CN111515480A - 一种微粒辅助掩膜电解加工的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种微粒辅助掩膜电解加工的装置及方法，属于微细电解加工领域。装置通过阴阳极夹具将阴阳极板固定，阴阳极夹具通过螺栓组固接形成密闭反应腔，使微粒随电解液在加工过程中稳定循环。方法包括“基底预处理‑阳极基底掩膜制作‑微粒辅助电解加工”步骤，通过电解液中添加微粒辅助掩膜电解加工，微粒在流体作用下获得动能，随电解液循环运动，撞击阳极加工表面，可以有效去除加工过程中阳极金属表面生成的钝化膜，提高阳极金属表面与电解液接触面积，加快电解反应速率，同时附着加工产物排出加工间隙。本发明微粒辅助掩膜电解加工提高了电解加工的深刻蚀能力，同时保证加工精度，加工定域性得到改善，本方法在加工高深宽比微结构时改善效果尤其明显。

Description

一种微粒辅助掩膜电解加工的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微粒辅助掩膜电解加工的装置及方法，属于微细电解加工领域。

背景技术

随着微机电系统的迅速发展，金属微结构的应用越来越广泛。目前，金属微结构的加工方法主要有机械微加工、电火花加工、激光加工、电子束加工、电解加工等。其中,电解加工具有加工范围广，生产效率高，表面质量好，无残余应力，无变形，无工具损耗等突出优点。掩膜电解加工作为一类电解加工技术具有生产成本低，可一次大批量成型加工，且可以保证较高的加工精度和重复精度等优势，在金属微结构加工中具有广阔的应用前景。

在掩膜电解加工中，阳极电解产物中的沉淀性金属氢氧化物以及反应生成的金属氧化物会随反应进行在工件表面沉积，形成一层绝缘钝化薄膜，降低工件表面电解液流动速率，同时使得金属与溶液界面上产生的反应物粒子难以向本体溶液迁移，限制电极反应的进行。同时，由于刻蚀材料的各向同性属性，加工过程会发生杂散腐蚀，产生严重的侧蚀问题难以保证掩膜电解加工的加工精度。

针对以上问题，发明专利CN 104551282 A公开了一种采用柔性模板提高阵列微坑电解加工定域性的系统及方法。该方法采用高速电解液正向冲击柔性模板提供预压力来确保柔性模板与工件贴合，提高了微坑阵列电解加工的定域性。然而，由于采用了柔性模板，柔性模板的变形将使加工精度难以保证。此外，由于阴阳极间间隙过小，电解液通过阴极工具群缝后对阳极工件表面压力存在差异，将使得工件表面各区域的流场变得不均匀，会造成加工精度不一致的现象。

发明专利CN 106064261 A公开了一种基于磁性PDMS掩膜的微坑阵列电解加工的系统与方法。该方法通过制备含有磁性粒子的PDMS掩膜，利用磁场力增强掩膜与工件贴合，有效地减弱了侧蚀产生的微坑周围的杂散腐蚀，提高了微坑阵列电解加工的定域性。然而，一方面磁性掩膜的制备工艺过程较复杂且工艺要求较高；另一方面，磁场力作用下掩膜的延展率有限，难以保证掩膜与工件的贴合效果达到加工要求。

《电加工与模具》2015年第1期21-24页开展了一项掩膜电解加工微沟槽的试验研究，提出使用复合电解液来改善掩膜电解加工的定域性，向质量分数为15％的NaNO₃电解液中加入0.1mol/L的H₂SO₄溶液。H₂SO₄溶液能在一定程度上溶解阳极反应副产物，缓解钝化膜对反应的限制作用，加快电解液的循环更新。但当加工材料存在各向同性时，H₂SO₄溶液的加入会同时溶解工件非加工方向上的钝化膜，使加工精度严重下降。因此，该方法不具有普遍适用性，不适用于加工高深宽比微结构。

综上所述，现有的改善掩膜电解加工定域性的方法有一定的局限性。由于加工定域性差、深刻蚀能力不足，使得现有的掩膜电解加工往往局限于表面织构加工或薄板通孔加工，很难满足微结构器件对高深宽比微结构的加工需求。因此，有必要发明一种新的提高掩膜电解加工深刻蚀能力，同时保证加工精度的装置及方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种微粒辅助掩膜电解加工的装置及方法，目的在于减小钝化膜对电解反应的限制，克服现有掩膜电解加工中深刻蚀能力弱，加工定域性差的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种微粒辅助掩膜电解加工的装置，包括阴极板1、阳极板4、阴极夹具10、阳极夹具11、密封垫片20、导电螺钉15、塑料螺钉13、紧固螺栓17、紧固螺母18。

所述的阴极夹具10与阳极夹具11均为不导电材料，阴极夹具10设有四个通孔19，阳极夹具11设有四个沉孔16。所述的阴极夹具10与阳极夹具11之间通过密封垫片20、四组紧固螺栓17与紧固螺母18实现固接，阴阳夹具内部构成反应腔。所述的阴极夹具10与阳极夹具11均设有一个顶部沉头螺纹孔14与四个内部螺纹孔12，沉头螺纹孔14位于阴极夹具10与阳极夹具11中部，内部螺纹孔12位于沉头螺纹孔14四周。

所述的阴极板1、阳极板4为导电材料，阴极板1、阳极板4上开有四个用于通过塑料螺钉的电极板通孔23，所述阴极板1、阳极板4分别通过四个塑料螺钉13与阴极夹具10、阳极夹具11上的内部螺纹孔12实现螺纹配合固接。所述的两个导电螺钉15分别通过导线在沉头处环绕并与阴极夹具10、阳极夹具11上的顶部沉头螺纹孔14螺纹配合实现阴极板1、阳极板4与外加电源6的导电。所述的阴极夹具10右侧面设有进液口7，阳极夹具11左侧面设有8出液口。此处，阴极板1为阴极金属板，阳极板4为阳极金属基板。

所述的密封垫片20为不导电材料，开有四个用于通过紧固螺栓17的垫片通孔，孔径大小与螺栓17直径相同，且开有与反应腔大小相同的垫片方孔22，使反应腔连通且保证密封。

进一步的，所述的阴极板1、阳极板4导电材料包括铜、不锈钢等，四个电极板通孔23孔径大小与塑料螺钉13直径相同。

进一步的，所述的阴极夹具10与阳极夹具11不导电材料包括尼龙、聚丙烯、聚氯乙烯、玻璃等。

进一步的，所述导电螺钉15为金属材料，如铜、碳钢等。所述塑料螺钉13为不导电且耐腐蚀材料，如尼龙、聚丙烯、聚氯乙烯等。

进一步的，所述的密封垫片20为橡胶材料。

一种基于上述装置实现微粒辅助掩膜电解加工的方法，该方法包括以下加工步骤：

步骤一，金属基板预处理

采用不同型号的砂纸对两个金属基板分别进行粗磨、精磨及抛光处理；采用丙酮、乙醇溶液超声清洗，再用去离子水清洗干净后烘干，将烘干后的金属基板冷却至室温待用。并将其中一个预处理后的金属基板直接作为阴极金属板。

步骤二，阳极基底掩膜制作

在步骤一预处理后的另一金属基板表面旋涂光刻胶，进行前烘，前烘结束根据具体胶厚及制作精度确定曝光剂量，将曝光后的基板进行显影，显影后进行后烘，随后冷却至室温，得到具有光刻胶掩膜3的阳极金属基板。

步骤三，微粒辅助掩膜电解加工

进行掩膜电解加工实验，配置电解液溶液，将选定粒径及含量的微粒2加入电解液5中，电解液5从进液口7流入加工区域，从出液口8流出，并通过泵送方式实现循环更新。

将带有光刻胶掩膜3的阳极金属基板与外加电源5的电源正极相连，作为电解加工的阳极，阴极金属基板与电源负极相连，作为电解加工阴极；然后将阴阳极板放入到电解液5中并完全浸没加工区域，设定电源参数进行电解加工。在加工过程中，阳极金属基板发生氧化反应，光刻胶掩膜3裸露处金属被氧化为金属离子，金属离子进入电解液中与溶液离子反应生成金属氧化物及金属氢氧化物，在阳极表面形成钝化膜9，电解液5中的微粒2随电解液5在泵压作用下撞击阳极板4表面，冲蚀金属表面附着的钝化膜9，防止钝化膜9进一步累积，从而使电解反应持续进行。

所述阳极金属基板表面的光刻胶掩膜3为孔径大小在50-150微米的群孔阵列，所加微粒2的粒径大小为光刻胶掩膜3孔径的百分之十到百分之六十，在光刻胶掩膜3孔径及微粒粒径的限制下，使微粒2只在加工深度方向上撞击加工表面，减少侧向腐蚀，提高加工定域性，实现高深宽比微结构的加工。

所述微粒2可以采用碳化硅，氧化铝，氮化硼，金刚石等硬质材料，保证微粒碰撞加工表面的效果，且微粒不与电解液成分发生反应，微粒在运动时附着反应离子到达阳极金属表面，增大粒子浓度，加快反应速率，同时可以附着加工产物排出加工间隙，提高传质效率同时改善电场均匀性。

所述电源为脉冲电源，采用脉冲电源实现间歇加工，可以缓解加工过程中产生的热量、气泡等，有利于电解液的更新，产物的及时排出及微粒的循环补充。使用脉冲电源能有效改善加工表面粗糙度及加工的形状精度。

所述电解液流量在2-5L/min。微粒随电解液通过泵送方式进行循环，在流体作用下获得动能，撞击加工表面，电解液流量确保微粒达到所需动能，所述电解液循环方式可以采用侧向充液(平行于阳极工件表面)或正向充液(从阴极内部引入电解液)两种方式。

本发明的有益效果是：提供了一种微粒辅助掩膜电解加工的装置及方法，在电解液中添加微粒辅助电解加工，高硬度微粒在流体作用下获得动能撞击工件加工表面，冲蚀阳极加工表面钝化膜，加速阳极表面电解液的循环更新，促进反应继续进行。所述加工装置保证阴阳极板完全浸没电解液发生反应，且在微粒冲撞下保持固定，装置密封良好，能够保证电解液的稳定循环。所加微粒粒径在掩膜孔径的百分之十到六十，使微粒只在刻蚀深度方向上去除阳极表面钝化膜，减少侧向腐蚀，改善加工定域性，保证加工精度，实现高深宽比微结构的加工。

附图说明

图1为阴极夹具三维视图；

图2为阳极夹具三维视图；

图3为微粒辅助掩膜电解加工装置总体视图；

图4为微粒辅助掩膜电解加工装置主视剖视图；

图5为微粒辅助掩膜电解加工装置左视图；

图6为微粒辅助掩膜电解加工装置俯视图；

图7为密封垫片示意图；

图8为阴(阳)极板示意图；

图9为微粒辅助掩膜电解加工反应示意图；

图10为微粒冲撞阳极表面示意图；

图11为微粒去除局部钝化膜示意图；

图12为加工表面局部刻深增加示意图；

图13为加工表面深刻蚀强化效果示意图；

图中：1为阴极板，2为微粒，3为光刻胶掩膜，4为阳极板，5为电解液，6为外加电源，7为进液口，8为出液口，9为钝化膜，10为阴极夹具，11为阳极夹具，12为内部螺纹孔，13为塑料螺钉，14为顶部螺纹孔，15为导电螺钉，16为阳极夹具沉孔，17为紧固螺栓，18为紧固螺母，19为阴极夹具通孔，20为密封垫片，21为垫片通孔，22为垫片方孔，23为电极板通孔。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1为阴极夹具三维视图，尼龙阴极夹具10设有四个

通孔19，四个M3内部螺纹孔12及一个M6顶部螺纹孔14，侧面设有

深2的沉孔

通孔的进液口7。图2为阳极夹具三维视图，尼龙阳极夹具11设有四个

深2的沉孔

的通孔16，四个M3内部螺纹孔12及一个M6顶部螺纹孔14，侧面设有

深2的沉孔

通孔的出液口8。图3微粒辅助掩膜电解加工装置总体视图，带有沉孔16的阳极夹具11置于下层，设有通孔19的阴极夹具10置于上层，通过橡胶的密封垫片20，M8的紧固螺栓17与M8的螺母18实现阴极夹具10与阳极夹具11的固定连接，且保证密封良好。图4为装置的主视剖视图，阴极夹具10与阳极夹具11紧固形成反应腔，不锈钢阴极板1通过四组M3的尼龙螺钉13与阴极夹具10中的内部螺纹孔12螺纹配合固定，铜阳极板4同样与阳极夹具11固定连接，阴极板1与阳极板4分别通过M6的铜导电螺钉15与阴阳夹具10、11中M6的顶部螺纹孔14配合，通过导线实现与外加电源6的连接。进液口7设置在阴极夹具10左侧，出液口8设置在阳极夹具11右侧，实现阳极板的正向冲液。图5和图6分别为微粒辅助掩膜电解加工装置的左视图和俯视图。图7为密封垫片示意图，图8为阴(阳)极板示意图。

图9为微粒辅助掩膜电解加工反应的示意图，带有光刻胶掩膜3的阳极板4与外加电源6的阳极相连作为电解加工的阳极，阴极板1与外加电源6的负极相连作为电解加工阴极，电解液5中加入微粒2后从进液口7流入加工区域，从出液口8流出，并通过泵送方式实现循环更新。随反应进行，阳极板4金属表面生成一层钝化膜9限制反应的继续进行，图10为微粒随电解液运动冲撞到阳极工件表面示意图，图11为微粒去除局部钝化膜示意图，微粒2冲蚀区域的钝化膜9被去除，从而使电解反应继续进行。图12为加工表面局部刻深增加示意图，随反应继续进行，图13为加工表面深刻蚀强化效果示意图。

基于上述装置实现的微粒辅助掩膜电解加工的方法，包括具体步骤如下：

(1)基板预处理

用砂纸对不锈钢基板及铜基板分别进行研磨及抛光处理，至表面光亮没有划痕；用丙酮棉球擦拭基板表面，然后先置于丙酮溶液中超声清洗，再置于乙醇溶液中超声清洗，经去离子水冲洗、氮气吹干后放入真空烘箱内进行烘干；将烘干冷却后的金属基板取出待用，不锈钢基板直接作为阴极金属板待用。

(2)阳极基底掩膜制作

用台式匀胶机在预处理之后的铜基板表面旋涂BN303光刻胶，将涂覆了BN303光刻胶的铜基板置于水平热板上进行前烘，前烘结束后冷却至室温后进行曝光，采用孔径为100μm的阵列凹坑掩膜版进行曝光，将曝光后的基板分别用负胶显影液、负胶清洗剂及丙酮溶液进行显影，显影后放置在水平热板上进行后烘，随后冷却至室温，即可得到具有光刻胶掩膜3的阳极金属基板，阳极金属基板为阳极板4。

(3)添加微粒辅助掩膜电解加工

进行电解加工实验准备，配置1L质量分数为15％的NaNO₃电解液，在电解液5中加入粒径为20μm的SiC微粉，分散相浓度10％，电解液流量选用3L/min，采用侧向充液方式使电解液5平行于阳极金属基板流入，阴极板选用不锈钢板，然后将阴阳极板放入电解液5中，使电解液5完全浸没加工区域，调整位置，使两者平行相向，将带有光刻胶掩膜3的铜金属基板与脉冲电源正极相连，不锈钢阴极板与脉冲电源负极相连，电流密度设定为3A/cm²，占空比设为30％，加工时间为2min，启动电源进行电解加工。

采用本发明添加微粒辅助掩膜电解加工的方法加工，与不添加微粒的掩膜电解加工相比，定域性得到明显改善，深刻蚀能力大大提高，无微粒辅助掩膜电解加工得到的孔径平均值为150.15μm，刻蚀深度平均29.57μm，微粒辅助掩膜电解加工的加工孔径平均值为132.75μm，刻蚀深度平均为34.25μm，蚀刻因子EF提高了77.38％，且阵列群孔均匀性得到了明显改善，加工表面质量相比于无微粒辅助加工也得到了明显提高。本方法能够有效去除加工过程中阳极金属表面生成的钝化膜，促进反应继续进行，微粒附着加工产物排出加工区域，改善电解液的传质效率，同时微粒粒径及掩膜孔径限制微粒在加工深度方向上撞击加工表面，减少侧向腐蚀，提高深刻蚀能力，改善加工定域性，为高深宽比微结构的加工提供可行方法，同时改善了加工表面质量，具有简单、高效、经济的特点。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微粒辅助掩膜电解加工的装置，其特征在于，所述的装置包括阴极板(1)、阳极板(4)、阴极夹具(10)、阳极夹具(11)、密封垫片(20)、导电螺钉(15)、塑料螺钉(13)、紧固螺栓(17)；

所述的阴极夹具(10)与阳极夹具(11)均为不导电材料，阴极夹具(10)设有四个通孔(19)，阳极夹具(11)设有四个沉孔(16)；所述的阴极夹具(10)与阳极夹具(11)之间通过密封垫片(20)、四组紧固螺栓(17)与紧固螺母(18)实现固接，阴阳夹具内部构成反应腔；所述的阴极夹具(10)与阳极夹具(11)均设有一个顶部沉头螺纹孔(14)与四个内部螺纹孔(12)，沉头螺纹孔(14)位于阴极夹具(10)与阳极夹具(11)中部，内部螺纹孔(12)位于沉头螺纹孔(14)四周；

所述的阴极板(1)、阳极板(4)为导电材料，阴极板(1)、阳极板(4)上开有四个电极板通孔(23)，所述阴极板(1)、阳极板(4)分别通过四个塑料螺钉(13)与阴极夹具(10)、阳极夹具(11)上的内部螺纹孔(12)实现螺纹配合固接；所述的两个导电螺钉(15)分别通过导线在沉头处环绕并与阴极夹具(10)、阳极夹具(11)上的顶部沉头螺纹孔(14)螺纹配合实现阴极板(1)、阳极板(4)与外加电源6的导电；所述的阴极夹具(10)右侧面设有进液口(7)，阳极夹具(11)左侧面设有(8)出液口；

所述的密封垫片(20)为不导电材料，开有四个垫片通孔，且开有与反应腔大小相同的垫片方孔(22)。

2.一种基于权利要求1所述的装置实现微粒辅助掩膜电解加工的方法，其特征在于，包括以下加工步骤：

步骤一，金属基板预处理

对两个金属基板分别进行粗磨、精磨、抛光处理，超声清洗后烘干；并将其中一个预处理后的金属基板直接作为阴极金属板，阴极金属板为阴极板(1)；

步骤二，阳极基底掩膜制作

在步骤一预处理后的另一金属基板表面旋涂光刻胶，进行前烘，前烘结束根据具体胶厚及制作精度确定曝光剂量，将曝光后的基板进行显影，显影后进行后烘，随后冷却至室温，得到具有光刻胶掩膜(3)的阳极金属基板，阳极金属基板为阳极板(4)；

步骤三，微粒辅助掩膜电解加工

将微粒(2)加入电解液(5)中，配置电解液溶液，电解液(5)从进液口(7)流入加工区域，从出液口(8)流出，并通过泵送方式实现循环更新，进行掩膜电解加工实验；

将阳极金属基板与外加电源的正极相连，阴极金属基板与负极相连；然后将阴阳极板放入到电解液(5)中并完全浸没加工区域，设定电源参数进行电解加工；

在加工过程中，阳极金属基板发生氧化反应，光刻胶掩膜(3)裸露处金属被氧化为金属离子，金属离子进入电解液后在阳极表面形成钝化膜(9)，电解液(5)中的微粒(2)随电解液(5)在泵压作用下撞击阳极板(4)表面，冲蚀金属表面附着的钝化膜(9)，防止钝化膜(9)进一步累积，从而使电解反应持续进行。

3.根据权利要求2所述的一种基于权利要求1所述的装置实现微粒辅助掩膜电解加工的方法，其特征在于，所述光刻胶掩膜(3)为孔径大小在50-150微米的群孔阵列；所加微粒(2)的粒径大小为光刻胶掩膜(3)孔径的百分之十到百分之六十。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于权利要求1所述的装置实现微粒辅助掩膜电解加工的方法，其特征在于，所述微粒(2)采用碳化硅、氧化铝、氮化硼或金刚石。

5.根据权利要求2或3所述的一种基于权利要求1所述的装置实现微粒辅助掩膜电解加工的方法，其特征在于，所述电源为脉冲电源。

6.根据权利要求4所述的一种基于权利要求1所述的装置实现微粒辅助掩膜电解加工的方法，其特征在于，所述电源为脉冲电源。

7.根据权利要求2或3或6所述的一种基于权利要求1所述的装置实现微粒辅助掩膜电解加工的方法，其特征在于，所述电解液流量在2-5L/min。

8.根据权利要求4所述的一种基于权利要求1所述的装置实现微粒辅助掩膜电解加工的方法，其特征在于，所述电解液流量在2-5L/min。

9.根据权利要求5所述的一种基于权利要求1所述的装置实现微粒辅助掩膜电解加工的方法，其特征在于，所述电解液流量在2-5L/min。

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