屏蔽挡板对电铸微模芯厚度均匀性的影响

马 鑫， 蒋炳炎， 陈中原， 吕 辉， Stefan Kirchberg

（1.中南大学 机电工程学院 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙410083；2.Institute of Polymer Materials and Plastics Engineering，Clausthal University of Technology，Clausthal-Zellerfeld 38678，Germany）

0 前言

随着MEMS技术的发展，微电铸作为一种全新的微细加工技术，已经广泛应用于信息、通信、国防、航空航天、医疗和生物工程等各个领域［1-2］。在LIGA技术［3］中，将微电铸技术与光刻技术［4］、微注射成型技术［5］结合，应用于微模具的制作，实现了微型器件的批量化生产，对推广其应用有重要意义［6］。然而，由于电沉积过程的内在特性，电铸微模芯往往存在厚度分布不均的现象［7-9］。微透镜阵列是微光学系统中的一个关键元件，因其特有的光学性能而得到广泛应用［10］。在制作微透镜阵列电铸模芯的过程中，厚度均匀性差不仅会影响模芯的电铸效率，更会降低模芯的质量，造成微透镜大小分布不均等缺陷，直接影响微透镜阵列模芯的使用性能。因此，控制好铸层的厚度均匀性，是制备高质量微透镜阵列模芯的关键。

为改善铸层的厚度均匀性，研究者们从改良电铸液、增强液相传质及优化电场分布等方面提出了诸多措施，具体分为改进实验装置［11-12］和优化电铸工艺［13-15］两方面。

本文以微光学系统的核心元件微透镜阵列为研究对象，利用Ansys模拟软件，通过对微透镜阵列模芯电铸过程中阴极电流密度分布进行模拟分析，研究电铸过程中电流屏蔽挡板对阴极电流密度分布的影响，进而直观反映微模芯的铸层厚度分布，为微透镜阵列电铸模芯的精密制造提供参考。

1 微电铸仿真理论基础

微电铸系统是由电源、金属阳极、电解质溶液、阴极四部分组成的闭合回路［16］。根据法拉第第一定律，铸层厚度与电流的关系为：

式中：h为铸层厚度；Z为电化学当量；I为电流；a为阴极基底的表面积；ρ为金属镍的密度；η为电流效率；t为沉积时间。由上式可知：一定时间内，电沉积金属层的厚度主要取决于阴极电流密度。阴极电流密度不均匀，会造成沉积层的厚度不均匀［17］。因此，利用有限元法求解描述电流场的偏微分方程，得到微电铸体系的阴极电流密度分布，可以预测金属沉积层的厚度均匀性，指导实际电铸工艺设定。

2 Ansys仿真分析

2.1 建立模型

根据微透镜阵列模芯微电铸实验的实际工作情况建立模型，如图1所示。微透镜阵列母版的尺寸为20mm×20mm×1mm，表面分布有10×10的透镜阵列。单透镜基底的直径为300μm，高度为45μm。阳极为65mm×55mm×3mm的电解镍板。阴阳极间距为200mm，中间放置一块绝缘材质的屏蔽挡板。屏蔽挡板中心开设正方形孔，边长为x，分别取x＝16mm，20mm，24mm，28mm。屏蔽挡板到阴极的距离为10mm。微透镜阵列镍模芯的尺寸为16mm×16mm×1.5mm，因此，仅对16mm×16mm面积内的阴极电流密度分布情况进行研究。

图1 使用屏蔽挡板的微电铸系统模型

2.2 划分网格

选用Hypermesh输出网格，导入Ansys中进行数值计算。由于微透镜与电铸系统整体尺寸相差巨大，为节省计算时间，提高数值模拟效率，仅对微结构处的网格采用细化处理，保证网格平缓过渡，如图2所示。

图2 Hypermesh处理的微电铸系统模型网格

2.3 确定边界条件

假设电铸液中金属离子的浓度处处相等，金属的沉积速率仅与阴极电流密度有关。电铸系统中边界条件根据实验设计情况而定，阳极与阴极之间施加4.5V电压。系统中各材料的电阻率参数，如表1所示。

表1 电铸系统中各材料的电阻率参数

2.4 仿真结果分析

以微透镜阵列母版中心为基准，在其中心线左右两边各选取10个检测点，间隔0.8mm。利用Ansys软件求解阴极电流密度分布，预测微透镜阵列模芯的厚度均匀性。未使用屏蔽挡板时，阴极电流密度呈现四周大、中间小的分布情况。模芯边缘的阴极电流密度超过0.053 3A／cm2，而中心区域的仅为0.009 8A／cm2。阴极电流密度随着向基底靠近而减小，透镜底部的阴极电流密度最微弱，不利于电沉积的形核与结晶。

为解决阴极边缘与中心的电流密度偏差大的问题，在微电铸系统中布置屏蔽挡板，仿真研究四种屏蔽挡板对阴极电流密度分布的影响。四组微透镜阵列阴极母版边缘处均存在较高的阴极电流密度，边缘效应依旧存在，但相比于无屏蔽挡板时的而言，其均匀性均有明显改善。当使用x＝16mm的屏蔽挡板时，阴极电流密度分布较均匀。当x＝20mm（即与阴极等大）时，均匀性得到进一步改善，阴极边缘与中心处的电流密度差异进一步缩小。随着x的继续增大，均匀性开始变差，阴极中心处的电流密度持续降低，而边缘处的电流密度逐渐增大。屏蔽挡板对电流起到一定的收束效果，电流矢量在屏蔽挡板边缘处发生收拢、偏转，绕过屏蔽挡板后向四周发散，屏蔽挡板方孔边缘与阴极边缘都具有明显的电流集中现象。随着方孔的增大，电流密度在屏蔽挡板边缘的集中现象减弱，而在阴极边缘的增强。

图3为阴极电流密度分布的数值模拟变化曲线。5条数值模拟的厚度曲线均呈两边厚、中心薄的马鞍状。相比而言，x＝20mm时的曲线最为平整，铸层边缘与中心的阴极电流密度比为1.15；其次为x＝16mm时的1.33；当x＝24mm和28mm时，比值上升至1.53和1.74。而不使用屏蔽挡板时，这一比值则为2.03。因此，与未使用屏蔽挡板时的情况相比，合适的屏蔽挡板能显著提高阴极电流密度分布的均匀性。

图3 阴极电流密度分布的数值模拟变化曲线

3 实验分析

为验证仿真优化结果在模芯厚度均匀性方面的表现，在电铸实验中使用x＝20mm的屏蔽挡板，与无屏蔽挡板时的情况进行比较，观察2组实验样品的厚度均匀性。采用平整的铜片作阴极；电源选用矩形脉冲电源，电压为4.5V，占空比为24%，频率为1 000Hz；阳极采用电解镍板；屏蔽挡板用PVC制得。采用氨基磺酸镍盐型电铸液，配方为：氨基磺酸镍400g／L，氯化镍10g／L，硼酸30g／L，润湿剂2mL／L，增硬剂1mL／L。

样品电铸完成后，洗净烘干。用厚度测量仪测量铸层各点的厚度，用影像测量仪观察样品中心截面的形貌。检测发现：不使用屏蔽挡板得到的电铸样品，其厚度分布极不均匀，两边明显凸起，中心内凹严重；而使用x＝20mm的屏蔽挡板时，电铸样品厚度均匀，边缘效应得到有效抑制。图4为两组样品中心截面的形貌。样品下方黄色部分为铜片基底，上部为电铸镍层。铸层边缘有轻微翘曲，这一现象可以通过适当添加去应力剂加以改善［18］。实验证明：使用仿真方法得到的优化结果，能有效改善铸层厚度的均匀性。

图4 两组样品中心截面的形貌

根据实验仿真结果，在电铸实验中使用x＝20mm的屏蔽挡板，电铸时间120h，制作厚度为1.5mm的微透镜阵列镍模芯。图5为微透镜阵列母版及电铸模芯的形貌。由图5（d）可知：镍模芯微结构轮廓清晰，表面光滑，与母版形貌一致。经厚度测量仪检测，模芯边缘与中心的厚度比为1.42。

4 结论

（1）采用数值分析可观察到阴极电流密度分布，预测铸层厚度的变化趋势。

（2）电流边缘效应导致微透镜阵列电铸模芯铸层呈现四周厚、中心薄的形状特点。屏蔽挡板能够改善微透镜阵列电铸模芯的厚度均匀性。当屏蔽挡板的方孔与阴极母版等大时，模芯的厚度均匀性最佳，铸层边缘与中心的厚度比由无屏蔽挡板时的2.03缩减至1.15。

图5 微透镜阵列母版及电铸模芯的形貌

（3）实验结果与仿真结果吻合。使用x＝20 mm的屏蔽挡板，能够显著提高厚度均匀性。实验得到边缘与中心的厚度比为1.42的微透镜阵列镍模芯。

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