微槽道内真空沸腾电铸实验研究

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1、摘要前期大量关于电解液真空沸腾电沉积实验研究表明：宏观条件下，在真空沸腾气泡的作用下，该工艺可以在不加添加剂时，高速高效的获得表面质量以及微观织构良好的镀层。那么这一良好的工艺效果能否在微观条件下实现呢？为此我们对微圆孔和微槽孔条件下的真空沸腾电沉积过程做了研究。结果表明，该工艺对微圆孔和微槽孔中气泡动力学行为特性以及流型产生了显著的影响。同时，在微电铸中，孔和槽道是两种最常遇到的电铸环境，这时我们不禁要问，在微槽道环境下，真空沸腾电铸工艺又会对气泡动力学行为产生怎样的影响呢？这种影响能否像宏观条件下一样获得良好的工艺效果呢？为了解答这一问题，也为了工艺实验的连续性、完整性

2、，本文在国家自然科学基金（NO.51175152）——―真空微细电铸制造技术电极过程液相传质机理研究‖和河南省高校科技创新人才支持计划（2012HASTIT012）——―真空沸腾条件下电镀制造印制电路板铜微细结构‖的资助下，以微槽道内真空沸腾电铸实验研究为主题，重点围绕工艺条件对微槽道内气泡动力学行为的影响以及气泡行为与电铸工艺效果之间的关联性等问题进行了研究。具体内容如下：(1)基于搭建的微槽道真空沸腾电铸实验平台对不同工艺条件下的气泡动力学行为进行了可视化研究，结果表明：微槽道真空沸腾电铸过程中真空沸腾气泡基本上遵循―成核(优先在槽边角处)→微槽内生长（在受限微槽道中变

3、形，形成气体环）→气液界面冒出槽口→槽口处气泡不断生长→微槽道内气体环萎缩→槽口气泡跃离（跃离过程中气泡开始萎缩）→继续萎缩→破灭‖的典型演化过程；然而在某些条件下，气泡还会表现出一些非典型演化过程，如反复涨缩、聚合、边界接触却不聚合、堵塞槽道、生长过程中分裂等；微槽道内真空沸腾气泡在有无电沉积发生时其演化过程基本相同，但其沸腾剧烈程度明显不同；微槽道真空电铸工艺条件的改变并不会改变沸腾气泡的演化过程，只是会对气泡的动力学特性，如生长速度、脱离直径、脱离频率等产生影响；与微孔条件下真空沸腾电沉积相比，除深宽比外，工艺条件变化对沸腾气泡动力学行为的影响基本相似。(2)在微槽道

4、环境中，真空沸腾气泡无量纲生长曲线在无量纲生长时间t0.24时为线性关系，在t0.24时为指数关系，且气泡无量纲生长二曲线模型中系数k、k和n的取值基本不受工艺条件变化的影响。本研究真空沸腾气泡lp无量纲生长二曲线模型为：I万方数据Rtt2.4860.240.332Rtt0.24与实验数据对比显示，该模型预测所得结果与实验结果间的误差不超过±15%。(3)研究分析了微槽道内真空沸腾电铸气泡引起的极间电阻变化。结果表明：减小真空度、增大阴极温度均会导致微槽道极间电阻阻值增大；增大电流密度，极间电阻却减小；而增大槽深宽比，极间电阻则先增后减，但

5、波动幅度明显增强；相比与宏观环境，微槽道环境下，沸腾气泡引起的传质增强效应要弱一些。(4)真空沸腾电铸件性能分析。分析了不同工艺条件下的铸层表面质量和微观硬度。结果表明，真空沸腾电沉积工艺可以极大的减少铸层的针孔缺陷；电铸层针孔缺陷多集中在电铸件上部；该工艺在高深宽比、甚至超高深宽比电铸中有很好的潜力。关键字：真空沸腾；微槽道；电铸；气泡；生长模型；极间电阻；形貌质量；微硬度II万方数据AbstractAlargenumberofexperimentsaboutelectrolytevacuumboilingelectrodepositiondidbeforeprovedt

6、hat:inmacroconditions,thisprocesscanobtainhigh-qualityelectrodepositioncoatingandpartunderconditionsofhighdepositionspeedandnoadditive.Soifthisprocesscanachieveagoodresultinthemicroconditions?Tothisendwestudiedthevacuumboilingprocessinmicroholeconditions.Theresultsshowedthat:theprocesshaso

7、bviousinfluenceonthebubbledynamicsandflowcharacteristics.Meanwhile,inthemicroelectroforming,holesandchannelsaretwoelectroformingenvironmentthatthemostfrequentlyencountered,thenwehavetoask,inthemicrochannel,whatkindofinfluencethevacuumboilingelectroformingproce