提高微電鑄層與金屬基底界面結(jié)合性能的機(jī)理與方法.pdf

1、隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，金屬微器件越來(lái)越受到人們的關(guān)注。金屬微器件的制作方法有多種，包括電火花加工技術(shù)、激光加工技術(shù)和微電鑄技術(shù)等。其中，微電鑄技術(shù)以其復(fù)制精度高、可批量化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，更適合于金屬微器件的加工制作。在利用微電鑄技術(shù)制作金屬微器件的過(guò)程中存在著微電鑄層與金屬基底界面結(jié)合性能差的問(wèn)題。微電鑄層與金屬基底結(jié)合不牢使得微電鑄層容易從金屬基底脫落，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成金屬微器件的制作失敗。此問(wèn)題影響了金屬微器件的質(zhì)量從而成為制約微電鑄技術(shù)發(fā)

2、展的瓶頸問(wèn)題之一。本文針對(duì)微電鑄層與金屬基底的界面結(jié)合性能開(kāi)展研究。
　　為了明晰微電鑄層晶粒尺寸與界面結(jié)合能的定量關(guān)系，本文根據(jù)斷裂能量平衡準(zhǔn)則、表面張力模型和米德馬半經(jīng)驗(yàn)電子模型建立了晶粒尺寸與界面結(jié)合能關(guān)系的理論模型。模型表明，界面結(jié)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(yàn)證模型的正確性，設(shè)計(jì)了微電鑄實(shí)驗(yàn)，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(cè)量了

3、微電鑄層晶粒尺寸，利用劃痕法表征了界面結(jié)合能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著微電鑄層晶粒尺寸的增大界面結(jié)合能逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(jié)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(duì)微電鑄層與金屬基底界面結(jié)合能的影響。在晶粒尺寸與界面結(jié)合能關(guān)系的理論模型的基礎(chǔ)上，分析了電流密度對(duì)晶粒尺寸和界面結(jié)合能的影響。設(shè)計(jì)了不同電流密度的電鑄實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了

4、微電鑄層晶粒尺寸、壓應(yīng)力和真實(shí)接觸表面積，利用劃痕法表征了界面結(jié)合能。根據(jù)金屬離子局部放電理論和陰極極化理論對(duì)小電流密度提高界面結(jié)合能的機(jī)理進(jìn)行了分析:一方面，利用小電流密度進(jìn)行電鑄其陰極過(guò)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(jié)合能關(guān)系的理論模型，適度增大晶粒尺寸能夠提高界面結(jié)合能;另一方面，小電流密度增大了微電鑄層真實(shí)接觸表面積，提高了微電鑄層與基底的機(jī)械嵌合作用，改善了界面結(jié)合能。小電流密度電鑄法可以有效提高界面

5、結(jié)合能。
　　研究了超聲電鑄法對(duì)微電鑄層與金屬基底界面結(jié)合能的影響。設(shè)計(jì)了超聲電鑄實(shí)驗(yàn)，研究了超聲場(chǎng)對(duì)電鑄反應(yīng)過(guò)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(yīng)速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲條件下的微電鑄層壓應(yīng)力較小，晶粒尺寸與真實(shí)接觸表面積較大。界面結(jié)合能首先隨著超聲功率的增大而增大，在超聲功率為200W時(shí)最高，隨后略有減小。界面結(jié)合能在超聲頻率為40kHz時(shí)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(jié)合能關(guān)系的理論模型，探討了超聲場(chǎng)提高界面結(jié)合能的機(jī)理，即:在電鑄過(guò)程中施加超聲場(chǎng)能夠減小陰極過(guò)電位，適度增大微電鑄層晶粒尺寸從而提高界面結(jié)合能。另一方面超聲場(chǎng)增大了微電鑄層的真實(shí)接觸表面積，提高了微電鑄層與基底的機(jī)械嵌合作用進(jìn)而改善了界面結(jié)合能。在電鑄過(guò)程中采用功率為200W、頻率為40kHz的超聲進(jìn)行電鑄提高界面結(jié)合能的效果較好。
　　提出了超聲復(fù)合電鑄提高界面結(jié)合能的新方法。首先探討了化學(xué)腐蝕法對(duì)界面

7、結(jié)合能的影響。設(shè)計(jì)了化學(xué)腐蝕電鑄實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，化學(xué)腐蝕法能夠提高基底表面粗糙度Ra，增大微電鑄層的真實(shí)接觸表面積，從而提高界面結(jié)合能。在化學(xué)腐蝕法、小電流密度電鑄法與超聲電鑄法的研究基礎(chǔ)上，以晶粒尺寸與界面結(jié)合能關(guān)系的理論模型為指導(dǎo)，提出了超聲復(fù)合電鑄提高界面結(jié)合能的新方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。復(fù)合電鑄實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于普通電鑄法，超聲復(fù)合電鑄法使得界面結(jié)合能提高了134％。為了驗(yàn)證超聲復(fù)合電鑄法提高金屬微器件界面結(jié)合性能的效果