微电铸层内应力与微模具型芯制作的研究

硕士学位论文微电铸层内应力与微模具型芯制作的研究StudyonStressinMicroElectrodepositedCoatingandFabricationofMicroMouldInsert国家科技支撑计划项目(2006BAF04B13)国家自然科学基金项目(50675025)作者姓名：宋磊学科、专业：微机电工程学号：20704181指导教师：杜立群教授完成日期：2009年12月大连理工大学DalianUniversityofTechnology本项目由国家科技支撑计划项目“微注塑成型与微模具设计制造关键技术研究”(2006BAF04B13)和国家自然科学基金项目“微制造中有机高聚物超声时效理论与方法研究”(50675025)资助完成，特此感谢！大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：作者签名：日期：年月日大连理工大学硕士学位论文-I-摘要随着MEMS技术的迅速发展，微电铸技术得到了广泛的应用，已经成功地应用于微模具和微结构的制作。而在微电铸工艺过程中电铸层会产生较大的内应力，它对电铸层的机械性能和零件成形有着很大的影响；同时，微模具型芯的制作及其尺寸精度也一直是影响微流控芯片制作的难题之一。本课题主要集中在微电铸结构中的内应力和微模具型芯的制作及其尺寸精度两个方面，研究结果有利于提高电铸结构的使用稳定性和微模具的尺寸精度。对铸层内应力的测量方法进行了研究。以布拉格定律和弹性理论为基础，导出sin2Ψ法内应力计算公式。利用X射线衍射仪结合内应力计算公式得到电铸层的内应力。研究了超声时效对铸层内应力的去除效果。利用自行搭建的超声时效装置，研究了超声时效时间对电铸层内应力的影响，并得出应力去除率与时间的关系曲线，讨论了超声时效去除铸层内应力的机理，以及添加剂对铸层内应力的影响；同时通过比较超声时效与热处理的去应力效果，发现超声时效去除铸层内应力与热处理作用后的应力范围基本相当，表明超声时效方法同样能够满足使用要求，具有一定的实用价值。以铸层内应力为研究对象，优化微电铸的工艺参数。通过三因素三水平的正交实验，利用X射线衍射仪和应力测量公式得到九组不同工艺条件下铸层内应力的大小，研究了电流密度、电铸温度以及基板材料对铸层内应力大小的影响。以正交实验数据为样本，引入模糊神经网络对影响铸层内应力的工艺参数进行了优化仿真研究，建立了铸层内应力与电流密度、电铸温度和基板材料三者之间的预测模型。同时对网络预测结果进行了实验验证。根据网络优化结果，有效地降低了铸层内应力，得到了本实验室条件下昀佳的微电铸工艺参数。制作了微模具型芯，并针对制作过程中出现的尺寸精度问题进行了研究。通过改变前烘参数和增设隔离带改善了SU-8的平整度和溶胀性，从而提高了型芯的宽度一致性。利用“铸冒”方法结合后续的机械加工改善了型芯的高度不均匀性。工艺改善后，同一微模具型芯的高度和宽度的尺寸精度均控制在±3μm之内，满足了微流控芯片的使用要求。关键词：微电铸；超声时效；X射线；内应力测量微电铸层内应力与微模具型芯制作的研究-II-StudyonUltrasonicStressReliefUsedinMicroElectrodepositedCoatingandFabricationofMicroMouldInsertAbstractWiththerapiddevelopmentofMEMS,microelectroformingtechnologyhasbeenappliedwidelyand.becometheinitialchoiceinmanufactureofmicrostructureandmicromoulds.However,thestressalwaysexistsintheelectrodepositedcoatingandhasadverseinfluenceonmechanicalpropertiesofthecoatinganddevicesforming.Thesizeprecisionandfabricationofmicromouldinsertsareproblemsformicrofluidicchipproducts.Theprimaryworkofthisstudyismainlyconcentratedonthetwoaspects.Theresearchresultisbeneficialforimprovingthestabilityofmicrostructuresanddimensionalprecisionofelectroforming.ThemethodtocalculatetheinternalstressinNielectrodepositedcoatingwasresearched.Basedonthetheoryofbragg’slawandelastictheory,atheoreticalformulaforelectrodepositedcoatinginternalstresscalledsin2Ψmethodisestablished.AndthestressvaluecouldbeobtainedbytheX-raydiffractometer.TheinfluenceofultrasonicvibrationontheNiplatingwasresearchedusingtheultrasonicvibrationequipment.Arelationshipcurveisestablishedbetweenthevibrationtimeandthestressreliefeffect.Themechanismofstressreliefindepositedcoatingusingultrasonicstressreliefisdiscussedandtheinfluenceofadditiveonthecoatingisalsodiscussed.Ultrasonicstressrelieftechnologyisaswellasheattreatmentinremovinginternalstress,itisusefulformakingthemicrodevicesbequalifiedproducts.Theprocessingparametersofmicroelectrodepositedcoatingwereoptimizedintermsofinternalstress.Basedonthe33factorialorthogonalarraytechnique,theX-raydiffractometerandstressformulaewereemployedtomeasuretheinternalstressofelectrodepositedcoatingunderdifferentprocessingparameters.Employinganeuralnetworktechnique,asimulativemodelwasestablishedtoinvestigatetheinfluenceofprocessparametersontheinternalstress.Accordingtotheresultsoforthogonalexperiment,theneuralnetworkwastrainedandthepredictionmodelwasbuiltbetweentheinternalstressandthreemainprocessparameters:currentdensity,electrodepositedtemperatureandthebasementtypes.Thepredictresultswereingoodagreementwiththeexperimentalresults.Theinternalstresswasgreatlyreducedundertheguidanceofneuralnetworkandmicroelectrodepositedprocesscouldbeoptimized.ThemicromouldinsertswerefabricatedbytheUV-LIGAtechnology.Theresearchesonthetheprecisionsfollowedwereperformed.Owingtooptimizedexperimentparameters大连理工大学硕士学位论文-III-andauxiliaryfeatures,thespin-coatingSU-8resistwasmoresmoothandtheswellingdisplacementwasreduced,whichimprovedtheconsistencyoftheinsert.Furthermore,over-platingmethodcombinedwiththefollowingmachiningprocesswasemployedtoreformtheasymmetryoftheinsert.Throughtheimprovementofthetechnology,theprecisionsofthesingleinserts’widthandheightarecontrolledin±3μm.KeyWords：Microelectroforming；UltrasonicStressRelief；X-rayDiffraction；InternalStressMeasurement微电铸层内应力与微模具型芯制作的研究-IV-目录摘要.............................................................................................................................IAbstract.............................................................................................................................II1绪论..............................................................................................................................11.1微电铸层的内应力问题...................................................................................11.2内应力的去除方法...........................................................................................21.2.1热处理在金属去应力方面的研究........................................................31.2.2低频振动时效在金属去应力方面的研究............................................31.2.3高频振动时效在金属去应力方面的研究.........................