微电铸中电场均匀性分布与控制方法*

邵力耕，王法震，杜立群，王立鼎

（1.辽宁省新能源电池重点实验室，大连交通大学，辽宁大连116028；2.电气信息学院，大连交通大学，辽宁大连116028；3.精密与特种加工技术教育部重点实验室，大连理工大学，辽宁大连116024；4.辽宁省微纳米技术与系统重点实验室，大连理工大学，辽宁大连116024）

微电铸中电场均匀性分布与控制方法*

邵力耕1，王法震2，杜立群3，4*，王立鼎3，4

（1.辽宁省新能源电池重点实验室，大连交通大学，辽宁大连116028；2.电气信息学院，大连交通大学，辽宁大连116028；3.精密与特种加工技术教育部重点实验室，大连理工大学，辽宁大连116024；4.辽宁省微纳米技术与系统重点实验室，大连理工大学，辽宁大连116024）

微电铸技术用来生产金属微器件，已经成为一种重要的和有效的加工方法。为了获得理想的电铸产品结构，电铸液中电场的分布起到了重要的作用。电铸液中电场的均匀性分布可以提高微电铸的铸层质量和尺寸精度，并能提高电铸微观结构的力学性能。本文基于三电极体系提出了一种新的电场测量方法，并通过改变阳极的形状和位置来提高阴极附近电位分布的均匀性。实验结果表明，采用半圆弧形板作为阳极时，电铸液空间电场分布均匀性和阴极附近电场分布均匀性有明显的提高。因此，在实际应用中半圆弧形阳极可以改善电铸微器件的微观结构，提高铸层表面均匀性。

微电铸；电位；半圆形空心圆柱阳极；均匀性

EEACC：0160；2572doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.05.009

微电铸技术作为一种精密特种加工方法，主要应用于传统工艺难以加工的零部件制造。在微电铸过程中，阴极电流密度的大小影响着电沉积的速度和电铸层的组织结构。在进行复杂形状零件的微电铸时，由于阴极电流密度分布不均匀，会造成电铸层的厚度和材料组织结构不均匀［1］。大量研究和实验表明，阳极的形状和位置是影响阴极表面电流密度分布的主要因素［2］。因此，设计合理的阳极轮廓，以保证阴极表面电场分布的均匀性是电铸技术的关键问题。

关于电铸电场均匀性优化的问题，Jayadrishnan等人在研究两相同尺寸平板电极间的电沉积实验时发现：在极间距一定时，略微减小阳极尺寸，有助于改善阳极上的电场分布；对于复杂型面的电沉积，采用辅助阳极或象形阳极能使阴极获得较均匀的电流密度分布［3］。杨大春等人采用组合可溶性象形阳极进行电铸，通过对组合象形阳极中的组合棒进行局部调整，使阴极电流密度尽可能均匀地分布［4］。但上述方法需要进行多次试验，才能确定出满足阴极电场分布要求的组合阳极形状，且难以控制沉积层分布的均匀性。

目前从电场均匀性角度来调整阳极形状的科研成果甚少［5］。本文提出了一种新的电铸液中电位测量方法，基于三电极体系通过测量微电铸时电铸液空间各个点的电位，能够直观地反映出电铸液中空间电场的分布。并提出了一种新的阳极设计方法，将平板阳极加工成半圆形阳极，在微电铸时将阴极位于其圆心。在电铸条件一致情况下，通过实验分别用相同面积的平板阳极和半圆形阳极进行微电铸，测量出阴极表面及附近各个点的电位值分布大小，并进行对比。实验结果表明，采用半圆形阳极能够明显提高阴极电场分布的均匀性。

1　微电铸电场理论分析

在电铸过程中，设阴极上离阳极最近点的距离为l1，最远点的距离为l2，他们对应的电流密度分别为J1、J2，则阴极电流密度分布有如下关系［6-7］：

由式（1）可知，在进行阳极轮廓设计时，可以采取以下措施来改善电流密度的分布，即：减小l1与l2的差值，或增大l1。在实际电铸生产中，无限增大l1的方法并不可取，所以减小l1和l2的差值是较为可行的方法。据此，本论文提出了将矩形阳极加工成半圆弧形，使阴极在电铸时位于其圆心的位置，这样使l1和l2的差值大大减小了，甚至趋于零，由此可以确保电铸时阴极附近电流密度均匀分布。

电铸电场分布的数学模型如图1所示，其表达式为［8-9］

式中，φ为电极电位；φa和φc分别为阳极和阴极电位；U为阳极电压；x和y分别为横坐标和纵坐标；n为工件阴极表面各处的法向坐标。

由此可以得到在封闭区域Ω内任何一点P（x，y）处的电势φp，并导出该处电流密度：

其中，γ为电解液的电导率；Ep为某点电场强度。因为阴极表面也属于区域Ω，所以就可以推出阴极表面的电流密度分布。

图1　电场分析数学模型示意图

2　实验方案

预先准备两块尺寸为1 mm×50 mm×100 mm的纯镍板，将其中一块经数控加工成半圆形空心圆柱阳极板（高度为50 mm，直径为64 mm，厚度为1 mm），并在相应位置进行屏蔽处理，使两块阳极板导电面积都为50 mm×100 mm。电极在使用之前进行除油、抛光和清洗等工序处理。阴极采用铜板，屏蔽处理后导电面积为10 mm×10 mm。电铸液由氨基酸镍（550 g/L）、氯化镍（10 g/L）、硼酸（35 g/L）和润湿剂（0.2 g/L）配置而成［10］。

2.1三电极体系测量电位

为了测定单个电极的极化曲线，需要同时测量通过电极的电流和电位，为此常采用三电极体系。它由研究电极（WE）、参比电极（RE）和辅助电极（CE）构成。三电极体系有两个回路：一是极化回路；二是电位测量回路。极化回路中有极化电流通过，因此极化电流大小的控制和测量在此电路中进行。电位测量回路是用来测量或控制研究电极相对于参比电极的电位，这一回路中几乎没有电流通过［11-13］。

传统的三电极体系是主要测量工作电极附近的极化曲线［14］。本文在三电极体系电路的基础上进行改造，采用恒流法由恒流源提供给工作电极恒定的电流密度（本文采用1.5 A/dm2），通过移动测量端能够测量电铸液空间下各点电位的分布，来反映电铸液空间电场的分布，测量方法示意图如图2所示。

图2　试验装置示意图

在电铸过程中，本试验采用恒流法由恒流源提供给阳极恒定的电流密度1.5 A/dm2，分别对平板阳极和半圆弧形阳极进行电铸。当采用平板阳极时，阴阳极间距为32 mm；当采用半圆弧形阳极进行电铸时，阳极位于其圆心，间距为32 mm。

2.2电铸液空间电位测量点分布

采用图2测量方法，分别对导电面积同等大小的平板阳极和半圆形阳极板在电铸时测量电铸液空间电位，由此来比较优化后的半圆弧形阳极板是否符合要求。在电铸时将电铸液从液面到槽底等距地分三层进行测量，在每一层距离阴极板31 mm、21 mm、11 mm和1 mm处分别取四条平行测量线（r1-r4），当阳极为平板时每条测量线上等距取5个测量点如图3所示；对于阳极为半圆形时，测量线r1-r4分别取2、3、4和5个测量点如图4所示。

图3　采用平板阳极电铸时空间电位测量点分布图

图4　采用半圆形阳极电铸时空间电位测量点分布图

3　结果与分析

3.1微电铸电场的空间分布

从电铸液面到底部取液面、液中和液底3层分别测量。每一层下从阳极到阴极选择4条平行的测量线（r1-r4），包括：阳极、2条等距线和阴极，阳极是平板时每条测量线取5个点（如图3所示）；阳极采用半圆弧形板时，从第1条到第4条分别取2个～5个点（如图4所示）。

对于阳极形状为平板时，第1层、第2层和第3层空间电位测量结果分布如图5（a）、5（b）、5（c）所示。

由图5（a）分析可以得出，在电铸液面这一层，从阳极到阴极电位逐渐减小，靠近极板中心位置一列（测量点间距50 mm处）电位变化比较大（从-0.179 6 V到-0.253 6 V，变化量为0.074 V），两边电位变化比较小（变化量分别为0.014 8 V、0.026 9 V、0.030 9 V、0.016 0 V），这是因为在极板中心位置一列阳极附近阳离子和阴极附近阴离子密度比较大，而其两侧密度则比较小。由此，从阳极到阴极电场强度逐渐减小，并且阴极附近分布不均匀。由图5（b）和5（c）分析可以得出，在第2层、第3层电场分布趋势和图5（a）相同。

结合图5（a）、5（b）、5（c）3层分析可以得出，从液面到液底电位逐渐增大。以测量线r3间距50 mm处测量点为例，从液面到槽底电位分别为-0.2109 V、-0.2071 V和-0.2069 V，可知电场强度逐渐增大。主要是金属镍离子从电铸液面到液底逐渐增多。对于阳极形状为半圆弧形时，在相同的工作条件下，阴极位于圆心位置，用三电极法测量第1层、第2层、第3层空间电位结果分布如图6（a）、6（b）、6（c）所示。

图5　平板阳极下空间电位分布折线图

图6　半圆弧形阳极下空间电位分布折线图

由图6（a）分析可以得出，在电铸液面这一层，从阳极到阴极电位逐渐减小，并且变化量与平板阳极比较相对均匀（变化量依次为0.0239 V、0.0311 V、0.0381 V、0.0329 V和0.0255 V），这是因为阳极为半圆弧形时，阴极位于其圆心位置，阴极距离阳极各点基本相等。由式（3）知，从阳极到阴极电场强度逐渐减小。由图6（b）、6（c）分析可以得出，在第2层、第3层电场分布趋势和图6（a）相同。

结合图6（a）、6（b）、6（c）3层分析可以得出，从液面到液底电位逐渐增大。以测量线r2上测量点间距38.4 mm处测量点为例，从液面到槽底电位分别为-0.1891 V、-0.1869 V和-0.1857 V，可知从液面到液底电场强度逐渐增大，这和阳极是平板的情形相同。

比较图5和图6可以看出，当阳极形状为半圆弧形时，空间电场分布比阳极形状为平板时均匀。

3.2阴极附近的电场分布

在复杂零件的电铸过程中，阳极选用的不合理会使得阴极表面各处电流密度分布不均匀，在芯模凹入部分电流线稀疏，凸出部分电流线聚集，从而导致阴极各处沉积层厚度不一致。随着电铸过程的持续，由于阳极轮廓不变，而阴极上沉积层分布的不均匀又会加剧阴极表面电流密度的不均匀分布，使得阴极各处电铸层的厚度差更大，因此研究电铸阴极电场分布对改善电铸层厚度分布的均匀性具有重要意义［15］。

当阳极形状为平板时，阴极附近的电位测量结果分布如图7所示。由图7可以得出，在电铸液面层，中间电位比较小（-0.2536 V），两边电位相对较大（电位分别为-0.1701 V、-0.1883 V、-0.1972 V和-0.1746 V），变化量为0.0835 V。可知越靠近阴极电场强度越小，并且电场分布很不均匀。由层1到层3以看出从液面到液底，电位有轻微的增大（以每层测量点50 mm处为例，电位分别为-0.2536 V、-0.2473 V和-0.2458 V），可知电场强度有所增强。

当阳极形状为半圆弧形时，阴极附近的电位测量结果分布如图8所示。由图8分析可以得出，每层阴极附近电位相对均匀（以电铸液面为例，从左到右电位分别为：-0.2028 V、-0.2183 V、-0.2267 V、-0.2109 V、-0.2012 V），变化量为0.0239 V。由测量点32 mm处可以看出从液面到液底，电位有轻微的增大（电位分别为-0.2267 V、-0.2237 V和-0.2215 V），变化量为0.0052 V，电场强度有轻微的增强。可以得出，阴极附近电场分布比较均匀。

电铸液中各点的电位体现微电铸系统的动力学过程。可以得出，阳极形状为半圆弧形时电铸液中的电场分布比阳极形状为平板时变化均匀。当阳极形状为平板时，靠近阴极附近空间各点电位差较大，电场分布很不均匀。当阳极形状为半圆弧形时，靠近阴极附近空间各点电位差较小，电场分布相对均匀。这种微电铸中均匀的电场分布能够极大地改善电铸微器件的均匀性。

图7　平板阳极时阴极附近电位分布图

图8　半圆弧形阳极时阴极附近分布图

5　结论

微电铸可以用来制造金属微器件和制备金属纳米材料。铸液中各点的电位反映了微电铸的动力学过程。基于三电极体系提出的电铸液中各点电位测量方法，可以获得微电铸体系电铸液中空间电场的分布，电场分布能够反映阴极附近电流密度分布的均匀性。

采用半圆弧形板作为阳极时，待铸微器件作为阴极位于其圆心位置，电铸液空间电场分布均匀性和阴极附近电场分布均匀性，比平板阳极时有明显的提高。半圆弧形阳极可以改善电铸微器件的微观结构，提高铸层表面均匀性。

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邵力耕（1970-），男，甘肃定西人，大连交通大学电气信息学院，副教授，硕士生导师，主要为研究方向为微机电系统，shaolg@yeah.net；

杜立群（1966-），女，黑龙江人，工学博士，大连理工大学机械工程学院，教授，博士生导师，主要为研究方向为微机电系统，duliqun@dlut.edu.cn；

王法震（1990-），男，安徽宿州人，大连交通大学电气信息学院2013级硕士研究生，主要为研究方向为微机电系统，fazhen1022@qq.com；

王立鼎（1934-），男，辽宁辽阳人，大连理工大学机械工程学院，教授，博士生导师，中国科学院院士，主要为从事超精密齿轮工艺与测试、精密机械设计及微纳米机械的研究，wangld@dlut.edu.cn。

Electric Field Distribution Uniformity and Control Method of Microelectroforming*

SHAO Ligeng1，WANG Fazhen2，DU Liqun3，4*，WANG Liding3，4
（1.Key Laboratory for New Energy Battery of Liaoning Province，Dalian Jiaotong University，Dalian Liaoning 116028，China；2.College of Electrical Engineering and Information，Dalian Jiaotong University，Dalian Liaoning 116028，China；3.Key Laboratory for Precision&non-traditional Machining Technology of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China；4.Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China）

Microelectroforming has recently become an important and efficient fabrication process to produce metal microdevices.To obtain ideal structures of electroforming products，electric field distribution in electroforming solu⁃tion plays an important role.The electric field in electroforming solution is explored.The uniformity of the electric field distribution can improve the surface quality and dimension precision of microelectroforming layers，and en⁃hance the mechanical properties of electroforming microstructures.Based on three electrode system，the method of electric field measurement is put forward.By changing the shape and position of anode，the uniformity of potential distribution in the vicinity of cathode can be obtained.Experimental results show that the uniformity of electric field distribution in electroforming solution and near the cathode is significantly improved for the semicircular hollow-cyl⁃inder anode.Therefore，this can improve the uniformity of electroforming layers and microelectroforming devices in practical application.

microelectroforming；potential；semicircular hollow-cylinder anode；uniformity

TQ153.4

A

1004-1699（2016）05-0675-06

项目来源：国家自然科学基金项目（51375077）；辽宁省自然科学基金项目（2015020117）

2015-12-30修改日期：2016-01-20