数值分析.以微流控芯片微模具上的十字电铸层为研究对象,建立了微电铸的数学模型.给出了描述微电铸体系电流密度和流体流场的偏微分方程,运用有限元法对微电铸体系进行三维数值仿真,得到了电流密度分布和流体流场分布的数值结果.选择十字铸层上的测量点,由该点处电流密度和流体流速仿真数据计算出微电铸4 h的铸层生长高度仿真值,并与相同工艺条件下的微电铸实验铸层生长高度进行对比.结果显示,对应各测量点微电铸生长高度仿真值和实验值的变化趋势接近,绝对偏差小,最大绝对偏差为4.437 μm,最小绝对偏差为0.264 μm.实验表明这种数值仿真方法适用于微电铸工艺设计的辅助分析,可缩短微电铸工艺的开发周期.     

微电铸中电流-流体耦合场数值分析及实验

微电铸是LIGA/UV-LIGA的核心技术,在微机电系统和微纳米制造领域有着很好的应用前景。为了探究微电铸的内在规律,需要对影响铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行数值仿真研究。以微流控芯片的微模具为研究对象,在建立微电铸的数学模型的基础上,分别给出描述电流密度和流体流场的偏微分方程。运用有限元法对微电铸体系进行三维数值仿真,得到电流密度分布和流体流场分布的数值结果。选择十字铸层上的测量点,由测量点处电流密度和流体流速仿真数据计算出微电铸4小时的铸层生长高度仿真值,与相同工艺条件的微电铸实验铸层生长高度进行对比。结果表明,对应各测量点微电铸生长高度仿真值和实验值的变化趋势接近,绝对偏差小,最大绝对偏差为4.437μm,最小绝对偏差为0.264μm。这种数值仿真方法能够用于微电铸工艺和设计的辅助分析,缩短微电铸工艺的开发周期。     

基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法

以SU-8胶为微电铸母模制作镍模具时,胶模的热溶胀性使胶模变形,导致铸层线宽缩小,这是影响微电铸铸层尺寸精度的主要因素。针对密集蛇形沟道图形的镍模具微电铸工艺,以200.0μm厚SU-8胶为胶模,研究微电铸铸层尺寸精度的控制方法,提出基于SU-8厚胶光刻工艺的微电铸铸层尺寸精度控制新方法,即在图形四周增设一条封闭等间距的隔离带,用隔离带减少影响图形区域的SU-8胶模的体积,阻止电铸时该处胶模的热溶胀对图形区域的影响,进而减小铸层尺寸变化。结果表明,采用增设隔离带方法制作的镍模具,胶模线宽变化量最大值由61μm减小到31.4μm,铸层尺寸相对误差的最大值由31.3%减小到16.7%,这种方法显著提高微电铸铸层的尺寸精度。     

直接敷铜工艺制备Cu/AlN材料的界面结构及结合性能

通过直接敷铜(DBC)工艺,在AlN陶瓷基板表面于1 000~1 060℃的敷接温度下制备Cu/AlN材料,利用机械剥离机、场发射扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析了Cu/AlN的界面结合强度、界面微观形貌和物相组成。结果表明:铜箔和AlN陶瓷基板间的结合强度超过了8.00N·mm~(-1),铜箔和AlN陶瓷之间存在厚度约为2μm的过渡层,过渡层中主要含有Al_2O_3、CuAlO_2和Cu_2O化合物;随着敷接温度升高,Cu/AlN的界面结合强度逐渐增大。     

UV-LIGA技术在制作细胞培养器微注塑模具型腔中的应用

研究了细胞培养器微注塑模具型腔的制作方法.针对微注塑模具型腔的结构特点,采用UV-LIGA套刻技术,分别通过两次SU-8胶光刻和Ni的微细电铸制作了以合金钢为基底的微结构;然后利用掩膜腐蚀方法在铸层上腐蚀出微排气通道.对SU-8厚胶工艺过程中的溶胀现象、匀胶不平整和去除困难等问题进行分析,提出在掩膜板图形四周增设封闭的宽度为20μm的隔离带来减少图形四周SU-8厚胶体积,改善了该处胶模的热溶胀变形,使铸层的尺寸误差由原来的35μm降低到10μm,300μm高的微柱体侧壁陡直.隔离带的引入有效地提高了铸层图形的尺寸和形状精度.由于采用了刮胶的匀胶工艺和发烟硫酸去除SU-8胶的方法,消除了“边缘水珠效应”,彻底去除了SU-8胶.采用提出的方法可获得铸层质量好,与基底结合强度高的微注塑模具型腔.     

微电铸的析氢现象研究

讨论了微电铸工艺中的析氢现象.析氢是微电铸中的附加反应,如处理不当,将会使铸层产生缺陷,如针孔和麻点等,同时引发氢脆,从而降低铸层的机械性能.通过对微电铸原理及析氢机理的分析,提出稳定pH值、增加搅拌和过滤循环、添加润湿剂以及采用脉冲电流等四种有效措施.实验证明,以上措施解决了析氢现象对铸层质量的影响,并获得了满意的铸层.     

基于MEMS工艺的高能量密度微电磁驱动器

提出了制作高能量密度电磁驱动器的工艺方法。利用微机械(MEMS)工艺在硅片上得到多匝平面线圈和磁芯的掩模图形,接着沉积种子层铜(Cu),然后对种子层进行整体Cu的电铸;当种子层生长到20 μm左右时,剥离硅片表面的镀层并用光刻胶保护磁芯位置的镀层;再用沿线电铸的方法对线圈进行电铸;最后保护制作好的线圈镀层,电铸NiFe合金材料。在10 mm×10 mm×0.38 mm的硅片上,制作出线圈匝数22×2(铜线截面积60 μm×60 μm、总长度达1 164 mm)、NiFe合金磁芯尺寸为3 mm×3 mm×0.2 mm的高能量密度微型电磁驱动器。把这种微型驱动器应用于无阀微泵做驱动实验:通入0.3 A的正弦电流时,微驱动器产生约50 mN的电磁力。实验结果表明:这种型微电磁驱动器在相同的输入功率下,比同类其他微电磁驱动器具有更高的能量密度,能产生更大的电磁驱动力。     

表面微加工中镍的微电铸

介绍了微电铸工艺的基本原理以及脉冲电铸的特点.搭键了电铸实验系统,通过对Watts镍电解液的成分实验得到了一种性能较好的成分配比.利用微电铸的方法制作出微机械隧道陀螺仪中的悬臂梁、挡板、驱动电极等MEMS结构,得到了一组较有价值的电铸参数,对电铸中存在的问题进行了阐述.实验结果表明,采用方波脉冲电铸能够得到晶粒粗细均匀、硬度和应力符合设计要求的悬臂梁等MEMS结构.     

镍基高温合金喷射液束电解-激光复合加工特性的试验研究

针对镍基高温合金材料激光打孔时存在的再铸层,采用喷射液束电解—激光复合加工对镍基高温合金GH3030进行打孔试验,研究复合加工去除再铸层的特性,以及复合加工参数对再铸层残余率和材料去除率的影响规律。试验结果表明:在复合加工过程中,喷射液束的电解作用能有效在线去除激光加工产生的再铸层,提高激光加工的质量;得到了各加工参数对再铸层残余率和材料去除率的影响规律,建立了再铸层残余率和材料去除率二次回归方程,并采用验证试验说明了二次回归方程能很好地预测复合加工特性。基于二次回归方程,优化工艺参数,进行群孔和刻字的样品加工试验,试验结果证明了该方法可以满足工程应用的需要。
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复合结构衬套合金界面结合性能

为了深入探讨层状金属复合材料连接界面的结合性能,以新型复合结构衬套巴氏合金ZCh Sn Sb8-4为研究对象,在原子替代法建模特点的基础上,考虑巴氏合金中Cu6Sn5、Sn Sb、Sn三种组分含量配比,对多层合金复合衬套界面间结合性能进行分子动力学模拟分析。计算结果表明:结合界面的层数对结合性能有着明显的影响,五层复合结构衬套的最小界面结合能比三层复合结构衬套的最小界面结合能大33.87%,即五层复合结构衬套界面结合性能优于三层复合结构衬套。同时从不同结构衬套相邻两界面的结合能发现,不同复合层结构的衬套可能导致的危险结合界面不同。钢铅合金层与镍栅层之间的界面结合能最大,结合最牢固;镍栅层与巴氏合金层的界面结合能最小,最易发生合金脱落现象。从分子层面研究了新型复合结构衬套界面的结合机理,可为生产实践提供参考依据。     

超声时效技术在微注塑模具制作中的应用

针对金属微注塑模具UV-LIGA制作过程中由于SU-8胶内应力过大而引起的胶膜破裂、变形甚至脱落等问题,提出将超声时效技术应用于微注塑模具的制作工艺.首先,利用紫外光刻工艺制备了电铸胶膜,在显影前使用自制的超声时效装置对胶膜进行超声处理.然后,采用无背板生长方法在38CrNiMnMo模具钢基底上直接进行镍金属的电铸生长,讨论并解决了工艺过程中遇到的SU-8胶浮胶变形、非圆形基片的匀胶、胶膜中的气泡以及微电铸层结合不牢等问题.最后,制作出微通道宽度和高度分别为80 μm和35 μm的微注塑模具.实验结果表明,超声时效技术的使用避免了由于SU-8胶内应力过大引起的破裂、变形甚至从基底脱落等缺陷,增强了UV-LIGA技术制作微注塑模具的能力,提高了制作微注塑模具的成功率.     

UV-LIGA技术制作微型螺旋形加速度开关

微型加速度开关是用于空间飞行体中感受加速度并完成致动的重要惯性器件。本文采用UV-LIGA技术,结合SU-8厚胶工艺、微电铸工艺以及牺牲层技术,制作了微型螺旋形加速度开关。研究了牺牲层工艺、SU-8光刻技术以及螺旋形弹簧形变控制等微细加工的工艺细节;分析了多种牺牲层材料的特性,优选了与工艺相适应的Zn牺牲层体系,解决了微结构易脱落的工艺问题。通过优化微电铸工艺来减小金属膜层的内应力,优化牺牲层释放工艺来避免腐蚀过程对弹簧膜结构的冲击。实验结果表明,通过工艺优化可得到平整的微型螺旋形弹簧—质量块结构,螺旋弹簧厚度为20μm,质量块厚度达200μm,本文的工作可为大批量、低成本地研制微型加速度开关提供工艺基础。     

覆膜铁熔融覆膜过程界面传热与熔膜填充行为研究

覆膜铁是金属包装领域的新型复合材料。成品覆膜铁的界面结合强度和水透性取决于覆膜过程中高聚物薄膜熔融层的厚度和流动铺展行为。但覆膜过程复杂而迅速，且受钢板表面微观形貌影响，熔融层膜厚及其流动铺展行为难以精细调控。针对此，基于分形理论表征与重构基板带钢表面微观形貌；基于广义Maxwell模型试验建立聚合物膜的黏弹性本构关系；建立了考虑基板带钢表面微观形貌的覆膜过程有限元仿真模型，并试验验证了模型的准确性。研究表明，熔融层膜厚主要受基板带钢初始预热温度影响，界面填充率则主要受覆膜辊压力影响。高聚物膜熔融层厚度和界面填充率随基板带钢粗糙度降低以及基板带钢和覆膜辊初始预热温度增加而增加，且辊压力增加也导致界面填充率增加。这些规律被定量化描述，为精细化调控熔融层膜厚及其流动铺展行为提供了理论依据。     

电控可变焦128×128元自适应液晶微透镜阵列

借鉴已有的单圆孔电极液晶透镜的结构与设计方法,发展得到了新型的电控可变焦128×128元的液晶微透镜阵列。该面阵液晶微透镜使用ITO玻璃作为上下基板,其中上基板电极是将ITO膜通过光刻技术和盐酸腐蚀方法得到了128×128元圆孔阵列图案;而下电极基板就是ITO膜。上基板电极的圆孔阵列整齐的排列,每个圆孔的直径为50μm,圆孔之间的间隔为100μm。夹在上下基板之间的液晶层的厚度为20μm。该面阵液晶微透镜的特性为：在0.2VRMS～5.0 VRMS电压范围下,该面阵液晶微透镜的焦距范围为50μm～400μm。进一步的测试实验结果表明,该面阵液晶微透镜的点扩展函数近似于理论数值,并且该面阵液晶微透镜的工作电压与焦距是成反比例关系,以及该面阵液晶微透镜具有与传统制作的面阵微透镜一样的多重像成像效果。     

电连接接触面用低熔点锡基多元合金的制备及其与T2铜基板的结合性能

熔炼了Sn-3.5Ag、Sn-1.6Cu、Sn-Zn-0.7Cu、Sn-8Zn-3Bi等4种低熔点(低于230℃)合金,根据这4种合金在T2铜基板上的铺展面积确定出铺展效果较好的合金,并分析了该合金与铜基板的界面结合情况。结果表明:Sn-1.6Cu合金在T2铜基板上的铺展性能最好,其铺展面积最大,且铺展后的表面光滑,Sn-3.5Ag合金的铺展性能次之,Sn-Zn-0.7Cu合金和Sn-8Zn-3Bi合金的铺展性能较差;Sn-1.6Cu合金在铜基板上铺展后,其连接界面无气孔、裂纹等缺陷,界面处发生了元素互扩散,形成了铜锡固溶层,界面结合性能良好。     

喷射液束电解辅助激光加工工艺规律研究

喷射液束电解辅助激光加工是一项新型复合加工方法,将电解加工与激光加工进行复合,在加工过程中,激光束与电解液束同轴共同作用于材料表面,激光对材料的热效应和喷射电解液束对材料的电化学阳极溶解作用共同去除材料,可实现无再铸层、无微裂纹的加工效果.针对该方法,基于加工原理的分析,以加工孔锥度和材料去除率为加工质量指标,研究了激光脉冲能量、电解加工电压和加工间隙对加工质量的影响.研究结果表明,激光脉冲能量对材料去除率的影响占据主导作用;激光脉冲能量和电解加工电压的增加都会导致加工孔锥度的增大;缩短加工间隙可以提高材料去除率,但会增加加工孔入口的锥度.     

基于LTCC的微流道制作技术研究

在微机电系统的集成制造中,无源器件与多芯片的高密度集成对其承载基板的散热性能提出了极高的要求,而在LTCC基板中制作微流道则为满足这一要求提供了一种解决途径。提出了一种应用有机牺牲材料在LTCC中形成微流道的制作方法,实验结果表明该方法可有效抑制微流道成形过程中的变形,并通过将该方法应用于其它瓷片材料的微流道制作,验证了该方法的实用性与通用性。     

辅助磨削在叠层模板电铸成形中的应用

沉积层均匀性控制影响叠层模板电铸成形的关键问题。本文中提出了一种辅助磨削脉冲电沉积成形技术,设计了基于其原理的工艺设备。试验方法即将硬质陶瓷粒子引入于电极之间,通过电铸阴极的旋转带动,硬质粒子(陶瓷珠)在电沉积过程中不断摩擦、撞击阴极表面,以期即时消除沉积层表面由于电流分布不均引起的边缘效应。通过表面形貌观察及铸层高度的测量统计,将传统与新型微电铸工艺制备的试样进行了对比。结果表明:硬质粒子可有效阻止杂质的吸附,避免毛刺、积瘤等表面缺陷的产生,能够获得良好的铸层均匀性,表面粗糙度可达0.253μm。表明硬质粒子摩擦在叠层电铸成形中具有较好的实用价值。     

锡界面层最佳厚度试验与模拟研究

锡界面层(或称镀锡层)在钢套(低碳钢)与内衬(巴氏合金)结合性方面起着至关重要的作用,最佳的锡界面层厚度可以使得钢套与内衬界面获得最佳的结合强度。考虑锡界面层厚度的影响因素,设计多因素水平的正交试验,得到锡界面层厚度关于表面粗糙度、镀锡温度、镀锡时间、镀锡次数等的函数关系式;运用分子动力学对钢套与内衬的界面结合能进行模拟分析,得到界面结合能关于锡层比例(锡层与巴氏合金层比例的简称)的函数方程,再根据实际轴瓦尺寸及锡界面层厚度关系式确定锡界面层最佳厚度与工艺控制参数;试验与模拟结果表明,锡界面层厚度为40 μm时,其界面结合性能最好,界面结合强度最大,模拟结果与试验相符。锡界面层厚度关系式可直接适用于油膜轴承系列化产品的制造与修复应用中。