微细电化学加工技术的研究与发展.pdf

微细电化学加工技术的研究与发展 朱 荻 张朝阳 明平美 曾永彬 王明环 (南京航空航天大学机电工程学院 南京 210016) 摘要：对电化学微细加工技术的新进展进行分析和讨论，内容包括纳秒脉冲电流电解加工、微细电铸、 EFAB、LIGA 与微电火花的组合加工等。 关键词：微细加工 电解加工 电铸 LIGA 0 前言 微细加工技术源于半导体集成电路制造工艺，发展至今其内涵已经大大拓宽，不限于 IC 工艺 中的硅片刻蚀技术，LIGA、LIGA-LIKE 、微细电加工、微细束流加工和微细切削等多种加工技术已 经成为微细加工技术中重要组成部分。微细加工任务不是由某一项技术独自完成的，而是由许多方 法和技术所共同承担。这些方法各具所长，构成了微细加工技术群，承担着丰富多样的微细加工 任务。 电化学制造技术按原理可分为两类，一类是基于阴极沉积原理的增材制造技术，如精密电铸、 刷镀等，另一类是基于阳极溶解原理的减材制造技术，如电解加工、电抛光等。这两类技术有一个 共同点，无论是材料的减少还是增加，加工过程都是以离子的形式进行的。在大多数其他加工方法 中，材料是以微团的形式被去除或者添加。显而易见，所能达到的最小微团尺度对微细加工的能力 有着重要的影响。有研究报道，在采取一系列措施之后，尤其是精细地研磨刀具，切削加工可获得 几纳米甚至 1nm 厚的切屑，这揭示了纳米级切削加工的可能性。采用微能可控脉冲的电火花加工， 最小单脉冲蚀除材料量约为 10nm 尺度。在电化学制造过程中，材料的转移是以离子尺度进行，金 属离子的尺寸在十分之一纳米甚至更小，因此电化学制造技术这种微去除方式使得它在微细制造领 域、以至于纳米制造领域有着很大的发展潜能。此外，电化学加工还具有工具无损耗、无表面应力、 加工表面质量好、与零件材料硬度无关及加工后工件无变形等优点。 虽然电化学加工在原理上具有优势，但是它的另一特点定域性差，带来的问题必须加工解决。 定域性(LOCALIZATION)是指加工区和非加工区材料去除量的比值。在电解加工过程中，对于接触 到电解液冲刷的阳极表面，只要有电流通过，就可能会发生溶解反应；在电铸过程中，对于浸泡在 电铸液中的阴极表面，只要有电流通过，可能会发生金属沉积反应。这些反应区域不仅包括所希望 的加工区，也包括加工区之外。例如，用一管状电极电解加工深孔，在孔加工成型的同时，工件表 面靠近孔口处可能也会不同程度的腐蚀。这种现象称为杂散腐蚀，也称为定域性差。切削加工、电 火花加工和激光加工等都不存在着杂散腐蚀问题。因此，若进行电化学微细加工，必须提高其定域 性能力。 近十余年来，国内外研究界在提高定域性能力、拟制杂散腐蚀方面取得了显著进展。20 世纪 80 年代末德国KARISRUHE 发明的LIGA 技术和由此衍生出的准LIGA 技术已成为制造高深宽比金 属微结构件的主要方法。LIGA 技术组合了光刻、微电铸和微注塑技术，它通过光刻形成具有特点 图案的树脂胶层。将上面覆盖有树脂胶层的导电材料衬底作为微电铸阴极芯模进行金属电化学沉 积。树脂胶层图案限定了金属离子的沉积区域，使得金属离子在所限定区域沿树脂胶侧壁生长，这 一方式既解决了电化学沉积定域性差的问题，又充分发挥了电化学沉积的微过程优势。20 世纪 90 年代德国采用纳秒级超短脉冲电流技术使得电解加工溶解定域性突变性提高，实现了亚微米精度三 维复杂型腔加工。各国研究人员对其他形式的微细电化学加工也表现出极大的兴趣，从多方面进行 了研究，一些成果已经在生产中得到应用：利用微细电化学加工技术，日本制造出了直径为数微米、 1 高表面质量的轴；英国在高速转子上加工出了数十微米线宽、数微米深的储油槽；荷兰菲利浦公司 实现了薄板上微孔、缝的高效电解加工。 1 微细电解加工 2000 年德国Fritz-Haber 研究所的科研人员将超短(纳秒)脉冲电流电源与低浓度电解液、加工间 隙的实时检测及调整等技术结合，使加工间隙缩小到几微米，实现了亚微米级精度的加工。由于金 属／溶液界面上存在具有电容特征的双电层，电解液又具有一定的阻抗特性，因此加工间隙可近似 等效为 RC 电路。其中电容的充、