线状阳极近阴极扫描式电沉积微细制件均匀性研究

【作者】 张峻中； 明平美； 张新民； 秦歌； 闫亮；

【机构】 河南理工大学特种加工技术与装备研究所；

【摘要】 精细金属结构特征常是高技术产品重要性能或特殊功能的主载体之一。掩膜电沉积加工因成型精度高、制件表面质量好、易于批量实施、便于形-性-貌协同控制、操作温度低等优势,成为精细金属结构制造的优选技术之一。尽管如此,电沉积微细件厚度不均、缺陷难控、尺度效应明显等问题仍未得到有效解决,成为制约掩膜微细电沉积加工技术优质应用的主要障碍之一。对此,提出了一种显著有别于传统实施方式的新的掩膜电沉积加工技术——线状阳极近阴极扫描式电沉积加工,其主要工作特征为:由超细直线状导电体(相当于"线状阳极")与刚性加持体(搅拌桨)构成线状阳极-搅拌桨组合体贴近阴极胶膜结构表面作直线往复匀速扫描运动。新技术期望通过超细导电体(等效于"线")向阴极基底胶膜图形的各特征导电区域以离散叠加方式输送高度局域化的带状微电流来实现电流的"按需供应",通过极间流场进而达成电流分布的多尺度全域趋同化。构建了线状阳极近阴极扫描式电沉积微加工的流-电耦合分析模型,数值研究揭示了宏/微尺度电沉积特征区内的电流密度分布特征及其时空特性,阐释了电沉积特征区内的传质行为以及金属层叠加增厚机理与宏/微分布特征,实验研究分析了批量加工制备微结构件和宏-微组合结构件时的厚度均匀性及其影响因素。研究表明:近阴极扫描式电沉积在成材与叠层增厚成形机理上类比于超窄脉宽-变脉间式脉冲电流电沉积;极间间隙越小,微电流束的局域性越好,越有利于各特征区金属层的等速增厚,电铸制件的厚度分布均匀性越好;定极间间隙下,单个微电铸件的顶面廓形特征受极间电压影响,大电压对应马鞍形特征,小电压对应凸峰形特征;线状阳极扫描速度对电铸制件厚度均匀性几乎没有影响;宏-微尺度特征混存电铸时,尺度效应仍显著影响传质特性,但对厚度均匀性的影响大幅减小,整体均匀性较常规静止槽铸有明显提高。更多还原