本站小編為你精心準備了兆聲波精密微電鑄設備工藝研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

[摘要]兆聲波具有高聲強、低空化、聲流擾動的特點，將其應用于電化學沉積領域有著明顯的優勢。設計了一種貼片式雙向兆聲輻照的兆聲波反應器，組合其他功能模塊，制作了一款集成化的兆聲精密電鑄設備。以銅基底上鎳的電沉積過程為研究對象，考察了不同兆聲波作用形式對鑄層厚度均勻性及表面形貌的影響，對比了無兆聲作用、單側兆聲作用、雙側交替兆聲作用下的電鑄層厚度均勻性及電鑄層表面形貌。電鑄完成后，鎳鑄層的平面度值分別為：無兆聲15.03μm、單側兆聲15.36μm、雙側兆聲10.91μm。單側兆聲振動產生的駐波條紋及偏向推積現象影響了鑄層的厚度均勻性及表面形貌。雙側交替兆聲輻照克服了單側兆聲作用存在的偏向推積問題。相對于無兆聲作用及單側兆聲作用，雙側兆聲輔助電沉積獲得了更均勻的電鑄層厚度以及更好的沉積層表面形貌。

關鍵詞：兆聲反應器；聲輻射；微電鑄；均勻性；表面形貌

兆聲波具有高聲強、低空化、高擾動、指向性好的特點，可使聲波能量進入微納米結構之間的同時避免兆聲作用對工件表面或微結構的二次損傷[1]。這就使得兆聲技術在微納米加工領域有著得天獨厚的優勢以及廣闊的應用前景。事實上，由于兆聲波的高頻擾動作用能夠極大地提高溶液的分散能力，作為一種高效的功率超聲手段，兆聲波已經被應用于納米顆粒及納米薄膜制備[2]、化學機械拋光[3]、光刻膠顯影[4]、電化學沉積[5-7]等領域。現有的兆聲波輔助電沉積工藝通常使用換能器浸入式兆聲清洗槽作為聲化學反應器。文獻[8]在印刷電路板的兆聲輔助電沉積填孔工藝中，采用一種懸掛有10m×10m換能器的兆聲波清洗槽作為聲化學反應器。在反應過程中，兆聲擾動雖然有助于填孔深度的提高，但由于換能器輻射端輻射出的兆聲波能量不均勻，使得電路板上各處填孔深度均勻性較差。文獻[9]在兆聲輔助微電鑄工藝中，通過將Sonosys公司生產的浸入式兆聲清洗儀投入至微電鑄設備中產生高頻擾動來促進電鑄液傳質，并通過調整兆聲波功率獲得了高深寬比金屬微結構。然而，利用換能器浸入式兆聲清洗槽構建的簡易兆聲電沉積反應器往往存在著聲能量輻射不均勻，聲輻射效果不穩定的問題。因此，有必要將現有的兆聲技術與微電鑄工藝相結合，開發出一款集成化、能量輻射均勻的兆聲波精密電沉積設備。本文首先考慮了電沉積槽的兆聲波加載形式，設計制作了貼片式兆聲槽，并對聲源性能進行了測試。在貼片式兆聲槽的基礎上組合其他功能模塊開發了一款雙向兆聲作用的兆聲微電鑄設備，利用此設備開展了電鑄工藝試驗研究，考查了兆聲作用方向對電鑄層均勻性及表面形貌的影響，并對兆聲作用機制進行了分析討論。

兆聲波加載形式

聲化學反應器通常有換能器浸入式、工件振動式、貼片式等不同聲源加載方式。由于微電鑄槽內具有一定腐蝕性，且正負反應極板置于其中，占有較大空間，在不影響微電鑄環境并有利于兆聲加載的前提下，本文提出了一種外部貼片式的兆聲電鑄槽結構。采用基頻為兆赫茲的厚度伸縮振動壓電陶瓷作為兆聲發聲元件，使用專用膠著劑將壓電陶瓷片粘貼于槽體外部，兆聲由壓電陶瓷發出并透過槽體的傳聲結構層作用于槽內電鑄液，在鑄液中形成兆聲擾動，達到兆聲調控微電鑄電沉積過程的目的。壓電陶瓷作為聲源器件，當為其通入兆聲頻交流激勵信號時，壓電陶瓷工作在電諧振狀態并產生兆聲振動，向電鑄槽內輻射兆聲波促進電化學反應。貼片式兆聲槽原理見圖1。為了滿足兆聲槽耐腐蝕性能的要求，選擇了厚度為3mm的高純石英作為兆聲槽的槽壁，分別在粘貼諧振頻率為1MHz的壓電陶瓷前后，測量了壓電陶瓷端的聲源阻抗譜，掃頻區間為0.8~1.2MHz，粘貼石英前與粘貼石英后其阻抗譜如圖2所示。圖2中紅色豎直線對應X軸為諧振頻率，紅色豎直線與藍線交點對應的Y軸坐標值為聲源的最小阻抗值，對比可知，粘貼后聲源最小阻抗稍有提高，諧頻略有下降，聲源性能基本不受影響。由于兆聲波具有很好的直線性，聲波能量過度集中在聲源對應的區域內，單側聲源兆聲槽內的聲輻射能量將變的極不均勻。為了能夠均勻地控制兆聲波在電鑄液中的能量分布，兆聲聲源系統采用了多組陶瓷陣列布置的形式，如圖3所示，在石英電鑄槽的兩側分別布置4組壓電陶瓷片，8組陶瓷并聯控制，通過時間繼電器控制兩個方向的壓電陶瓷依次振動，達到兆聲能量在鑄槽內均勻分布的目的。

兆聲波精密微電鑄設備研發

在確定兆聲貼片形式及鑄槽材料結構的基礎上，對精密電鑄機的其他部分進行了詳細設計，包括：極板攪拌、鑄液循環、水浴加熱、設備鈑金外殼等部分。整合各個功能模塊，進行詳細設計制作并裝配，開發出了ME1000型兆聲微電鑄設備。兆聲精密電鑄機如圖4所示，其中兆聲頻率為1MHz，連續可調功率范圍0~200W。

兆聲波對電鑄層均勻性及

表面形貌的影響陰極上金屬鑄層厚度分布的均勻性是鑄層性能的一個重要評價指標，直接關系到電鑄層的后處理進程以及后處理效果。利用上述開發的兆聲設備，以銅基底上鎳的電沉積過程為研究對象，開展了不同兆聲波作用形式對鑄層均勻性影響的研究，對比了雙側兆聲輻照與單側兆聲輻照以及無兆聲作用下的鑄層厚度均勻性，不同形式的兆聲作用如圖5所示。試驗中使用的電鑄液為氨基磺酸鎳電鑄液，電鑄區域面積為16mm×12mm，兆聲電鑄工藝參數見表1。圖6為鑄層厚度分布測試結果。由圖6可見，單側兆聲輻照使鑄層出現了近兆聲源側厚度低，遠兆聲源側厚度高的偏向推積現象，鑄層厚度分布很不均勻。在16mm×12mm的電鑄區域內，厚度均值為15.80μm，厚度均方差值為4.09μm，平面度PV值15.36μm，甚至不及無兆聲作用的情況，無兆聲作用鑄層厚度均值16.37μm，厚度均方差為3.88μm，PV值為15.03μm。聲源改為雙側兆聲輻照的形式后，很好地克服了單側兆聲作用下電鑄層的偏向推積現象，鑄層厚度均勻性也得到了相應改善。雙側交替兆聲輻照下獲得的電鑄層厚度值為16.13μm，厚度均方差為3.04μm，PV值為10.91μm。雙側交替振動勻化了兆聲在鑄槽內的能量分布，使得電鑄層更加均勻。鑄層的表面形貌是體現鑄層質量的又一重要性能指標。本文利用掃描電子顯微鏡對3種兆聲作用形式下的鑄層表面形貌進行觀察，如圖7所示。無兆聲作用的電鑄層表面可見若干麻點缺陷，如圖7（a）所示；相較于無兆聲作用的電鑄層，單側兆聲作用的鑄層表面形貌反而更差，且存在兆聲導致的褶皺條紋及小而密的針孔麻點缺陷，如圖7（b）所示；雙側兆聲交替作用可以消除褶皺以及麻點等缺陷，使鑄層細致，表面形貌更佳，如圖7（c）所示。由于兆聲槽是一個類似房間的立方體，由簡正聲波相關理論[10]可知，在穩態聲波輻射作用下，鑄槽內將產生駐波聲場，單側兆聲作用下，鑄槽內形成了穩態聲場，如圖8（a）所示。在陰極板上剛剛沉積的鎳鑄層依舊比較質軟，在逐漸沉積的過程中，鑄槽內的駐波擾動逐漸復現在軟質的鑄層上，形成駐波圖案，并且，在駐波波腹區域內的兆聲波穩態空化作用累積了大量氣泡，氣泡在駐波內穩態振蕩不能排除，隨著沉積過程的進行，形成了隨駐波條紋復現的規律性麻點缺陷，如圖7（b）所示。此外，在單側兆聲作用下，單向的聲輻射力使軟質鑄層被推積，鑄層出現了向一個方向積累的“偏向推積”現象，即圖6（b）中出現的情況。雙向交替兆聲作用時，交替作用周期為0.1s，鑄槽內的聲波傳播如圖8（b）所示，一個方向的聲波在鑄槽內形成的穩態振蕩被接踵而至的另一方向的聲波破壞，在原來駐波區域內穩態振蕩的氣泡被摧毀并脫離鑄層表面。兆聲波不斷地雙向交替振動，電鑄層在沉積過程避免了由于駐波效應導致的缺陷，獲得了較好的鑄層表面形貌，如圖7（c）所示。并且，液體中雙向交替的聲輻射力，將剛剛沉積的新鮮軟質鑄層不斷地向鑄層中間區域推積，由此，在雙向交替兆聲作用下，鑄層不均勻的馬鞍形形貌較之無兆聲作用也得到了一定程度的改善，如圖6（a）、（c）所示。可見，較之單側聲源輻照及無兆聲輻照，雙側聲源的電鑄槽槽體結構在電沉積工藝中具有更大的優勢。結論（1）本文設計了一種雙向貼片式兆聲槽，槽體選用石英材質，粘貼壓電陶瓷后，對兆聲槽的聲學性能進行了測試。測試結果表明，此兆聲槽具有系統阻抗小、諧頻偏移少、輻射效率高的特點。（2）將兆聲槽與其他電鑄模塊組合，設計并制作了一種新型、集成化的兆聲波微電鑄設備。（3）研究了無兆聲作用、單側兆聲作用、雙側兆聲作用下的鑄層厚度均勻性與表面形貌。結果表明，雙側擾動勻化了兆聲的能量分布，獲得了厚度更加均勻，表面形貌更加優良的電鑄層。

參考文獻

[2]楊強,黃劍鋒.超聲化學法在納米材料制備中的應用及其進展[J].化工進展,2010,29(6):1091-1095.

[3]翟科,任奕,何勃.液固耦合傳遞兆聲振動復合化學機械拋光研究[J].納米技術與精密工程,2016,14(6):416-420.

[7]張勇強,盧長春.鍍金用微型超聲波發生器的研制和應用[J].機電元件,1994(2):15-17.

[10]謝愛云,黃雅婷,馮濤,等.高頻超聲清洗中聲場分布的仿真及實驗研究[J].河北科技大學學報,2014,35(4):324-329.

作者：杜立群 翟科 姬學超 魏壯壯 杜成權 劉旭強 單位：大連理工大學遼寧省微納米及系統重點實驗室