电铸参数对铜基平面微弹簧疲劳性能的影响

Cao Quoc Dinh，徐宁，李成园，张新平

（南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京210094）

电铸参数对铜基平面微弹簧疲劳性能的影响

Cao Quoc Dinh，徐宁，李成园，张新平

（南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京210094）

平面微弹簧性能直接影响着微机电系统（MEMS）的效果和可靠性，研制长寿命的平面微弹簧对于保证微机电系统可靠性具有重要的意义。研究了占空比、电流密度、电源属性对电铸平面微弹簧质量的影响，并基于正交实验设计方法优化了工艺；制备了尺寸精度合适和疲劳性能良好的平面微弹簧，满足了MEMS的需要。研究表明：大的占空比会降低微弹簧的疲劳性能；双脉冲电源电铸的平面微弹簧疲劳性能优于直流电源和单脉冲电源电铸的；最优工艺为采用双脉冲电源、电流密度3 A/dm2、正向占空比10%；反向占空比10%.平面微弹簧疲劳寿命在定位移0.2 mm的情况下，最大517次。

兵器科学与技术；平面微弹簧；微电铸；疲劳性能；正交实验

0 引言

微小型武器技术在未来战争和国家安全方面具有重大作用，是未来新型武器系统与装备的重要发展方向之一。为适应武器微小型化发展的需要，各国采用了微机电系统（MEMS）技术制造传感器和微系统。平面微弹簧作为微型执行器、微型加速度传感器以及其他微惯性器件的重要组成部分，在MEMS中发挥着重要作用［1-2］。MEMS用微弹簧材质可分为硅质和非硅质［3-4］。美国空气炮和离心机实验表明，冲击环境下硅零件易破碎，限制了硅质弹簧在冲击环境下的应用。目前采用光刻、电铸和注塑（LIGA）研制的MEMS用镍基微弹簧多次拉伸后就会发生塑性变形不能恢复原状［5-7］，无法满足MEMS长期使用要求。这是因为微电铸件力学性能还不能和常规金属零件相比，且纯镍的弹性、抗拉强度和延伸率等指标并不理想，这些都给MEMS机构弹性元件的设计和加工带来了困难。文献［8］报道电铸铜力学性能优于电铸镍。但电铸铜的性能随溶液体系等电铸工艺参数不同而差别很大［9-11］，因此需要优化电铸工艺以提高其疲劳寿命，进而满足MEMS长期使用要求。

针对上述情况，本文研究了占空比、电流密度、电源属性对电铸平面微弹簧的疲劳寿命等质量的影响，并基于正交实验设计方法优化了工艺，以期制得尺寸精度和疲劳力学性能良好的平面微弹簧。

1 实验材料与方法

采用紫外光刻电铸（UV-LIGA）技术制备铜基平面微弹簧，工艺流程如图1所示，所得微弹簧尺寸如图2所示，其中弹簧设计线宽为0.5 mm.

铜基平面微弹簧电铸工艺包括芯模前处理、匀胶、光刻、电铸与脱模等5个过程。电铸阳极为黄铜球，阴极为304不锈钢基片，电铸液为硫酸铜溶液，并配有少量盐酸和添加剂、整平剂，电铸温度28℃，时间4 h.

采用正交实验设计方法研究电源属性、电流密度和占空比对弹簧尺寸精度和疲劳性能的影响，实验方案如表1所示。其中直流电源没有占空比，双脉冲的反向占空比为10%.电铸后脱模、清洗和干燥，冷镶、研磨、抛光、腐蚀，制成金相试样。Quant 250FEG场发射扫描电镜观察微观组织，Bruker-AXS D8X射线衍射仪分析物相。采用自制的由步进电机和推拉力计组成的微试样疲劳性能测试系统定位移（0.2 mm）测试疲劳寿命，当拉伸最大载荷降为原始的70%时即判定失效。

图1 微弹簧制备工艺路线Fig.1 Manufacturing process route of micro-springs

图2 平面微弹簧尺寸图Fig.2 Dimensions of planar micro-spring

2 结果与分析

2.1 平面微弹簧的微观组织与相组成

制备出的厚度0.1～0.3 mm平面微弹簧如图3（a）所示。这些平面微弹簧不存在气孔、裂纹等缺陷，表面光滑，致密度高。本研究中电铸时间不长，晶粒生长方向的随机性较强，且基片表面存在细小的凹凸不平，可作为非自发形核的核心，有利于铜首先在凹坑处形核并生长，从而靠近基体区域形成了细小的晶粒，如图3（b）所示。如继续延长电铸时间，沿沉积方向，组织会从细小等轴晶逐渐变化为柱状晶［12］。

表1 正交实验方案及结果直观分析Tab.1 Orthogonal experimental design scheme and intuitive analysis of experimental results

X射线衍射结果表明，电铸平面微弹簧远离基板的一侧只有铜，而靠近基板的一侧不仅有铜，还有FeCu4相，如图3（c）所示。Fe原子来自阴极板不锈钢基片，电铸时Fe元素溶入了电镀液，沉积过程中随着铜元素一起在阴极形核、长大。

2.2 微电铸工艺对尺寸精度的影响

线宽的尺寸误差会对微弹簧弹性系数产生影响，因此有必要分析微电铸工艺对尺寸精度的影响［13-14］。弹簧的线宽是由光刻胶胶模的间隙尺寸决定的，尺寸误差来源于掩模制造误差和微电铸工艺尺寸误差。曝光，显影，电铸等工序都会造成尺寸误差［15］，如光刻胶在电铸液中浸泡时会溶胀，当溶液温度升高后会热膨胀变形，造成尺寸变化［16］。微电铸时间等参数会影响到胶模的变形情况，进而影响尺寸精度。为定量分析尺寸精度，定义尺寸误差为:|实测线宽/设计线宽-1|，数值越小则误差越小。

图3 平面微弹簧典型形貌、微观组织与X射线衍射分析（直流电源，电流密度2 A/dm2）Fig.3 Morphology of planar micro-spring（DC power，current density of 2 A/dm2）

微电铸工艺对尺寸误差影响趋势如图4所示。随着占空比的增加，微弹簧尺寸误差先减后增；随着电流密度的增加，尺寸误差增加；双脉冲电源电铸的微弹簧疲劳寿命优于直流电源的，单脉冲的最差。电铸工艺影响着光刻胶的溶胀和热膨胀。在一定范围内，占空比适当的增大可减少光刻胶浸泡时间，降低溶胀程度，提高尺寸精度。而占空比增大到30%时，电流导通时间较长，电铸液温升较大，光刻胶热膨胀变形严重，尺寸误差增大。随着电流密度的减小，铜离子运动速度变慢，热溶胀效应不明显，尺寸误差减小。与直流电铸相比，单脉冲的电极反应会出现周期性的停顿，光刻胶浸泡时间延长，尺寸误差增大。双脉冲电源增加了占空比为10%的反向脉冲电流，电流导通时间减小，胶模受热溶胀效应的影响较小，弹簧线宽接近设计线宽，尺寸精度提高。

图4 电铸参数对平面微弹簧尺寸误差和疲劳性能的影响趋势Fig.4 Influences of trend electroforming parameters on dimension error and fatigue properties of planar micro-spring

综上所述，根据正交实验设计方法得到尺寸精度最好的工艺参数为正向占空比20%、反向占空比10%、电流密度为2 A/dm2、双脉冲电源。当然，与表1中的工艺7相比，哪种工艺更好需要做实验进一步验证。

2.3 微电铸工艺对疲劳性能的影响

文献［6，8］利用LIGA技术和Zn牺牲层技术制备出的S型镍基微型平面弹簧，经过几次（最大载荷0.2 N左右，不超过20次）拉伸回缩实验便发生塑性变形。本文制备的铜平面微弹簧疲劳寿命结果如表1所示，最小为35次，最高517次（工艺5），由此可见其具有更高的疲劳寿命。

影响疲劳寿命的因素包括循环应力状态、几何形状、表面质量、材料类型、残余应力、内部缺陷、环境等。譬如弹簧尺寸不均匀时，承受疲劳载荷时各段应力也不相等，易形成应力集中，从而降低弹簧的疲劳性能。表面粗糙或出现缺口也会引起微观应力集中，裂纹在此萌生与扩展，降低疲劳强度。另外，对于大多数金属，晶粒越细，疲劳寿命越长。由于微电铸工艺会影响到微弹簧的表面粗糙度、晶粒尺寸和弹簧尺寸不均匀性，从而影响到微弹簧的疲劳寿命。电铸参数对电铸铜平面微弹簧疲劳性能的影响趋势如图4所示。占空比的增加降低了微弹簧的疲劳寿命。随着电流密度的增加，微弹簧疲劳寿命先增后减。双脉冲电源电铸的微弹簧疲劳寿命优于单脉冲的，直流电源最差。

占空比的减小可有效地阻碍晶粒晶核长大，减少其外延生长的趋势，改变了晶体的生长趋势，抑制了晶粒粗化的趋势，从而细化了晶粒［17］，提高铸层的致密度［18］，进而提高平面微弹簧的疲劳性能。

当电流密度为3 A/dm2时，疲劳性能最好。在一定范围内，电流密度适当的增大能够细化电沉积金属晶粒［19］，疲劳强度显著提高，但当电流密度继续增大到某一数值时，由于铜离子运动速度很快，结晶沿电力线方向电解液内部迅速增长；过大的电流密度还会造成阳极钝化，使铜离子贫化现象严重，电沉积表面的铜离子供应不足，造成电铸表面质量急剧下降，表面不平整［20］，降低了疲劳强度。

双脉冲电源微电铸的弹簧疲劳性能优于单脉冲电源和直流电源电铸的。这是由于脉冲电流可以施加很高的瞬间电流密度，产生更高的电化学极化效果，导致更细小、更均匀的晶粒生成［10，21］。另外，当使用双脉冲电源时，电极反应会有周期性的停顿，给溶液深处的离子进入扩散层提供了时间，得以补偿消耗的离子。微观不平造成的极限电流的差值趋于相等，使微观的突起部位发生溶解，削平突起，使铸层更加光滑［22］，电铸出的弹簧尺寸更加均匀。

综上所述，基于疲劳寿命考虑，根据正交实验设计方法得到的最优工艺为正向占空比10%、反向占空比10%、电流密度3 A/dm2、双脉冲电源。同样，与表1中的工艺5相比，哪种工艺更好需要做实验进一步验证。

2.4 平面微弹簧工艺优化

采用加权法综合尺寸精度和疲劳寿命优化工艺。将疲劳寿命和尺寸精度划分为10个等级范围，等级越高则平面微弹簧质量越好。因为平面微弹簧更注重疲劳性能，所以疲劳性能权重定为0.9，尺寸精度权重定为0.1，综合得分计算公式为:综合得分=疲劳等级×0.9+尺寸精度等级×0.1.

综合得分结果如表1所示。由表1可知，工艺5综合得分最高。由于极差表征的是各因素对实验指标影响的重要程度，极差越大则影响越显著［23］。因此，各因素的重要程度顺序为:占空比＞电流密度＞电源属性。电铸参数对综合得分的影响趋势如图5所示，可见占空比小和电流密度取中间值，双脉冲电源比较好。所以理论上的优化工艺为正向占空比10%、反向占空比10%、电流密度3 A/dm2、双脉冲电源。

图5 电铸参数对综合得分的影响趋势Fig.5 Influences of electroforming parameters on comprehensive scores

3 结论

1）利用微电铸成功制备出线宽500 μm，疲劳寿命最大517次的铜基平面微弹簧。

2）随着占空比的增大，微弹簧的疲劳性能有所下降；当电流密度为3 A/dm2时，疲劳性能最好；双脉冲电源电铸的平面微弹簧的疲劳性能优于直流电源和单脉冲电源电铸的。最优电铸工艺为:双脉冲电源，正向占空比10%、反向占空比10%，电流密度为3 A/dm2.

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Effects of Electroforming Parameters on Fatigue Properties of Cu-based Planar Micro-spring

CAO Quoc Dinh，XU Ning，LI Cheng-yuan，ZHANG Xin-ping
（School of Material Science and Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Micro-spring is an important actuating component used widely in microelectromechanical systems.It is important to develop micro-forming techniques for manufacture of micro-springs with high-fatigue life.The effects of duty cycle，current density，and power properties on the quality of micro-electroforming planar micro-springs are studied.The process is optimized using an orthogonal experiment in order to achieve the high dimensional accuracy and fatigue properties of the planar micro-springs and meet the demand of microelectromechanical systems.The result shows that the fatigue property of micro-spring decreases as the duty cycle increases.Fatigue property of planar micro-spring prepared by double pulse power is superior to the one that prepared by direct current power and single pulse power.The optimal process is to use double pulse power，3 A/dm2current density，10%positive duty cycle，and 10%negative duty cycle.The fatigue life of planar micro-spring can reach 517 times under the constant displacement of 0.2 mm.

ordnance science and technology；planar micro-spring；micro-electroforming；fatigue property；orthogonal experiment

TQ153.4

A

1000-1093（2016）07-1252-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.07.013

2015-11-05

江苏省自然科学基金项目（BK20151489）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（30920140112008）；上海航天科技创新基金项目（SAST2015044）

Cao Quoc Dinh（1990—），男，硕士研究生。E-mail:gaoguoding90@gmail.com；

张新平（1975—），男，教授，博士生导师。E-mail:xpzhang@njust.edu.cn