uvliga—微细电火花加工组合制造技术基础的研究

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1、南京航空航天大学博士学位论文摘要MEMS(MicroElectromechanicalSystem)技术作为新兴技术，受到学术界、产业界和政府部门的极大重视，已经在信息、精密机械、汽车、航空航天、生物医药和国防等领域得到较广泛应用。微细加工是MEMS和Micro/Meso尺度结构器件的实现基础和技术关键。以具有优越热力学、光学和化学性能的SU-8系列光刻胶为光敏材料、紫外光为曝光光源的UV-LIGA技术，是借用LIGA(德语：LIthograpie，Galvanoformung，Abformung三词缩写，由X射线光刻、电铸成型和塑铸成型等三个主要工艺步骤组成)工艺思路，

2、且制造成本低廉、工艺可控性好、易于实现批量生产、胶模制作质量高的新型高深宽比三维Micro/Meso结构技术，是近年微细加工领域的研究热点。微细电火花加工作为一种低成本、高材料选择度的柔性非接触式加工技术，在微制造中具有独特的工艺优势，尤其在加工Micro/Meso尺度金属结构器件方面表现突出。整合UV-LIGA和MicroEDM各自工艺优点而形成UV-LIGA－MicroEDM组合加工技术以制造形状复杂、材料性能优越或特殊的Micro/Meso尺度结构器件，是微细加工的创新性思路。本文在国家自然科学基金(50375073)和两项江苏省自然科学基金(BK2002206、B

3、K2004214)的资助下，围绕UV-LIGA及其与微细电火花加工技术组合以制造Micro/Meso尺度金属结构器件的一些技术基础和工艺关键进行了探讨与研究。全文共七章：第一章概述了UV-LIGA及其与微细电火花组合加工的研究现状、技术关键以及本文的研究内容。第二章描述了SU-8胶光刻各操作环节的工艺基础和技术难点，以金属基片上制备厚度100~200mm胶模为对象，试验研究并优化了前烘、曝光、后烘等工艺环节的操作条件及工艺参数。相比硅基片SU-8胶光刻工艺，降低前后烘程度和适度提高曝光剂量，并辅助超声振动去除胶中气体、静置、随炉冷却等措施，能大大改善胶模质量。试验研究并分

4、析了超声功率对不同特征类型(阳型和阴型)胶模结构显影质量的影响并优选了各自适宜的功率大小，阳型结构实施的超声功率要比阴型结构要低一定值。分析了不同金属片(不锈钢和铜)不同特征类型(阳型和阴型)胶模去胶的工艺特点，并开展了相应试验研究，用NMP去胶液作为去胶试剂，辅助加热、溶液超声振动搅拌、热胀冷缩等措施，获得较为理想的去胶效果。在此基础上，制备出了轮廓清晰，表面质量好，无明显缺陷，与基底粘结性强的平面微线圈、微型流道、微型柔性探针和筛网等胶模。第三章在分析电沉积时电极过程液相传质方式及其作用规律的基础上，探讨了微细电铸时物质输运受限的影响因素，建立了微深槽类特征电沉积时液

5、相传质的两种数值分析模型(一维模型和二维模型)，分别描述多种物质组分的扩散、电离、电迁移和电沉积的动力学过程和单一物质组分在强制对流、自然对流和扩散等综合作用下的物质传输情IUV-LIGA－微细电火花加工组合制造技术基础研究况；并分别用Matlab软件PDEtool工具箱和Fluent流体仿真软件数值解算了分析模型，数值表征了UV-LIGA槽特征(槽内溶液视为静止)电沉积时离子浓度、PH值等空间变化规律，以及不同传质模式单独或复合作用时，槽内(包括沉积面处)电解液的流场分布规律，并分析了它们对微细电铸过程传质效果的影响。数值分析结果表明：单纯的外部强制对流或扩散传质作用无

6、法满足高深宽比微细结构电沉积物质输运量的要求；发挥并加强电沉积时浮力驱动自然对流的传质作用能大大增强微细电铸的传质效果，外部强制对流和自然对流的协同传质作用是微细电铸高效实施的重要保证；增大沉积面与体液间的温度差一定程度上提高了物质综合输运效果。第四章概述了微细电铸工艺基础及研究进展，从工艺实践的角度分析了工艺优化的途径与措施，对比试验研究了阴极水平放置和竖直放置对电铸层形貌质量的影响，研究结果证明浮力驱动自然对流是高深宽比微小结构电铸高效传质的关键性力量，试验验证了第三章数值分析结果的正确性。利用自行研制的微细电铸装置，单独或综合采用交替性给封闭电铸槽抽进气（抽气降低电

7、铸槽压力，进气高速冲液搅拌）、热梯度等工艺措施，对微细电铸进行了试验研究。试验结果表明：采用阴极板水平放置、交替性给电铸槽抽进气、热梯度(25℃/60℃)等电沉积复合工艺措施，能明显提高电铸微小结构件的形貌质量，减少铸件针孔、结瘤等缺陷。研究分析了溶液超声搅拌对电铸层形貌的影响，试验结果显示，适度功率大小的溶液超声搅拌能明显减少电铸件针孔，提高铸层平整性。第五章分析了微细电火花加工的电极损耗机理，选择了三种有增强电铸铜电极抗电蚀性能潜势的试验方案，通过在硫酸铜基液中添加明胶、添加强耐电蚀性的石墨微粉和焦磷酸盐基液中添加纳米稀土