微細電解加工

隨着現代科學技術的發展 ,產品功能集成化 、結構小型化的要求越來越顯重要 , 越來越多的微細結構出現在工業應用中 , 微細加工的研究得到了廣泛的重視 。近幾年來 ,由於許多其他領域新技術新工藝的引入以及對電解加工過程機理的更深入研究 ,電解加工一改原來加工精度不高的特點 , 被應用於高精度微細結構的加工中 , 在微細電解技術方面的研究迅速發展起來 ^[1]  。

電解加工是利用金屬在電解液中發生電化學陽極溶解的原理對材料進行腐蝕成形的加工方法 。從加工機理上看 , 工件陽極上的金屬原子在加工中不斷地失去電子成為離子而從工件上溶解 , 其材料的減少過程以離子的形式進行 , 這種微離子去除方式使電解加工具有微細加工能力 。又因為電解加工過程中工具電極和工件不接觸 ,具有加工材料範圍廣泛 ,不受材料強度 、硬度 、韌性的影響 ,工件表面無加工應力 、無變形以及熱影響區 、無工具電極損耗 、加工表面質量好等一系列獨特的優點, 微細電解加工技術是當前電化學加工領域中最活躍也是最熱點的研究方向。近幾年來 ,微細電解加工技術延續了 20 世紀 90 年代以來的良好發展勢頭 , 工藝技術水平和設備性能均得到了穩步發展 , 應用領域進一步擴展 。下面簡要對幾種典型微細電解加工技術進行介紹和討論 ^[1]  。

掩膜微細電解加工是結合了掩膜光刻技術的電解加工方法 。它是在工件的表面( 單面或雙面) 塗敷一層光刻膠 ,經過光刻顯影后 ,工件上形成具有一定圖案的裸露表面 , 然後通過束流電解加工或浸液電解加工 ,選擇性地溶解未被光刻膠保護的裸露部分 ,最終加工出所需形狀工件。由於金屬溶解是各向同性的 ,金屬在徑向溶解的同時也橫向被溶解 , 因此研究如何控制溶解形狀 、儘量減少橫向溶解等對保證掩膜微細電解的加工精度非常重要。為了提高加工速度和加工精度, 可在工件兩面都覆蓋一層圖案完全相同的掩膜 , 從兩邊相向同時進行溶解 ^[1]  。

電液流微細加工是在金屬管電極加工小孔的基礎上發展起來的一種微細電解加工方法, 主要用於加工航空工業中的各種小孔結構。電液流加工時,採用呈收斂形狀的絕緣玻璃管噴嘴抑制電化學反應的雜散腐蝕 ,高壓電解液由玻璃管中的高壓金屬絲極化後,高速射向工件待加工部位 ,利用高電壓電場進行金屬的電化學去除加工。玻璃管電極是電射流加工的主要工具。玻璃管的直徑大小決定了電射流加工的尺度, 通常加工孔徑為 0 . 13 ～ 1 . 30 mm 。據國外報道, 可加工最小孔徑為 0 . 025 mm , 加 工 精 度 為 孔 徑 的 ±5 %或 ±0 . 025 mm。電射流加工技術非常適合加工航空發動機高温渦輪葉片的深小孔 、孔軸線與表面夾角很小的斜孔和羣孔等。電液流加工方法不存在切削力 ,因此可對薄壁零件進行切割。由於玻璃管陰極的製造工藝限制了陰極直徑尺寸不可能任意縮小,從而大大限制了電液束加工的能力。採用陰極不進給的方式,加工孔徑不受電極直徑尺寸的限制, 故可加工出直徑小於 0 . 1 mm 的微孔, 但加工深度很有限 。而採用陰極進給方式 ,加工孔徑至少要大於陰極管的外徑。目前的研究水平表明, 對於直徑為 0 . 2mm以上的微孔,採用陰極進給方式加工 , 可加工出深徑比為 100∶ 1 的深小孔 ^[1]  。

EFAB( Electrochemical Fabrication)製作技術是由美國南加州大學信息研究所的 Adam Coben 等人於1999 年提出的。它是基於 SFF( Solid Freeform Fabrication) 的分層製造原理 , 用一系列實時的掩模板選擇性電沉積金屬將微結構層層堆積起來 , 這些實時的掩模板是通過將光刻膠塗於金屬襯底上 ,經光刻顯影后形成的 。在電沉積時 ,掩模板的襯底作為電鑄陽極, 這與 LIGA 和準 LIGA 技術中的掩模電鑄是完全不同的[ 12] 。利用 EFAB 製作三維金屬微結構需循環進行選擇性電沉積、平鋪電沉積和平坦化 3個步驟以及最後的選擇性刻蝕, 選擇性電沉積和平鋪電沉積的金屬, 既可是結構金屬也可是犧牲層金屬 ,它克服了 LIGA 和準 LIGA 只能加工簡單平面三維的缺點,能加工真正的三維圖形,因而具有很好發展前景。但 EFAB 也存在着加工過程非常複雜、步驟繁多的問題,這使製造費用極其昂貴。 ^[1] 

約束刻蝕劑層技術( Confined Etchant Layer Technique, 簡稱 CELT) 是 1992 年由廈門大學的田昭武院士等人提出的。該技術將傳統的各向同性的濕法化學刻蝕變為具有距離敏感性的化學刻蝕 , 能在不同的材料( 半導體、金屬和絕緣材料) 上實現複雜三維微圖形的複製加工 ,已成功地在 Si 、Cu 、GaAs 等材料上加工出複雜三維立體結構。其加工的基本原理是 : 利用電化學或光化學反應在三維圖形的模板表面產生刻蝕劑,當刻蝕劑向溶液中擴散時 ,與溶液中的捕捉劑迅速發生反應 , 致使刻蝕劑幾乎無法從模板表面往溶液深處擴散 , 從而把刻蝕劑緊緊地約束在模板表面輪廓附近的很小區域內。當模板逐步靠近待加工材料的表面時 , 被約束的刻蝕劑就能和待加工基底的表面發生化學反應 , 從而加工出與模板互補的三維微圖形 ^[1]  。

雖然電解加工利用電化學溶解蝕除的方式加工 ,理論上可達到離子級的加工精度 ,在加工質量上又具有很多優點 ,但加工中在陽極工件表面不管是加工區還是非加工區只要有電流通過 , 都會發生電化學反應 ,造成雜散腐蝕 。因此 ,將其應用於微細加工領域 ,必須解決雜散腐蝕的問題 ,提高電化學反應的定域蝕除能力 。早期研究發現 ,脈衝電解可提高溶解的定域性和過程穩定性 , 但對脈衝寬度在溶解定域性上起多大作用及其起作用的具體機理並不清楚 。後來研究發現 ,脈衝電解中採用脈寬為毫秒級和微秒級的脈衝 ,可使電流效率-電流密度曲線的斜率增大 ,加工過程的非線性效應增強 ,工件溶解的定域性得到提高 , 有利於提高加工精度 。隨着納秒脈衝電源的應用 ,微細電解加工得以向更細微化的方向發展 。德國 Fritz -Haber 研究所的 R . Schuster 、 V . Kirchner 等人採用脈衝寬度為納秒級的超短脈衝電流進行電化學微細加工新技術 , 成功地加工出了數微米尺寸的微細零件 , 加工精度可達幾百納米 ,充分發揮了脈衝電流微細電解加工的潛力 。該技術根據電化學測試技術 ,在電解加工系統中又增加了參比電極和輔助電極 ,用電化學恆電位儀嚴格監控工具和工件的電極電位( 將工具電位控制在被加工金屬的平衡電位 , 工件電位控制在高於工具電位 0 . 2 V) ; 通過對極間電流波形的高速採樣精密控制加工間隙至 1 μ m , 使用超短脈衝( 脈寬30 ns 、佔空比 1∶ 10) 小容量電源提供能量 , 實現了亞微米級精度的電化學加工 ^[1]  。

基於掃描探針顯微術的微細電解加工技術近年來受到廣泛關注 , 其中既有基於掃描電化學顯微鏡( SECM) 的 ,也有基於掃描隧道顯微鏡( STM )的 , 不過基本上都是處於實驗室研究階段 。該方法的特點是加工尺度可達微米級以下 ,顯示出微細電解加工技術在微/納加工領域的潛能 。加工中的陰極通常採用電化學腐蝕得到的探針電極 , 探針的形狀和尺寸對加工的分辨率和加工質量有很大影響 ,探針針尖尺寸可小至納米級 。日本研究人員採用 STM 進行電解腐蝕 , 加工出深 100 nm 、寬 200 ～ 300 nm 的微槽。也有人嘗試採用激光與 STM 聯用進行電解微/納米材料加工的新方法 。考慮到採用 STM 進行微細電解加工對設備和加工條件要求苛刻 ,有人提出相對簡單的基於掃描離子電導顯微術的電解微細加工方法 : 採用內部充滿電解液的微滴管作為微探針 ,微滴管的尖端口徑從 0 . 1 μ m 到數十微米不等 ,在微滴管內設置一金屬電極構成陰極 , 通過反饋控制電路保持微滴管與陽極表面的間距恆定,移動微滴管以不同路徑橫向掃描陽極 , 即可在陽極表面加工出任意形狀的點 、線 、面結構 ^[1]  。

隨着對微細電解加工機理研究的深入 , 結合微細電解加工的特點 , 綜合運用現代控制技術理論 、控制檢測設備以及高效精確的電源設備 , 使電解加工在微細領域的加工能力進一步提高 ,加工效率 、加工質量以及加工穩定性得到全面提升 ,主要的研究成果和進展如下 ^[1]  。

基於納秒級脈衝和高頻羣脈衝電源的微細電解加工試驗研究：基於高頻窄脈衝的微細電解試驗國外起步較早 , 取得了一定的成果 。而國內起步較晚 , 近幾年來 ,國內一些科研院校和機構也對納秒脈衝電源 、高頻窄脈衝電源和高頻羣脈衝電源的微細電解加工技術進行了深入研究 ,包括加工機理 、試驗分析 、加工定域性分析等方面, 併成功地加工出一些微細結構 ^[1]  。

超純水微細電解加工試驗研究：超純水電解加工是在常規電解加工原理的基礎上 ,利用超純水作電解液 ,並採用強酸性陽離子交換膜來提高超純水中 OH-離子濃度 ,使電流密度達到足夠去除材料的一種新型電解加工工藝方法 。日本學者率先提出以超純水代替常規電解液 , 實現綠色 、微細電解加工的思想 。國內學者近年來也開展了超純水電解加工機理、超純水小孔電解加工、超純水電化學掃描直寫加工 、超聲輔助純水微細電解加工等研究 , 為超純水電解加工的應用奠定了基礎 ^[1]  。

微細電解複合加工技術試驗研究：複合電解加工是指那些基於電化學陽極溶解與其他加工作用( 如機械研磨 、電火花加工 、超聲加工 、磁力研磨) 相複合的加工方法 。由於兩種或者多種加工作用的複合 , 則加工作用相互促進 ,取長補短 ,增強了加工能力 、擴大了加工範圍 ,可全面實現高質量 、高效率 、低成本的要求 。而最近幾年在微細製造和加工方面 , 有關微細電解複合加工方面的研究越來越多 , 有效地提升了加工的效率和精度 。目前主要集中在電解與超聲複合 、電解與電火花複合 、電解與線切割複合等加工工藝研究上 。其中試驗研究證明 ,微細複合電解加工技術在對某些特殊材料( 如硬質合金) 的加工方面具有比單一超聲加工 、單一電解加工工藝更強的技術優勢 , 能獲得較好的加工精度 、表面質量和生產效率。利用微細電火花和微細電化學組合加工工藝對加工微細陣列軸孔的分析和研究 ,在加工過程中通過適度間歇抬刀 、超聲振動 、循環流動工作液等方法 ,較好地解決了微弧放電 、排屑 、加工區温度過高等加工難題 , 獲得了質量較好的 、大小在 30 ～ 100 μ m 的陣列孔 , 從而實現了微細陣列軸孔的電火花 、電化學組合加工 ,為大規模微細陣列軸孔的加工開闢了高效 、可行的新工藝方法。國內研究機構對微細電解線切割加工工藝的基礎研究 ,也取得了較好的效果 ^[1]  。

結合工業實際對微細部件的電解加工試驗研究：隨着航空 、汽車 、生物醫療等工業的發展 , 一些微細部件如微坑 、微細網孔等被廣泛應用 。近幾年來 ,結合工業方面的需求 ,院校和科研機構也加大這方面的研究力度 ,不再一味地追求微細電解加工的極限能力 , 而是有側重地結合實際需要 , 如何更有效 、更經濟 、更穩定地加工出微細部件 。主要集中在蜂窩狀微坑 、微細槽 、微細軸 、微細羣孔和具有一定結構的微器件上 ,並取得了一定的成果 ^[1]  。

關於微細電解加工的基礎理論試驗研究：為了提高微細電解加工的精度 、效率及改善加工過程的穩定性 ,國內外研究機構進行了大量基礎理論研究 : 使用絕緣掩模屏蔽保護工件上不需加工的部位 ,以製作高精度的陣列型孔或複雜圖形;電極側壁形成絕緣層來降低雜散腐蝕 , 減小側壁錐度和孔徑 , 提高加工的尺寸精度 ; 利用高頻窄脈衝或超短脈衝提高微細電解加工的定域性 , 進行微米/亞微米精度的加工; 利用工具電極高速旋轉增強電解液攪拌 , 提高加工穩定性和效率; 使工件作微量偏心搖動以勻化電解液液流 , 增強加工穩定性 、提高加工精度等; 利用工具電極間隙回退和週期性跳躍來移除電解產物 , 增強電解液更新的方法 , 提高加工穩定性 、效率以及加工精度分析電解產物對微細電解加工的影響等 ^[1]  。

有關微細電解加工的其他研究進展：結合微細電解加工發展的方向 , 一些科研機構逐步開發自己的微細電解加工系統 : 哈爾濱工業大學開發了多功能三維微細電解加工系統 ,南京航空航天大學研製了電化學微細加工監控系統和陰極週期往復運動的微細電解加工系統; 加大了電解加工間隙的檢測和監控方法研究力度 : 利用循環迭代間隙控制方案 ,快速調整工具進給速度 ,使之近似等於工件去除速度 , 從而精確地維持恆定的小間隙 , 並利用虛擬儀器技術構建電解加工控制系統; 利用加工電流和流體作用在陰極上的六維力為研究參數 ,用最小二乘多變元線性擬合法建立適當的關係方程式 , 在 15 %的誤差範圍內可用於在線檢測加工間隙; 特別是針對高頻窄脈衝電化學加工 ,對加工間隙進行建模分析 ,提出間隙平均電流檢測法 ,從而精確地維持恆定的小間隙 ^[1]  。

綜合分析了微細電解加工的發展現狀 , 可看到電解加工在微細領域的加工能力呈加速發展趨勢 。未來一段時間內 , ^[1]  微細電解加工的研究重點和發展趨勢主要會集中在以下幾個方面 :( 1) 進一步完善硬件系統 ,如微進給系統和微控制工作台的性能和可靠性的提升 , 加工過程自動檢測與適應控制研發的深化 。( 2) 加大微細電解加工機理的研究 , 尤其是在中 、高頻脈衝電流條件下 ,微細加工電化學反應系統動力學等方面的研究 。( 3) 重點加強微細電解在加工三維形狀能力上的研究 ,使其微細加工能力更加廣泛和具有競爭力 。( 4) 脈衝電源的深化研發 ,微秒級脈衝電源的工程化完善以及推廣應用 ,納秒級脈衝電源 、羣脈衝電源的性能完善 。( 5) 微細電極的研發製備 。加強對微小電極製備工藝的研究 ,特別是具有一定形狀的微細電極製備研究 。( 6) 新型電解液的試驗研究 。針對綠色製造 ,加大對新型無污染電解液的研發力度 。( 7) 理論成果向實際應用的轉化 。目前大部分的微細電解理論試驗成果 ,還沒有轉化為實際的應用 , 應儘快由實驗室向工業應用轉移 ,使之真正成為生產力 ^[1]  。