[发明专利]大功率低频间歇超声辅助电铸系统及方法

说明书

本发明涉及一种大功率低频间歇超声辅助电铸系统及方法，属精密器件加工技术领域。通过在电铸过程中施加大功率低频间歇超声，解决由于让光刻胶一直处于大功率超声波作用下而导致的变形，同时避免连续超声对沉积层表面的侵蚀破坏。在继电器T_on时，超声换能器和电源同时工作，溶液中的金属阳离子在电场力和超声波的作用下，快速地沉积在光刻胶阴极表面，同时光刻胶阴极表面上产生的氢气泡可以快速离开表面；在继电器T_off时，超声换能器停止工作，电源继续工作。光刻胶阴极表面上无超声辅助作用，溶液中的金属阳离子仅在电场力的作用下沉积在光刻胶阴极表面。继电器T_on和T_off的无限循环实现了超声辅助间歇性作用在光刻胶阴极表面。本发明制备的电沉积层具有较为平整的表面，较小的摩擦系数和较高的尺寸精度。

技术领域

本发明属精密器件加工技术领域，具体涉及大功率低频间歇超声辅助电铸系统及方法。

背景技术

基于LIGA技术衍生发展而来的UV-LIGA技术是微细加工领域一种重要加工方法。利用其电沉积的方法可以制作出各种MEMS金属微结构。SU-8光刻胶是UV-LIGA技术常用加工材料。它是一种近紫外、负性环氧型光刻胶。其近紫外光范围内对光能量的吸收度低，整个光刻胶层曝光量的一致性好，使得厚胶膜图形的侧壁在显影后近乎垂直且深宽比高。另外，SU-8胶的热稳定性、抗化学腐蚀性和力学性能都比较好，而且其不导电性可用作电铸过程中的绝缘体，有利于制作复杂的微结构，使其在金属微器件的制作中获得广泛应用。

超声波是频率范围为2x10⁴～10⁹Hz的声波。其施加于溶液中的空化作用会产生强烈的搅拌并在局部产生瞬间的高温高压，为化学反应提供常规手段很难或无法达到的条件。超声波与电化学相结合，可以完成对电极表面的清洗和除气，加速液相质量的传递，增强电化学反应，改变电合成反应的速率等。学者们的研究表明，超声辅助具有改善电沉积过程本身和沉积层特性的作用。超声处理可以减小扩散层的厚度，增加极限扩散电流密度，并进一步提高电沉积的传质能力。在一定的功率范围内，高超声功率下的电铸可以增强晶格中位错的运动，并使晶格向平衡状态推进，从而有利于低残余应力的结晶。随着超声功率增加，电流效率先上升后下降，电铸层表现出较低的压应力。但是，超声辅助UV-LIGA电铸的研究表明，连续超声下气泡瞬态崩溃所产生的空化能量可能会使光刻胶的模具变形或损坏，甚至使沉积的表面质量变差(特别是在大功率和低频情况下)。因此，对于需要精确尺寸精度的UV-LIGA电铸，连续超声辅助技术并不是获得电沉积层的理想方法。为了使超声辅助技术适配到UV-LIGA微电铸中，本发明提出了一种用于UV-LIGA的大功率低频间歇超声辅助电铸技术。该技术有效的避免了瞬态空化能高的缺点，解决了连续超声辅助UV-LIGA电铸过程中光刻胶阴极模的损坏问题及由此产生的电沉积层质量不佳的问题，促进了超声辅助在电沉积技术中的进一步应用。

发明内容

本发明提供了一种电沉积层质量更好的大功率低频间歇超声辅助电铸系统及方法。

一种大功率低频间歇超声辅助电铸系统，其特征在于：

由继电器，超声波发生器，超声换能器，电源，阳极板，光刻胶阴极，电铸液和电沉积槽组成；

其中继电器一端连接超声波发生器阴极，另一端连接超声换能器阴极，超声波发生器阳极连接超声换能器阳极；电源阳极连接阳极板，电源阴极连接光刻胶阴极；

其中超声换能器，阳极板和光刻胶阴极均放置在注满电铸液的电沉积槽内；

超声换能器侧面垂直于阳极板和光刻胶阴极，阳极板和光刻胶阴极相对正面放置；

其中超声波发生器和超声换能器的频率相同，为20KHz或40KHz；超声换能器的功率可调，功率范围为100W-400W；继电器的工作时间T_on和关闭时间 T_off之和大于超声波发生器或超声换能器的工作周期。