基于“回”型陰極屏蔽板的平面電鑄件厚度分布均勻性研究

李慧娟，明平美，周濤，趙云龍，秦歌（.河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作454003；.昆山美微電子科技有限公司，江蘇昆山5334）

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基于“回”型陰極屏蔽板的平面電鑄件厚度分布均勻性研究

李慧娟1，明平美1，周濤2，趙云龍1，秦歌1
（1.河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作454003；2.昆山美微電子科技有限公司，江蘇昆山215334）

摘要：為進一步提高大面積平面電鑄件厚度分布的均勻性，提出一種改進型電鑄工藝——陰極加設“回”字型屏蔽板并做周向等幅平面運動，并對此進行了數值分析與實驗研究。研究結果表明：“回”字型屏蔽板結構參數與位置參數對陰極電流密度分布有很大影響，采用改進型電鑄工藝能顯著改善電鑄層厚度的分布特性，基于新工藝制備約為100 μm厚的電鑄層（大小70 mm× 70 mm）的厚度差小于8%.

關鍵詞：機械制造工藝與設備；電鑄；厚度分布均勻性；陰極屏蔽板；陰極周向平動

0　引言

基于電沉積原理的電鑄技術是一種典型的低溫特種加工技術，因具有能精確復制細微特征、微組織結構與性能易控、不受工件空間尺寸和形狀限制等優點，而特別適合于薄壁類零件、復雜型面體與微細結構特征體的制造［1-2］，如液體火箭發動機推力室、破甲彈藥型罩、波紋管、模具、精細濾網等，是解決航空航天、武器裝備、微電子、精密機械等領域復雜關鍵金屬零部件加工的重要支撐工藝之一。近幾年，隨著高分辨率/高精度/高密度大面積平面顯示屏、光伏、觸摸屏、印制線路板、集成電路（IC）封裝等技術的快速發展，用于印制導電微結構體（如觸點、導線等）的電鑄平面印刷模板（俗稱“鋼板”）的需求量急劇增加。而電鑄制造這類面積大（有的超過1 000 mm× 1 000 mm）且宏微結構結合的平面薄件，不僅要求各微細結構特征幾何形狀精度高，而且需要整個制件的厚度差小于10%，這就要求電鑄層有很高的厚度分布均勻性。根據電化學沉積理論［3］，電鑄層厚度分布主要取決于陰極電流分布和電流效率。陰極電流分布有1次電流分布、2次電流分布和3次電流分布。其中，1次電流分布主要取決于電鑄槽和陰陽極的幾何形狀、大小及陰陽極間的幾何關系等，2次電流分布主要依賴于電極過程的極化特性，3次電流分布與電解液的組分、濃度、傳質特性和添加劑等有關。電流效率大小主要受電流密度大小、電流波形、工藝溫度、傳質狀況、金屬離子和添加劑濃度等眾多因素的影響。而不同類型的電流分布特性之間相互關聯，且它們又與電流效率互為影響。因此，影響電鑄層厚度分布的因素繁雜且難于協同控制，使得高厚度分布均勻性電鑄件的獲得仍是困擾該領域產學界的技術難題之一。

對于特定的工程應用，電解液組分及其濃度、添加劑、工藝溫度、電鑄槽空間幾何形狀等，或者是選定的，或者是改變或改善的空間有限。為此，學界與業界主要致力于通過優化陰極一次電流和（或）傳質系數分布來提高電鑄件厚度分布的均一性。針對一次電流分布的改善，已研究出如下措施與方法：優化陽極的幾何形狀［4-6］和陰陽極間的配置關系［7-8］、輔以電流屏蔽物［9-12］、增設輔助電極（輔助陰極［13-14］和輔助陽極［15-16］）等。 為盡可能實現電極過程傳質效率或系數的均勻化分布，研究者主要圍繞對流、擴散與電遷移3種傳質模式來探索解決方法。典型的措施有：往返移動或旋轉陰極［17-19］、優化空氣攪拌布局［20-21］、多點噴射給液［22-23］或疊加不同能量場如磁場［24］、超聲場［25］和壓力場［26］等。實際上，工程界往往是綜合考慮電流與傳質系數的分布問題，以實現它們的協同優化。代表性的例子是IBM公司［27-28］開發出含有往復攪拌槳的系列電沉積槽。

上述措施和方法主要是面向整個電沉積件全局厚度分布均勻性的提高而提出的。為盡量減小各微細電鑄特征體自身的厚度或高度差，文獻［29-30］報道了一些獨特的工藝措施。

結合上述研究成果及工程實際，并考慮到大面積平面電鑄件的形狀多樣性特點，提出了一種改進的平面件電鑄工藝：陰極附設有“回”字型陰極屏蔽并做周向平移運動，以期為進一步提高寬幅平面電鑄層厚度分布的均勻性提供一種新的工藝方案。

1　仿真分析

1.1陰極面電場分布特性分析

圖1所示為陰極面電流密度的不同分布特征示意圖。無陰極屏蔽板時，如圖1（a）所示，由于存在不可避免的邊緣效應和尖端放電現象，陰極面四周區域的電流密度往往比中間區域的要大得多，導致其上的電鑄層一般呈現中間低邊緣高的“盆形”特征。在陰陽極間施加了屏蔽板后，如圖1（b）所示，一般都能顯著減小陰極面周邊的電流集中程度并一定程度上提高電鑄層的厚度分布均勻性，但很難獲得如圖1（c）所示的理想效果。這是因為，通常采用僅含中心孔的陰極屏蔽板很難實現電流密度在陰極面上的均一分布。比如，在陰陽極間距離t一定時，縮小陰極與屏蔽板間距離h或（和）中心開孔尺寸d，或（和）增大屏蔽板尺寸a，往往導致鑄層呈現中間厚邊緣薄的“帽形”分布；反之，如增大h或（和）d，鑄層厚度的“盆形”分布特征更突出。即使協同來調整上述參數，一般也只能得到 “W形”分布的電鑄層。為此，為獲得較理想的效果，陰極屏蔽板的幾何結構有待改進設計。

對此，設計了一種“回”字型開口的屏蔽板，該屏蔽板相對于僅中心開孔的屏蔽板又增設了一個環形開孔，因環形開孔處允許一部分電力線通過，減輕了電力線在陰極邊緣或中間區域集中的現象，在一定程度上改善了電鑄層厚度呈“盆形”或“W形”的分布特征。設陰陽極間距為t，“回”字型開口屏蔽板邊長為a、中心孔邊長為d、環形孔寬度為b、環形隔離帶寬度為c、屏蔽板與陰極間距為h，其結構參數和位置參數及施加“回”字型開孔的屏蔽板時陰極面電力線分布如圖1（d）所示。

圖1　不同情況下陰極面上的電力線分布Fig.1 Current density distribution on cathode surface under different conditions

1.2模型建立與仿真分析

為使陰極面各處能獲得相對均勻的流速和接收電流的幾率盡可能相等，提出一種周向等幅平面移動的陰極運動模式。這種運動模式明顯有別于目前常用的單純陰極水平或豎直移動模式。“回”字型開口屏蔽板與陰極面形狀相似，為最大程度的發揮屏蔽板的作用，改善陰極面電流均勻分布情況，一般使陰極與屏蔽板保持相對靜止狀態，故把“回”字型開口屏蔽板平行正對固定連接于陰極上（如圖2（a）所示），使之與陰極一起作等幅的周向平面運動。陰極周向等幅平面運動的振幅 r為30 mm，轉速為60 r/min，陰極運動軌跡如圖2（b）所示。

圖2　“回”字型開口的屏蔽板布局及運動軌跡Fig.2 Layout and movement trajectory of hollow square shielding plate

假設電鑄在全部充滿電鑄液的三維矩形槽（180 mm×150 mm×170 mm）中進行，陽極材料為電解鎳板，陰極基底為316不銹鋼薄片，屏蔽板材質為聚乙烯。大小為150 mm×150 mm×10 mm的陽極與陰極（70 mm×70 mm×1 mm）平行正對放置，兩電極間距離固定為 50 mm，屏蔽板外形尺寸為90 mm×90 mm×1 mm.工作時，陰極—屏蔽板組合體運動軌跡的中心與整個電鑄槽的中心重合。仿真時依托的電鑄液組分和施加的工藝條件參數如表1所示，并假設整個電鑄液的電導率、濃度、溫度、流速恒定且分布均勻，陽極上加載的恒壓為1 V.用多物理場Comsol 5.0軟件中的電化學模塊進行數值分析。為便于仿真分析，把陰極的動態運動過程簡化為若干個離散靜態過程的疊加：取陰極運動過程中的4個極限位置1、2、3、4（如圖2（b）所示）視為陰極運動一周，陰極表面用A、B、C、D 4條代表線表征，計算出每條線在上述4個極限位置上的電流密度之和，作為陰極面運動一周的電流密度。

表1　仿真與實驗所用電鑄液組成及工藝條件Tab.1 Electroforming solution composition and process conditions for simulation and experiment

圖3為不同陰極屏蔽板結構形狀時仿真分析得到的陰極面代表位置線A上的電流密度分布情況。無屏蔽板時，陰極面邊緣區域的電流密度明顯高于中心區域（超過6倍），整個陰極面電流密度呈“盆形”分布。附加僅中心開孔的屏蔽板后，陰極面邊緣電流密度有所降低，中心區域電流密度有所提高，但接近邊緣區域的電流密度也有所降低，整個陰極面上電流密度呈“W形”分布。而加設“回”字型屏蔽板時，不但陰極面邊緣區域電流密度降低，而且接近邊緣的低電流密度區域消失，陰極面大部分區域（占71%）的電流密度分布相對均勻。由此可知，“回”字型屏蔽板能很好地改善大面積陰極面的電流密度分布。但若要獲得均勻性更好的電鑄層，尚需改進“回”字型屏蔽板的結構尺寸。

圖3 3種情況下陰極面上的電流密度分布Fig.3 Distribution of current densities on cathode surface under three conditions

圖4是在屏蔽板環形隔離帶寬度和陰極-屏蔽板間距恒定時不同結構尺寸“回”字型屏蔽板對陰極電流密度分布的影響。由圖可知，當環形孔尺寸變窄時（b由12 mm到8 mm），環形開孔處正對的陰極面處電流密度由小于中心區域值變為大于中心區域值；當中心孔尺寸由小增大時（d由45 mm到55 mm），中心孔正對的陰極面處電流密度由大于中心區域值變為小于中心區域值。當b=10 mm，c= 5 mm且d=50 mm時，陰極面上電流密度的均勻區域達85%.由此可知，通過優選“回”字型屏蔽板的結構尺寸可獲得均勻性更好的陰極電流密度分布。按照上述分析方法，也得出了陰極—屏蔽板間距h對陰極電流密度分布特征的影響。

圖4 采用3種不同結構參數的“回”字型開口的屏蔽板時陰極面上的電流密度分布Fig.4 Distribution of current densities on cathode surface for three different types of hollow square shielding plates

圖5是陰極與屏蔽板不同間距時得到的陰極面電流密度分布圖。為了描述整個陰極面上電流密度分布情況，這里引用參數η［12］來表征：

式中：Je是陰極邊緣電流密度；Jm是陰極中心電流密度。η越大，電流密度分布均勻性越好。由圖5可知，當h為5 mm時，約為85%；當h增大為10 mm時，達到98%，陰極表面電流密度分布非常均勻；而當h增大到15 mm時，為80%，陰極面電流密度分布均勻性有所降低。究其原因，當“回”字型屏蔽板自身結構參數一定時，屏蔽板與陰極的間距有一個最佳值。當屏蔽板與陰極的間距較近時（5 mm），屏蔽板對陰極面邊緣區域的電力線過量屏蔽，而對陰極面中心區域電力線屏蔽較弱，導致整個陰極面電流密度分布不均；當屏蔽板與陰極的間距較遠時（15 mm），屏蔽板對陰極面邊緣區域的電力線屏蔽效果大大減弱，幾乎失去了屏蔽板的效果，導致陰極面電流密度均勻性較差；當h為10 mm時，很好的發揮了“回”字型結構屏蔽板的屏蔽效果，電力線在整個陰極面上的分布非常均勻。

圖5　不同屏蔽板-陰極間距時陰極電流密度的分布情況Fig.5 Distribution of current densities on cathode surface for different intervals of cathode and hollow square shielding plate

綜上所述，采用改進的“回”字型屏蔽板結構（a=90 mm，b=10 mm，c=5 mm，d=50 mm）和位置參數（陰極與屏蔽板間距h=10 mm）時，理論上電流密度分布均勻率可達到98%.

2　實驗

實驗采用的電鑄參數與仿真相同（如表1所示），電鑄實驗裝置如圖6所示。與η相對應，這里定義φ以表征電鑄層厚度分布均勻性：

式中：he是電鑄層邊緣厚度；hm是電鑄層中心厚度。電鑄鎳層厚度測量采用的是臺灣三豐集團有限公司生產的電子數顯千分尺（最小分辨力0.001 mm），每個電鑄層分別測試57個點（各點的布局和位置如圖7所示）處的厚度作為電鑄層厚度分布，每個點測試3次求平均值。

圖6　實驗裝置系統Fig.6 Experimental facilities

圖7　電鑄層厚度測試點的布局及位置分布Fig.7 Distribution and location of 57 testing points on the electroformed layer

如圖8所示：當電鑄2 h時，電鑄鎳層中心區域與邊緣區域厚度在52～55 μm之間，厚度差3 μm，高達94.4%；當電鑄4 h時，電鑄鎳層中心區域與邊緣區域厚度在94～101 μm之間，厚度差7 μm，為92.8%.這些結果進一步證實：基于改進結構參數和位置參數的“回”型陰極屏蔽板和周向等幅平面移動陰極運動模式的電鑄工藝，能獲得分布均勻性較好的平面電鑄層。實驗結果和仿真結果存在一些差距。這是因為仿真時僅考慮一次電流分布，沒有考慮電流效率，且假設電解質組分與溫度各處恒定，這與實際工藝有一定差異。需要指出的是，如電鑄加工更大面積的平面件，可能需采用“多環”型陰極屏蔽板才能達到預期效果。

圖8　電鑄不同時間后電鑄層厚度分布情況Fig.8 Thickness distribution of electroformed layer on the cathode after electroforming for different times

3　結論

為進一步提高平面電鑄件厚度分布的均勻性，提出了一種改進型電鑄工藝——陰極附設“回”字型陰極屏蔽并做周向平移運動，并對此進行了數值仿真分析與實驗研究。研究結果表明：

1）改進設計的“回”字型屏蔽板能大幅度提高平面電鑄件厚度分布的均勻性。

2）“回”字型屏蔽板結構參數與位置參數對陰極電場分布特征有很大影響。

3）基于改進的電鑄工藝能制備出均勻率大于92%的電鑄層（陰極大小70 mm×70 mm，電鑄層平均厚度約為100 μm）.

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中圖分類號：TQ153.4

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1093（2016）06-1075-07

DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2016.06.015

收稿日期：2016-02-15

基金項目：國家自然科學基金項目（51475149）；河南省高等院校科技創新團隊支持計劃項目（15IRTSTHN013）

作者簡介：李慧娟（1989—），女，碩士研究生。E-mail：18236880290@163.com；明平美（1974—），男，教授，博士生導師。E-mail：mingpingmei@163.com

Research on Distribution Uniformity of Electroformed Metal Layer by Using Hollow Square Cathode-shielding Plate

LI Hui-juan1，MING Ping-mei1，ZHOU Tao2，ZHAO Yun-long1，QIN Ge1
（1.School of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，Henan，China；2.Kunshan Microform Electronic Tech Co.，Ltd，Kunshan 215334，Jiangsu，China）

Abstract：A modified electroforming approach is proposed to further improve the thickness uniformity of electroformed pieces with large areas.The proposed approach involves the addition of a hollow square cathode-shielding plate to the cathode which translates circumferentially.Some simulations and experiments were carried out to study the proposed method.The research results show that both geometrical feature parameters and placement positions of hollow square cathode-shielding plate have great effects on the cathode current density distribution.The thickness distribution of deposited metal can be significantly improved using the modified process in which thickness deviation of less than 8%is achieved for 100 μm thick deposit（70 mm×70 mm）.The proposed electroforming approach is expected to provide an upgraded alternative for preparing the considerably uniform large-area flat electroformed layers.

Key words：manufacturing technology and equipment；electroforming；thickness distribution uniformity；cathode shielding plate；cathode circumferential translation