表面粗糙度对镍镀层结合性能的影响

周玉凤 *，刘瑞，汪红

（1.上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620；2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏 苏州 215123；3.上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系，微米纳米加工技术国家级重点实验室，上海 200240）

随着MEMS(微机电系统)技术的迅速发展，为了适应器件在结构复杂性和功能多样性方面的需求，越来越多的新工艺和新材料应用到MEMS 领域中。已有很多关于采用电镀镍法制备微结构MEMS 器件及其相关性能的研究报道[1-3]。在改进镍镀层性能方面，包括降低内应力、镀层均匀性、力学性能等[4-9]，研究者们已进行大量研究，使非硅MEMS 技术取得到一定发展。

然而采用非硅MEMS 技术制备多层微器件的最关键问题是镀层间的结合强度。因此，改善MEMS 器件中叠层结构之间的结合力，以提高器件的可靠性和延长使用寿命，是国内外学者力求解决的技术问题之一。通常采用强酸对镀层样品表面进行处理，但这对结合性能的改善作用非常有限[10]。本文采用电化学阳极溶解刻蚀方法，较系统地研究了阳极活化电流密度和处理时间对双层镍之间结合性能的影响，通过观察微观组织形貌和分析断口形貌，初步得出了表面微观粗糙度与结合性能之间的相关性，为镍微器件的实用化提供一定的参考。

1 实验

1.1 试样制备

以20 mm×20 mm×10 mm 的玻璃片为基体制备直径300 μm 的镍柱，其工艺流程为：溅射Cr/Cu种子层─电镀镍(200 μm)─磨平抛光(专用抛光机)─盐酸活化或阳极活化─涂光刻胶─光刻显影─电镀镍(30 μm)─去光刻胶。

电镀镍的配方和工艺为：Ni(NH2SO3)2·4H2O 500 g/L，NiCl2·6H2O 10 g/L，H3BO325 g/L，糖精50 mg/L，pH 4.0，温度45°C，电流密度10～30 mA/cm2。

盐酸活化采用体积分数为50%的稀盐酸溶液，时间为5 min。阳极活化的溶液组成和工艺条件为：NiCl2·6H2O 100 g/L，H3BO325 g/L，pH 4.0，温度45°C，阳极电流密度10～30 mA/cm2，处理时间5～15 min。

1.2 性能测定

1.2.1 孤岛结合力测定

结合强度测试采用孤岛–剪切测试方法，测试用试样模型如图 1 所示。设备为日本 RHESCA 产的PTR-1100 结合度测试仪，相同处理条件选取5 个试样进行测定。将待测试样固定在结合强度测试仪上，以剪切方式对试样施力直至镍柱脱离第一层镍表面，剪切速率为0.1 mm/s，记录剪切位移和剪切力。

图1 孤岛结合强度测试示意图Figure 1 Schematic diagram showing micro-island adhesion test

1.2.2 表面形貌和粗糙度

表面形貌和粗糙度的测定试样为经活化或阳极刻蚀的单层镍镀层。采用Zeiss 公司的Ultra 55 场发射扫描电子显微镜观察表面和断面形貌。表面粗糙度采用无锡超豪机械制造有限公司的WYKO NT1100 三维光学轮廓仪进行测定。

2 结果与讨论

2.1 镍层的表面形貌

图2为采用不同工艺活化处理后镍层的表面形貌。从图2 可知，HCl 活化处理后，镍表面呈条状腐蚀；在10 mA/cm2下阳极活化5 min 后，镍层表面发生点腐蚀；在30 mA/cm2下阳极活化10 min 后，镍层表面明显变得粗糙。

2.2 镍层间的孤岛结合力

图2 不同工艺条件活化后镍层的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of nickel coatings after activation under different process conditions

图3 是分别采用盐酸活化5 min和在30 mA/cm2下阳极活化10 min 后试样的结合力测试结果。从图3 可知，阳极活化的镍层结合力明显高于盐酸活化的镍层结合力。盐酸酸浸处理5 min 所得试样的结合力测试结果较分散，说明采用该法难以保障试样的结合力。

图3 镍层间的孤岛结合力曲线Figure 3 Curves for micro-island adhesion between different nickel coatings

图4 是经孤岛测试后镍层断口界面的微观形貌。从图4 可知，经HCl 处理的镍层断口界面平整，无明显的镀层残留。在10 mA/cm2下阳极活化5 min 试样的断口界面存在一定的缺陷，这与图2 中镍层表面发生的点腐蚀相对应，也说明在该条件下进行阳极活化难以得到结合力良好的试样。观察30 mA/cm2下活化10 min 试样发现，断口的界面有上层镍残留，说明断裂并非发生在两层镍之间，即两层镍之间的结合力良好。

2.3 镍层间结合强度与粗糙度的关系

图5 示出了经不同活化工艺处理后镍层的表面轮廓。测试结果表明，经过HCl 活化、10 mA/cm2阳极活化5 min和30 mA/cm2阳极活化10 min 的镍表面粗糙度(Ra)分别为205.85、215.77和460.60 nm，30 mA/cm2阳极活化10 min 的镍表面粗糙度最大。

图4 孤岛测试后不同镍层的断口形貌Figure 4 Fracture morphologies of different nickel coatings after micro-island adhesion test

图5 不同工艺条件活化后镍层的表面轮廓Figure 5 Surface profiles of nickel coatings after activation under different process conditions

阳极活化电流密度和处理时间对镍层表面粗糙度和镍层间结合强度的影响见图6。从图6 可知，电流密度和处理时间显著影响镍层的表面粗糙度和结合强度，在30 A/dm2下阳极活化10 min 后，双层镍之间的结合强度可达629.8 MPa，较HCl 处理5 min 试样(231.9 MPa)提高近2 倍。电流密度越大、处理时间越长，镍的粗糙度和镍层之间的结合强度就越大，二者的变化趋势基本一致。这说明界面结合强度与表面粗糙度有明显的对应关系，表面粗糙度越大，其结合强度越高。因此粗糙的微观表面可有效增强双层镍之间的物理咬合作用，提高镍层间的结合强度。

图6 阳极活化电流密度和时间对镍层表面粗糙度和界面结合强度的影响Figure 6 Effects of current density and time of anodic activation on surface roughness and interfacial bonding strength of nickel coatings

3 结论

镍层表面粗糙度与界面结合强度有明显的对应关系，表面粗糙度越大，其结合强度越高。通过阳极活化可有效增大镍的表面粗糙度，显著提高双层镍之间的结合强度。采用阳极活化有望提高MEMS 微器件的可靠性和使用寿命，为其实用化打下良好的基础。

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