微細電解加工技術發(fā)展現(xiàn)狀

□魏曾

青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061

1 研發(fā)背景

隨著現(xiàn)代工業(yè)不斷向精密化、微細化方向發(fā)展，在航空航天、兵器制造、醫(yī)療器械、微型機器人等眾多領域，產品要求日益小型化、微型化，傳統(tǒng)的加工技術已難以滿足要求。

電解加工技術以離子形式去除工件表面，電極與工件不直接接觸，不會產生切削力，對工件表面不會產生殘余應力和熱變形，因此引起了各國研究機構的廣泛關注。同時，電解加工技術也已成為現(xiàn)代工業(yè)生產中的一項關鍵技術。

電解加工技術基于陽極溶解的原理，使陰陽兩極發(fā)生氧化還原反應，陽極不斷被溶解，電解產物不斷被具有一定流速的電解液沖走。電解加工技術適用于用傳統(tǒng)加工方法難以加工的難切削材料、復雜型面、微細零件，以及高強度、高韌性、耐腐蝕、耐高溫的合金零件。正因為電解加工技術以離子形式去除材料，使得這一技術在微細制造領域有很大的發(fā)展前景。

目前，國內外對電解加工技術用于加工硅材料的研究比較系統(tǒng)、成熟，而非硅基材料則較少見。另一方面，還開發(fā)了許多其它電解加工技術，如微細電火花加工技術、脈沖電流電解加工技術、激光微細加工技術、離子束和電子束微細加工技術等。

筆者以幾微米至幾百微米的微細結構為基礎，對微細電解加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行研究，深入分析不同工藝參數(shù)對加工精度和穩(wěn)定性的影響，為微細電解加工技術的實用化提供參考。

2 電解加工技術的發(fā)展

Munda等［1］應用自制機床、響應曲面技術和微處理器來控制進給，使微細電解加工系統(tǒng)的加工間隙達到 10～15 μm。 近森邦夫［2］通過采用脈沖電源，選擇較低的加工電壓和電解液濃度，成功地將加工間隙控制在10 μm以內。飛利浦和IBM將微細電解應用到電子工業(yè)中，加工精度已經達到微米級。王建業(yè)［3］開展了高頻、窄脈沖電解加工研究，最小加工間隙可達0.05 mm。清華大學利用微細電解加工時極間間隙與加工電流的關系，將加工間隙控制在20 μm左右。劉改紅等［4］研制開發(fā)了采用音圈電機伺服驅動的微細電解加工裝置，同時開發(fā)了工具電極伺服控制軟件，在工具電極進給過程中，實時檢測加工極間電壓和電流，對電極的運動實施伺服控制，并以實現(xiàn)較高精度的微細電解加工為目標，提出了一種綜合陣列微細電極、工具電極側面絕緣、微小加工間隙伺服控制、高頻窄脈沖電源、非線性低濃度電解液等技術的工藝。王明環(huán)［5］采用成形工具電極，增大了反應面積與單次放電蝕除量，提高了微細電解加工的效率。朱荻等在超短脈沖電解加工的基礎上，采取工具往復運動方式，改善了加工的穩(wěn)定性，并保證了加工過程的重復性。徐惠宇［6］采用霍爾傳感器測量電流信號，對信號進行反饋控制，使工具電極快速響應。

3 微細電解加工技術研究

微細電解加工以離子形式去除材料，從而得到更好的加工精度和表面質量，這一技術是當前電化學加工、微細加工領域最活躍的研究方向之一。微細電解加工技術是在半導體集成電路制造工藝基礎上發(fā)展起來的，最初是為滿足半導體工業(yè)的發(fā)展。隨著科學技術的不斷發(fā)展，這一技術已經不僅僅局限于集成電路工藝中的硅片刻蝕。微細電解加工包括掩膜微細電解加工、脈沖電流電解加工、電液束電解加工等多種技術，結合了多種加工方法的優(yōu)點，可以構成微細電解加工技術群。可見，微細電解加工并不是由某項技術獨立完成的，而是由多種技術共同實現(xiàn)的。

3.1 掩膜微細電解加工

掩膜微細電解加工由光刻技術與電解加工技術相結合，加工工件尺寸可達到微米級，甚至是亞微米級。這一技術的基本原理是在工件表面涂上一層光敏材料，通過光刻技術去除具有一定圖案的光敏材料，用一個絕緣的平板作為陰極進行電解加工，將具有一定圖案的裸露表面加工到一定深度，最終達到所要求的工件形狀。掩膜微細電解加工已經在微機電系統(tǒng)零件、精密光柵、印制電路、超大規(guī)模集成電路及各種薄壁金屬零件等的微細加工領域得到了廣泛應用。

研究掩膜微細電解加工的關鍵在于如何選擇光刻膠膜厚度、電源參數(shù)、電解液種類等相關參數(shù)。光刻膠膜過厚往往會使陰極工具與工件之間的間隙過大，使加工精度降低。光刻膠膜過薄，則往往會使側向腐蝕加劇，膠膜很容易脫落，從而影響加工精度。光刻膠膜的開口角度對成形過程也有很大影響。在加工開始階段，由于陽極表面電流分布對光刻膠膜開口角度非常敏感，因此陽極工件表面邊界處電流比中心處電流強，隨著加工的進行，型腔成形會使電極表面電流重新分布，邊界處電流強度逐漸減弱，直至與中心處一致，此時表明中間的材料已經被完全蝕除。

隨著半導體、微電子、微機械等行業(yè)的迅速發(fā)展，掩膜微細電解加工已成為重要研究課題。圖1所示為采用單面掩膜法加工的微型傳感器［7］，圖2所示為在厚度125 μm不銹鋼板上采用雙面掩膜法加工的群孔結構［8］。研究發(fā)現(xiàn)，采用雙面掩膜法進行微細電解加工精度高，側壁垂直度及表面質量要比單面掩膜法好。

3.2 脈沖電流電解加工

脈沖電流電解加工在工具陰極和工件兩端施加脈沖電壓，用具有周期性變化的脈沖電流代替原有的直流電流，進而獲得所需的零件形狀。這一技術加工精度隨加工間隙的減小而提高，加工表面質量隨電流密度的增大而提高。

▲圖1 單面掩膜法加工微型傳感器

▲圖2 雙面掩膜法加工群孔結構

早期的電解加工大多采用直流電源進行加工，但直流電解加工的加工精度及表面質量不如脈沖電流電解加工，因為在直流電解加工時，很難在增大電流密度的同時控制加工間隙。

在20世紀60～70年代出現(xiàn)脈沖電流電解加工以后，脈沖電流電解加工由于提供了較多的可調加工參數(shù)，因此方便了過程控制。在加工過程中，脈沖電流會使電解液產生壓力波，起到攪拌的作用，這對電解液的更新及電解產物的及時排出非常重要，可以使電解加工保持在更小的間隙下進行，進而提高了加工精度。與直流電解加工相比，脈沖電流電解加工更具有發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊ｋS著快速功率電子開關和高頻、超高頻、窄脈沖電源的相繼出現(xiàn)，脈沖電流電解加工得到了進一步發(fā)展。

圖3所示為脈沖電流電解加工系統(tǒng)。脈沖電流電解加工中，加工間隙內的電解液會隨脈沖電流發(fā)生階躍變化而產生壓力波，壓力波起到了攪拌的作用，從而改善加工區(qū)域的流場條件，促進電解液的更新，使電解產物及時排出，加之控制脈沖頻率、脈寬等參數(shù)，可以獲得較小的加工間隙和較高的電流密度，從而提高電解加工精度，改善表面加工質量。經過研究人員大量的試驗研究，脈沖電流電解加工的加工精度和表面質量已優(yōu)于直流電解加工。

3.3 電液束電解加工

電液束電解加工是在金屬管電極加工微小孔的基礎上發(fā)展起來的，這一技術將高速電解液經玻璃管噴嘴噴射到工件表面，進而加工工件。

▲圖3 脈沖電流電解加工系統(tǒng)

電液束電解加工過程中，工件接電源正極作為陽極，玻璃管中的金屬絲接電源負極作為陰極，具有高壓的電解液經陰極絕緣管道由玻璃管噴嘴噴射到工件表面，經過一系列氧化還原反應，陽極金屬被溶解蝕除，最終使工件得到所需形狀。電液束電解加工原理如圖4所示。

▲圖4 電液束電解加工原理

根據(jù)法拉第定律計算可知，在實際加工過程中，陽極金屬加工量要遠遠大于金屬溶解蝕除量，所以電液束電解加工除了依靠陽極溶解原理來蝕除加工外，還伴有其它化學腐蝕。目前對這一加工技術的原理還未研究透徹，但可以肯定的是，加工過程中既有陽極溶解，又有其它化學反應。由于電液束電解加工過程中沒有切削力作用，因此可以加工比較薄的工件。雖然電液束電解加工速度快、加工深徑比大、加工表面質量好，但是在加工過程中也存在一些缺點，如玻璃管易碎、陰極玻璃管難以制備等。

電液束電解加工的主要工具是玻璃管電極，而玻璃管噴嘴的直徑大小則決定了電液束電解加工的尺寸精度。電液束電解加工的孔徑一般為 0.13～1.3 mm，也可以加工孔徑小于0.1 mm的微孔，以及深徑比為100∶1的深微孔。據(jù)國外文獻報道，電液束電解加工技術可以加工的最小孔徑為0.025 mm，加工精度為孔徑的±5%或±0.025 mm［9］。

3.4 約束刻蝕劑層加工

約束刻蝕劑層加工利用刻蝕劑和加工表面發(fā)生化學反應而加工出滿足要求的工件，這一技術由廈門大學田昭武院士等人在1992年提出，是解決微小復雜構件加工的一種方法。約束刻蝕劑層加工的原理如下：利用光化學或電化學反應在三維圖形模板表面產生刻蝕劑，刻蝕劑向周圍溶液中擴散，與溶液中的捕捉劑快速發(fā)生反應，致使刻蝕劑被約束在模板表面輪廓很小的區(qū)域內，且無法由模板表面往溶液深處擴散；當模板非常趨近于工件的表面時，被約束的刻蝕劑與被加工工件表面會發(fā)生反應，從而加工出與模板形狀互補的圖形［10］。

4 電解加工影響因素分析

4.1 加工穩(wěn)定性

加工穩(wěn)定性是微細電解加工中一個重要的研究課題。在微細電解加工中，產生的不溶性電解產物停留在加工間隙中，很可能會引發(fā)短路和火花現(xiàn)象，致使加工無法順利進行，導致加工失敗。例如，在微細電解加工中，加工間隙內會充滿可以導電的電解液，通電后陽極失去電子被氧化，溶解在溶液中的金屬陽離子與氫離子結合產生氫氣，如果氫氣沒有被及時排除，氣泡會在間隙內形成絕緣橋，導致加工無法進行。然而，若要沖走電解產物及電解液，需要保持較高的壓力，這就使加工過程中的穩(wěn)定性受到影響。加工間隙內陰極處積累的氣體產物、因溫升而沸騰的電解液、陽極處的沉淀性氫氧化物，這些都可能導致加工區(qū)內電場和流場產生畸變，引發(fā)間隙內火花和短路現(xiàn)象，降低加工的可控性、穩(wěn)定性及工件表面質量［11-12］。

4.2 加工精度

加工精度是微細電解加工中另一個重要的研究課題，筆者主要對加工后的尺寸精度進行了研究。在微細電解加工中，加工精度直接受陽極溶解定域性程度的影響，定域性程度又與電極電位、有效電導率、電流效率有關，所以研究影響加工精度的因素時必須要對這些參數(shù)進行分析。陽極溶解定域性程度如圖5所示，陽極材料上近點 A點與遠點 B點溶解速度的比值L可以表示陽極溶解定域性程度［12］：

▲圖5 陽極溶解定域性程度

式中：v0和v1分別為A點和B點的陽極溶解速度；ω0和ω1分別為A點和B點的體積電化學當量；i0和i1分別為A點和B點的陽極表面電流密度；η0和η1分別為A點和B點的電流效率。

由式（1）可知，近點與遠點的溶解速度比越大，定域性程度就越好，加工精度也就越高。另外，在微細電解加工中，由加工間隙公式可以得到間隙變化量公式。

加工間隙Δb公式為：

間隙變化量dΔb公式為：

式中：κ為電解液電導率；U為加工電壓；δU為極間電壓降；vf為加工進給速度；η為電流效率；i為陽極表面電流密度。

式（3）表明，在加工過程中，采用小的加工間隙可以減小加工間隙變化量，這有助于提高加工精度。

采用小間隙進行加工，還可以減小因加工余量不均而造成的誤差。工件溶解速度v和間隙值Δ的關系為：

式中：C為因數(shù)項。

對于加工區(qū)內兩處加工余量差為δΔ的區(qū)域，其溶解速度相對變化的近似表達式為：

式中：m為溶解的質量。

當Δ→0時，余量處的溶解速度差δv→∞，可見，減小加工間隙，不同余量處的溶解速度差會大大提高，使余量越大的位置溶解速度越快，而余量越小的位置溶解速度則越慢。由式（5）可以看出，減小加工間隙，微細電解加工的定域性程度得到提高，從而使加工精度得到提高，保證微細電解加工的順利進行。

4.3 電解液

微細電解加工中，電解液的主要作用是為導電介質傳遞電流，在電場的作用下與金屬表面發(fā)生化學反應，使陽極順利溶解，并將電解產物及時排出，同時起到更新與冷卻作用［13］。電解液對加工微孔的影響主要表現(xiàn)在鈍化作用上。在微細電解加工過程中，被加工的陽極工件表面距離陰極工具電極比較近的區(qū)域處于超鈍化溶解狀態(tài)，在此狀態(tài)下，陽極工件表面被蝕除的速度較快。相反，被加工的陽極工件表面距離陰極工具電極比較遠的區(qū)域處于鈍化狀態(tài)，在此狀態(tài)下，陽極工件表面被蝕除的速度較慢，幾乎處于停止狀態(tài)。正是由于兩種狀態(tài)下蝕除速度不平衡，才可以使被加工工件表面的定域性程度得到保證。

電解液濃度對加工質量的影響主要通過兩方面來實現(xiàn)。一是電解液濃度降低會使電導率下降，并使陽極工件金屬表面的蝕除速度下降，在進給速度相同的情況下，側面間隙和端面間隙減小，孔形尺寸相應減小，加工精度得到提高。二是采用鈍性電解液加工時，隨著電解液濃度的降低，電導率減小，溶液的電壓降增大，陽極電位下降，原本在較高濃度下處于超鈍化溶解狀態(tài)的加工區(qū)域由于電解液濃度降低而重新進入鈍化狀態(tài)，這意味著在低濃度鈍性電解液加工時，超鈍化區(qū)域更小，鈍化區(qū)域更大，因此加工定域性程度更高［14］。

常用的電解液有 NaCl、NaNO3、NaClO3共三種。NaCl蝕除速度快，成本低，但雜散腐蝕嚴重。NaNO3加工精度高，腐蝕性小，但加工效率低。NaClO3加工精度高，腐蝕性小，但成本高，使用過程復雜，干燥狀態(tài)下易燃。

王明環(huán)在相同加工參數(shù)的情況下，使用不同電解液進行了對比試驗。工件材料為304不銹鋼，選用的電解液為5%NaNO3溶液、5%NaClO3溶液和5%NaCl溶液，圖6所示為采用三種電解液試驗加工出的微孔照片。由圖6可見，采用NaCl加工出的孔徑最大，采用 NaNO3、NaClO3加工出的孔徑較小，由此確認采用非線性電解液NaNO3、NaClO3進行微細電解加工，其定域性程度比采用線性電解液NaCl要好。

圖7所示為三種電解液的陽極極化曲線，可以看出：NaClO3在AB段陽極電位升高，電流密度增大，符合正常陽極溶解規(guī)律，當電極超過B點后，由于鈍化膜的形成，電流密度減小，進入鈍化狀態(tài)，當超過C點后，鈍化膜被破壞，進入超鈍化狀態(tài)；NaNO3則是在陽極電位為1.5 V時進入超鈍化狀態(tài)；NaCl中由于氯離子的活化能力很強，使陽極極化曲線全程幾乎處于活化狀態(tài)。通過對陽極極化曲線特征進行分析，可以解釋為何NaNO3和NaClO3比NaCl具有更好的加工精度。

圖8所示為三種電解液的電流密度與電流效率關系曲線，可以看出NaCl的電流效率比NaNO3和NaClO3高，且NaNO3和NaClO3的電流效率隨電流密度的增大而提高。NaNO3、NaClO3是鈍性電解液，當電流密度很小時，電流效率為0，這是因為存在鈍化膜的關系。當電流密度超過臨界值后，鈍化膜破裂，陽極繼續(xù)溶解。

在圖8中，電流密度為5～40 A/cm2區(qū)間時，NaClO3曲線明顯陡于NaNO3，即NaClO3的 dη/di明顯大于NaNO3，NaClO3在此區(qū)間內電流效率隨電流密度增大而提高的速率更快，加工時定域性程度更好，因此加工出的孔側面雜散腐蝕更小，可以獲得更好的加工精度，這同樣解釋了為何圖6中采用 NaClO3加工出的微孔尺寸小于采用NaNO3加工出的微孔尺寸。建議在實際加工中，控制電流密度范圍為 10～40 A/cm2。

5 結論與展望

微細電解加工技術是國內外研究的一大熱點，目前已在電解加工設備、加工原理、工藝試驗及生產實際應用方面取得了重要進展。通過研究發(fā)現(xiàn)，微細電解加工中，雖然工件不斷地失去電子而成為離子，并以離子的形式被去除，但由于雜散腐蝕的存在，加工后零件的尺寸精度及定域性程度還有待提高。關于如何提高加工精度與加工效率、降低雜散腐蝕等，仍然需要繼續(xù)進行研究。

▲圖6 不同電解液加工所得微孔

▲圖7 電解液陽極極化曲線

▲圖8 電解液電流密度與電流效率關系曲線