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摘要：介绍了微电铸的基本原理和特点，阐述了微电铸过程中镀层厚度形成不均匀等技术难点，最后总结微电铸工艺参数的现状和以后的发展趋势。关键词：微电铸MEMS工艺参数现状趋势0前言LIGA是德语X射线光刻（X-raylithographie）、电铸（galvanoformung）和模压（formtechnik）的缩写。该工艺包括把一层厚厚的X射线光刻胶（从几微米到几厘米）、高能X射线辐射曝光和显影，以形成各种想要三维的光刻胶结构。接下来通过精细电铸，将金属填充到光刻胶模具结构中，在去除光刻胶，即得到了想要的金属结构。该金属结构可以是最终的产品也可以是精密塑料模压的模具。经过模压好的塑料部件既可以作为最终的产品，又可以作为产品的牺牲模具。可见微电铸技术是LIGA工艺中非常重要的一个环节。对于金属电铸工艺可包括无电解电铸和电解电铸两种。无电解电铸就是靠化学方法连续淀积厚金属，而不加电压也没有消耗基片，它最重要的一点是采用充分的氧化反应代替点解电铸中的基片溶解。电解电铸是自我限制的，而无电解电铸不是自我限制的。对于无电解电铸镍来说，镍离子的减少是靠次磷酸盐的氧化反应来补充的。反应一直进行，直到溶液中的次磷酸盐耗尽为止。在电解电铸中，只要当整个基片表面覆盖了镍以后就会停止。大量的氢生成会破坏电铸金属膜的质量，因此必须避免。氢生成速度与电铸金属膜的速度没有直接关系，而主要取决于还原剂分子。在无电解电铸中，电铸可能是在容器壁上在某个时刻自发开始，因此需要稳定剂来稳定溶液。1微电铸原理的特点微电铸的要素包括阳极、阴极、电源、电解液以及待镀工件模具等，其中待镀工件模具作为阴极，电铸是一种特殊形式的电镀。希望沉积的金属离子包含在电解液中，当电解发生时，在阴极的工件模具表面会沉积金属离子，随着金属离子沉积在阴极，阳极金属会发生溶解反应补偿电解液中金属离子的减少。经过表面工艺处理的成型工件作为电铸模具，可以得到合适的镀件并能保证镀件和模具容易分离。电铸和电镀有很多形似之处，但作为工艺技术，两者有各自的特点。电镀是在物体表面沉积一层金属作为保护层和装饰，是对镀件的表面进行改性修饰的技术；而电铸要求电沉积的金属能最终能够形成独立的结构，按照一定的方式复制作为电镀起始的模版，是一种加工制造个体的工艺技术。两者的主要区别是：(1)通常电铸的镀层比电镀的镀层要厚，电镀的镀层厚度在1-50微米。(2)为了电铸中形成的物件与基体容易分离，电铸中镀层必须与基体之间的结合力很低。而作为电镀技术的目的是为了保护金属基体，要求镀层与金属基体结合得很好，避免脱落。(3)电铸镀层的组分、结构、应力等要进行严格控制，因为镀层的机械性能和尺寸控制精度在电铸工艺中非常重要。电铸件的自身性能与基体的性能是否相关无要求，但电镀的镀层性能要与基层金属相互补充。微电铸工艺是在微细加工模具的基础上形成的电铸成型技术，也可以看作掩膜电镀在高深宽比方向发展的结果，主要针对微小结构成型加工。1.1微电铸技术的技术难点镀件整体尺寸较小，镀件的平面被光刻胶分割成不同形状的区域，由于尺寸太小，容易引起电流分布严重不均的现象;微电铸件表面的高深宽比光刻胶结构，构成了参与电沉积反应物质传输的严重障碍。由于高深宽比微结构对溶液流动则屏蔽作用，搅拌所引起的对流难以达到电极反应反生的界面，使得电极反应界面上形成厚度大于无遮挡表面的稳定扩散层，特别是在微孔和细缝区域；微电铸工件所要填充的孔洞一般是盲孔，微电铸过程中析出的氢气需要设法排除。由于表面张力的存在，开口越小的微细孔越不容易被电解液填充，通常情况下可以添加表面活性剂来降低电镀液的表面张力。为了提高氢气排除的速率还可以辅助机械震动或超生搅拌等辅助措施。在微电铸工艺中，如何使得到的电铸层致密、均匀是人们关注的难题之一[3]。电铸液本身的性能和电铸规范是影响电铸层均匀性的主要因素，根据法拉第定律可知:铸层的均匀性主要表现为阴极表面上电流分布的均匀性。2微电铸工艺的现状华中科技大学的李冠男、黄成军等[2]指出微电铸工艺的主要问题有制作周期长、残留内应力大、形成的镀层厚度均匀性差等，为此他们探究了微电铸工艺的形成机理，提出影响微电铸工艺的主要影响因素有：1、电流的边缘效应和电流密度的分布不均影响电铸层的厚度分布。2、高深宽比的复杂形状零件中，槽侧壁会对槽底形成屏蔽作用，使孔径较小的深孔处无法电铸。他们进一步建立电流密度、电流效率等对电铸效率的影响公式，电铸层的内应力和电铸层机械性能的影响因素。最后得出提高极限电流密度，使沉积过程在较高过电位下进行就可以获得晶粒细小、致密的沉积层，从而可有效地提高模具的机械性能，延长其使用寿命。上海交通大学的李永海等进行微电铸的数值模拟和工作参数实验的优化工作，形成有重要价值的工作规范和指导意见，对微电铸技术在MEMS领域的推广使用和发展起到了推动作用。他们研究了待镀微区开口的大小对微电铸电流的分布和大小的影响进而影响镀层厚度是否均匀。还总结了微电铸镍的技术要素[1]。微电铸镍技术总结电铸液成分氨基磺酸盐体系或硫酸盐体系,包含一定量的氯化物作为阳极活化剂。控制目标镀层均匀性和内应力是最重要的控制目标。重要影响因素溶液温度升高溶液的温度可以提高电流密度的上限值，同时有利于电沉积的分散能力。PH值镀液的PH值高导致镀层的内应力增大，晶粒变得粗糙，但Ph值过于小会加大氢气的析出能力，使得镀层上产生微孔。阴极电流密度电流密度较小会使镀层速度较慢，影响镀层速率，但如果电流密度较大，会使电极附近缺少金属离子而形成疏松的镀层。溶液搅拌单一方向的流动搅拌会影响镀层的形状形成，使得结构不对称。长时间的超声波搅拌容易引起掩膜脱落。镀液循环滤芯的孔径一般为2um到5um即可满足要求，镀液的循环同时可以起到搅拌的作用镀液的电导率镀液电导率提高易于形成均匀的镀层，但一般不能通过添加导电盐的方式来提供电导率，因为主盐浓度一般取最大值，提高余地不大。江苏工业学院的王星星等[3]研究了几何因素对电铸层均匀性的影响，片内辅助电极能够解决微结构自身的不均匀性。汤俊等[4]通过研究发现:添加片内辅助极后,边缘电力线聚集密度明显减少,电力线被其相邻的辅助极分散,均匀性得到显著提高。此外,文献[4]研究了不同辅助极线宽对微结构单元厚度均匀性的影响。研究发现:一方面,片内辅助极与微结构单元距离越近,均匀性越好;另一方面,微结构的均匀性随着辅助极尺寸增大而提高。光刻胶的厚度对微结构的均匀性也有影响，通过有限元模拟得到了参数对微结构均匀性的影响规律。模拟结果显示，光刻胶的厚度越厚，微结构的均匀性越好。但是深宽比的增加会使微结构中传质变得困难，不能单纯增加光刻胶厚度来提高微电铸铸层的均匀性。Yen等[5-7]研究认为:负脉冲在一定程度上提高铸层高度的均匀性，可以降低较高表面的生长率。在正脉冲电流的条件下,铸层两端的高度较低;而负脉冲对突起部分的修饰溶解作用,使得中间部分的生长速率降低,从而减小了对流强度差异造成的高度差,提高了铸层的高度均匀性。李加东等研究发现:镀层的均匀性随电流密度的变化而改变。当电流密度为6mA/cm2,温度为25度时,可获得均匀性良好的镀层;当电流密度为1.03mA/cm2时,镀层呈马鞍型结构;当电流密度为5.15mA/cm2时,镀层表面平整,均匀性较好;而当电流密度增加到15.5mA/cm2时,镀层呈帽形结构。镀层厚度的不均匀性随电流密度的变化见图1.图1.镀层厚度不均匀性随电流密度的变化3发展趋势微电铸的一个发展趋势就是与高新技术相结合，谋求共同发展。微电铸工艺与快速成型技术的结合也极大地缩短了模具的制造周期，有着良好的经济效益和社会效益。它将微电铸与同步辐射X射线光刻胶等结合,体现了微电铸工艺在微机电制造方面的应用优势。微电铸工艺与数控加工技术的有机融合，形成选择性射流电铸技术，它通过工作台在三个方向的移动对阴极表面进行仿形，同时控制微电铸直流电源的通断，可以实现电铸表面指定位置的快速电铸。微电铸的另外一个发展趋势是混合电铸，将细小的固体颗粒采用共同沉积的方式渗入到微电铸溶液中，以提高电铸层的性能。例如可以在电铸液中添加超细碳化硅粉末，得到的沉积层的强度、耐磨性等显著提高。合金电铸如镍铁合金、镍钴合金、金锡合金等以优越的物理机械性能得到了广泛应用。还可以使用多层电铸技术，在沉积表面有选择性的依次沉积多层不同金属。厦门大学的吕文龙等通过不同的Watter镍电解液成分实验得到了一组性能较好的成分对比，结果表面，采用方波脉冲可以使电铸层均匀、内应力较小。脉冲电铸(PEP)技术是通过脉冲电流对Helmholtz平面和扩散层的影响来改善电铸效果,可以使电铸层厚度均匀。峰值电流密度很大,而脉冲宽度(即导通时Ton)很短,在Ton期间靠近阴极处金属离子急剧减少,与此同时，扩散层在长厚之前就被切断电源.在脉冲间歇时间里，阴极表面缺少的金属离子及时由主体溶液得到补充,扩散层厚度很大程度被减小,电解液中金属离子的浓度趋于一致.图2微机械隧道陀螺仪的结构图3.电铸镍结构层为了尽可能的增大铸件与阴极间的距离，可采用象形阳极，还可以通过采用辅助阴极等来提高镀层的均匀性，超临界微细电铸[8]，超声波复合电铸也是提高微电铸均匀性的研究重点和方向。河南理工大学的明平美,朱荻等[9]研究了在电铸液中施加超声波对电镀形状的影响，他们采用不同的声强搅拌进行实验，发现当声强为12～14W/cm2时,电铸出的镍微器件积瘤、针孔等缺陷少,塌角、圆边现象明显减少,表面平整。微细电铸时,电解液施加适量大小声强的超声搅拌,能显著改善微细电铸器件形貌质量,提高金属充填能力。参考文献[1]李永海,丁桂甫,毛海平,张永华.LIGA/准LIGA技术微电铸工艺研究进展[J].电子工艺技术，2005,1.LIYonghai,DINGGuifu,MAOHaiping.TheDevelopmentofMicroelectroformingProcessofLIGA/Quasi-LIGATechnology[J].ElectronicsProcessTechnology,2005,1[2]李冠男,黄成军,罗磊,郭旻,于中尧,于军.微电铸技术及其工艺优化进展研究[J].微细加工技术，2006，12.LIGuannan,HUANGChengjun,LUOLei.TheStudyofMicroelectroformingProcess[J].MicrofabricationTechnology,2005.1[3]王星星,雷卫宁,姜博.微电铸层均匀性的影响研究[J].Electroplating&PollutionControl,2010,7.WANGXingxing,LEIWeiing,JIANGBO,AStudyoftheImpactontheUniformityofMicro-electroformingDeposits[J].Electroplating&PollutionControl,2010,7.[4]汤俊,汪红,刘瑞,等.MEMS微结构电沉积层均匀性的有限元模拟[J].微细加工技术,2008(5):45-49.TANGJun,WANGHong.TheStudyofMicroelectroformingProcess[J].MicrofabricationTechnology,2005.1[5]刘海军,杜立群,秦江,等.无背板生长工艺微电铸均匀性的实验研究[J].传感技术学报,2006,19(5):1481-1483.LIUHaijun,DULiqun.TheDevelopmentofMicroelectroformingProcessofLIGA/Quasi-LIGATechnology[J].ElectronicsProcessTechnology,2006,19(5):1481-1483.[6]杜立群,刘海军,秦江,等.微电铸器件铸层均匀性的研究[J].光学精密工程,2007,15(1):6975.[7]YenYM,TuGC,FuMN.Simulationanalysisandexperimenta