激波辅助纯钛微细群孔光刻电解试验研究*

江 一,汪 炜,刘正埙,何铁军,彭 昀

(南京航空航天大学机电学院,江苏 南京 210016)

随着微机电系统(MEMS)技术的发展,大量形状各异的微小尺寸结构和高精度零件的加工需求不断增加。微细群孔作为一种典型的微细结构,在航空航天、医疗、化工等领域具有广泛的应用。由于钛合金具有密度小、比强大、良好的耐蚀性及生物相容性等特点[1],因此,近年来钛及钛合金的微细群孔加工成为国内外研究的热点。

目前钛及钛合金的微细群孔加工方法主要包括冲压、铣削、钻孔、激光打孔、电火花加工及光化学、光刻电解等加工方法[2]。由于光刻技术能快速实现微细图形转移,电解加工又能高效地进行多孔同时加工,而光刻电解加工结合了光刻技术和电解加工两者的优点,因此相对于其他加工方法,光刻电解加工具有更多优势,如无残余应力、无加工毛刺、成本低廉等。然而,电解反应过程中会产生热量和气泡,导致腐蚀不均匀,且由于电解产物难以排出,加大电解侧蚀量,影响加工精度及表面粗糙度。为解决这个问题,常采用流动电解液、间歇式加工以及低温和氧化层掩膜技术等,缺点是操作复杂,加工效率低,加工质量也难以控制[3]。由于激波特有的扰动作用,可促进新鲜电解液的输送和电解产物的排出,对提高电解加工效率和精度十分有利。本文通过激波辅助光刻电解的方法进行微细群孔的加工试验研究,实验结果表明加工效率、稳定性以及表面质量都有明显提高。

1 试验方法

光刻电解加工是实现图形转移的处理技术,首先根据待加工图形加工出掩膜母板,然后通过曝光、显影等工序将掩膜母板上的几何图形转移到试件表面光刻胶上,在试件上形成具有一定图案的裸露表面,然后再进行电解加工[4～6]。光刻电解工艺流程如图1所示。

图1 激波辅助光刻电解工艺流程

清洗:为使光刻胶与试件(厚100μm的纯钛薄板)粘结牢固,分别用酸和碱对试件进行超声清洗,清洗后在烘箱中150℃烘30min,以去除试件表面水分,然后冷却备用。

匀胶:光刻胶的厚度对试验的结果影响较大。本试验使用负性光刻胶(DET466,荷兰HTP公司生产),匀胶速度为3000 r/min,得到胶层厚度约为10μm。

曝光:曝光工艺对掩膜图形和电解精度有很大影响。若曝光时间过短,则光刻胶掩膜图形易变形,若曝光时间过长,则会导致电解时侧蚀严重。本试验根据光刻胶特性和胶厚,使用JKG—2A型光刻机,曝光时间为40 s。

显影:曝光后光刻胶中形成了潜影,通过显影才形成可靠的图形影像。显影工艺主要是液体显影,用溶剂除去光刻胶中未曝光部分,裸露出待腐蚀的图形区域。本试验使用专用显影液,显影时间为30 s。

电解:将工件安装在自制夹具上,选择适当电极间距及电参数,采用激波辅助电解加工。完毕后去胶,即可得到所需零件结构。

为了实现纯钛微细群孔加工,选择合适的电解液非常重要。针对纯钛微细结构加工特性,本试验选用文献[7]中试验效果较好的3 mol/L的H2SO4/Methanol溶液作为电解液[7],开展电解试验研究。为尽量提高加工效率,也为减小杂散腐蚀的影响,必须选择合适的极间距离,试验采用的极间距离为20mm。由于激波能有效促进电解液的输送和电解产物的排出,试验选用激波辅助方法进行纯钛微细群孔光刻电解试验研究(图2)。

图2 激波辅助电解系统

实验中采用自研的激波辅助电解系统,原理如图2a所示。通过对压电换能器施加电脉冲激励,压电换能器会产生脉冲超声波(频率为1 MHz),由在液体介质传输过程中的非线性效应,产生激波[8～10]。图2a中左上方是兆赫超声在液体中传播时在焦点处产生的激波波形,该压力信号波形持续时间极短,上升沿极陡,正向压力 p+=40～100MPa,负向压力 p-=4～10MPa,对极间产生瞬时定向压力扰动,促进电解产物的排出和电解液的循环。为了解不同电解产物排出方式对加工效率的影响,本文采用磁力搅拌(转速为1000 r/min),普通超声(频率为40 kHz)进行了对比实验。

2 结果与分析

光刻电解加工中,有光刻胶遮蔽的部分受到保护不发生反应,而未受光刻胶保护的部分即加工区域受到腐蚀成形[11～12](图3)。

图3 光刻电解过程示意图

在电解过程中,基体会产生侧蚀现象,使加工孔形成一定的锥度,这影响了加工精度和尺寸一致性。因此控制侧蚀量 l以及加工锥度成为电解加工的重要指标。由于通过激波辅助加工,电解产物能及时排除,新鲜电解液也能迅速得到补充,由图4a看出,在100μm厚的纯钛试件上加工的 300μm 微细群孔加工锥度很小,表面质量很好。对加工群孔直径进行测量,结果如图4b所示,孔的平均直径为371μm,尺寸一致性很好。

图4 纯钛试件上加工微细群孔

2.1 加工过程中钝化现象的改善

电解液是影响电解加工效果的重要因素,对电解加工精度、表面品质以及加工效率均有影响。由于钛是自钝化性很强的金属,若采用一般的水基电解液,在加工过程中会产生钝化,导致加工难以进行。本试验选用3mol/L的H2SO4/Methanol有机溶液作为电解液,开展激波辅助纯钛微细群孔光刻电解试验研究。实验结果表明,以H2SO4/Methanol有机溶液作为电解液,蚀除速率和表面粗糙度令人满意。

对于H2SO4/Methanol溶液,电化学反应过程如下:

事实上,使用H2SO4/Methanol溶液作为电解液腐蚀纯钛,反应产物及其形成机理十分复杂。研究表明,在特定浓度的H2SO4溶液中,Ti4+的产物自阳极界面向电解液中的扩散速率是有限的,确切地说,当达到该极限扩散速率时,Ti4+的产物将发生沉淀,因此对纯钛的进一步腐蚀将造成严重影响。此外,当含水量超过一定比例时,还会发生钝化反应,表面形成 TiO2膜。

2.2 加工效率

为了解不同电解产物排出方式对加工效率的影响,分别对3种条件(磁力搅拌、超声辅助加工、激波辅助加工)下的电解加工平均电流进行了记录,其电流-时间曲线见图5。由图可知,采用磁力搅拌方式时,电流随加工进行明显变小,这是因为普通搅拌方式很难将反应产物及时排出,新鲜电解液不能及时补充,造成加工电流变小。

图5 3种条件下电流—时间曲线

采用超声和激波辅助加工时,电解液扰动剧烈,加工电流稳定,加工效率明显提高,不同条件下加工效率见表1。

表1 不同条件下材料蚀除速率对比

2.3 表面质量

由表1可知,对于超声辅助加工,随着超声功率增大,加工效率提高,改善了加工质量。但是超声功率越大,加工过程中光刻胶损伤也越严重。试验所用的超声频率较低,只有40 kHz,从声学角度来看,空化阈值低,易发生空化。伴随着空化效应的影响,局部高温和微射流会对光刻胶造成一定的破坏,产生钻蚀现象,导致加工表面出现缺陷。尤其是使用100 W档的超声辅助加工时,钛表面极易出现缺陷(图6a)。相比于普通超声,激波由于具有良好指向性和能量可控性,能有效抑制空化效应,减少对光刻胶的破坏,提高了钛表面质量,如图6b所示,钛表面未出现由于光刻胶受破坏导致的缺陷。

图6 超声(100 W)与激波条件下电解加工表面质量

3 结论

本文介绍了激波辅助纯钛微细群孔光刻电解试验研究,采用有机电解液H2SO4/Methanol,避免了纯钛电解过程中表面钝化现象的产生,结合激波产生的定向压力扰动,促进了电解液的循环和电解产物的排出,有效提高了加工精度和效率,加工表面光滑,加工群孔尺寸一致性好。此外,由于激波具有良好指向性和能量可控性,能有效抑制空化效应,减少对光刻胶的破坏,提高了钛表面质量。

钛在有机电解液中的反应产物及其形成机理很复杂。在后续的工作中,可进一步研究钛在有机电解液中的反应机理,以实现工程化应用。

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