太赫兹腔体滤波器电化学加工技术研究

2022-01-13曾永彬缪卓伟

电加工与模具 2021年6期

刘星，曾永彬，缪卓伟

（ 1. 南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016；2. 东南大学信息科学与工程学院，江苏南京 210096 ）

太赫兹波是一种波长在0.03~3 mm、频率在0.1~10 THz 之间的电磁波，频率范围介于微波（0.3~300 GHz）和红外光之间，该频段赋予太赫兹波多种特性。太赫兹研究主要集中在 0.1~10 THz 频段，这是一个覆盖广泛且性质特殊的频谱区域[1-2]。

太赫兹波集成了微波通信与光通信的优点，同时表现出一些优良特性。相比较于微波通信，太赫兹通信的传输容量大[3-4]、波束更窄、方向性更好、有更好的保密性和抗干扰能力[5-6]；相比较于光通信，太赫兹波的能量效率更高，具有很好的穿透沙尘烟雾的能力[7]。正是由于具有以上特性，太赫兹波应用也开始渗透到很多方面，如生物成像、太赫兹波谱快速检测、高速通信、穿墙雷达等[8]。

滤波器是电子系统的核心器件之一，用于滤除环境噪声和不需要的频率成分，以提高系统性能[9]。太赫兹腔体滤波器是完全的金属闭合结构，避免了电磁辐射和介质损耗，不需要考虑封装问题，相比于其他类型的滤波器有高Q 值、低插损、功率容量大等特点[10-11]。针对太赫兹滤波器的加工，国内外学者提出了多种方法，但大多针对1 THz 以下的频率。 Kirby 等[12]采用DRIE 工艺在硅基质镀金制造了功率在400 GHz 的感性窗耦合结构四阶滤波器，其端面尺寸为 635 μm×317.5 μm，长度为 11.8 mm。Shang 等[13-14]利用SU-8 厚膜工艺研制了功率分别为293、671 GHz 的太赫兹滤波器，得到的插入损耗小于5 dB。谢善谊[15]采用硅晶体微机械加工技术制造了一个功率为380 GHz 的六阶膜孔耦合带通滤波器，其端面尺寸为 508 μm×254 μm，长度为 5 mm。对于更高工作频率的太赫兹滤波器，尺寸要求更严格，加工精度要求更高。例如工作频率为1 THz 太赫兹腔体滤波器的腔体端面尺寸要求（127±1） μm×（254±2） μm，表面粗糙度要求≤Ra0.4 μm，圆角半径要求≤5 μm；由于太赫兹腔体滤波器的主要性能与腔体内膜片的厚度、垂直度以及金层的厚度、表面粗糙度都有关系[16]，因此太赫兹腔体滤波器的加工制造有很大的难度，直接限制了太赫兹腔体滤波器的应用。

电化学加工技术是基于电化学原理实现以离子形式去除工件材料，由于离子的尺度为0.1 nm，因此，电化学加工技术在微细制造，以至于纳米制造领域有着很大的发展潜能[17]。基于电化学加工技术，本文提出一种制备太赫兹腔体滤波器的方法，首先采用微细电解线切割的方法制备牺牲芯模，然后在芯模上电镀相应材料，最后去除芯模得到端面和内腔形貌良好的滤波器。与传统的加工技术相比，采用牺牲芯模法制造出的太赫兹滤波器是整体式腔体结构，不需要考虑封装问题，内腔表面尺寸更容易控制。

1 工艺方案

图1 是WR1.0 太赫兹腔体滤波器为的制造路线，具体步骤如下：①微细电解线切割加工镍牺牲芯模；②在镍芯模表面电镀金；③固封在环氧树脂里并磨去两端进行选择性溶解。

采用此种工艺加工太赫兹腔体滤波器有如下优点：

（1）采用牺牲芯模方法制备的太赫兹腔体滤波器是整体式的，与采用键合法相比，不需要考虑封装问题，整体性更好。

（2）由于滤波器腔体内部的表面粗糙度会影响插入损耗，而采用牺牲芯模的方法加工太赫兹腔体滤波器时，镀金层可以复制镍芯模的表面，内腔金层的表面粗糙度由原始镍芯模的粗糙度来保证。

（3）采用微细电解线切割方法加工牺牲芯模，尺寸精度高、无重铸层，可保证蚀除芯模后滤波器腔体有很好的尺寸精度和表面粗糙度。

（4）牺牲芯模的材料选用镍，其具有优异的强度与延展性，不易变形弯曲且化学性质稳定，便于后续的电镀金及选择性溶解试验。

2 试验过程

2.1 镍牺牲芯模微细电解线切割加工

该试验以厚度0.125 mm、尺寸4 mm×20 mm、纯度99.98%的纯镍片为工件，以摩尔浓度0.1 mol/L的HCl 溶液作为电解液，线电极轴向往复振动传质，其振幅为0.125 mm，振速为0.5 mm/s，切割工艺参数见表1。

表1 微细电解线切割工艺参数表

按照表1 的参数加工工件，最终可制得滤波器镍牺牲芯模，其局部细节见图2。可见，镍芯模尺寸芯模良好，边缘轮廓清晰，长度尺寸为1558.1 μm，端面尺寸为 124.8 μm×254.2 μm，微缝缝宽平均值为25 μm 左右，尺寸精度较高。经过粗糙度轮廓仪测得，镍芯模的表面粗糙度均值为Ra0.2389 μm，侧壁粗糙度均值为 Ra0.1173 μm，满足≤Ra0.4 μm 的粗糙度要求。

图2 局部细节图

2.2 镍芯模微缝电镀金试验

在镍芯模微缝电镀金试验中，阳极采用不溶性的镀铂钛网，阴极为经过微细电解线切割后的镍芯模图形（其上有四条平均宽度25 μm 左右，长度分别为 25、50、75、100 μm 的微缝），厚度为 125 μm，具体如图3 所示。

图3 阴极镍芯模图形

以直流电源为电镀电源，采用阴极旋转及转子搅拌溶液的方法来加强传质，镀金液采用4~5 g/L的柠檬酸金钾作为主盐，使用氢氧化钾和柠檬酸将溶液 pH 值调节至 4.0±0.1。

电镀工艺中，阴极的电流密度对于镀层的厚度、微观形貌及表面粗糙度等方面具有较大影响。图4 是电镀的仿真结果，由于微缝内电场分布不均匀，微缝侧壁上各处的电场强度随着其与微缝底部之间的距离d 增加而增大，微缝开口处电场强度最大，微缝底部电场强度最小。

图4 微缝处镀金形貌仿真

随着电镀的进行，微缝开口处先被镀金层填满，此时距离开口较远处微缝侧壁未被镀金层填满，而形成一个内部封闭的空穴，空穴内部由于没有电镀液交换，电镀反应停止，内部侧壁镀金层的厚度s 不再发生变化。随着电流密度的增大，微缝内部侧壁电场强度也随着增大，单位时间金的沉积速率增大，导致微缝侧壁开口处封闭的时间也随之缩短，所形成的内部封闭的空穴随着电流密度增大而增大，内部侧壁镀金层平均厚度Δs 随着电流密度的增大而减小，如图4b、4c 所示。

表2 是电镀试验参数，研究不同电流密度下的电镀效果。由于镀层的平均厚度与电流密度成正比，为了保证镀金层镀满微缝并在不同的电流密度下获得相同的电镀层厚度，以电流密度为0.5 A/dm2时电镀时间选为2.5 h 作为参照，以确定其他电流密度下的电镀时间，得到不同电流密度下微缝表面镀金层及芯模厚度的中间剖面位置微缝处镀金层的形貌如图5 所示。

表2 电镀试验参数

由图5 可知，当电流密度变化时，镍表面镀金层的晶粒大小及不同长度微缝处的镀金层形貌均有所差异。当电流密度仅0.5 A/dm2时，不同长度的微缝处都被金填满，镀层均匀且无明显缺陷；随着阴极电流密度的增加至1.0 A/dm2，阴极极化增强，晶核的形成速率加快，金在微缝侧壁与表面相交的尖端部分沉积速度加快，此时开始出现未镀满的微缝；随着电流密度进一步增大至2.0 A/dm2时，不同长度的微缝处镀金层出现较大的缝隙，镀层形貌不规则，镀层均匀性较差。

用7000 目砂纸细磨表面镀金层，磨去60 μm至镍芯模厚度的一半时，每个电流密度下不同长度的微缝处均出现未镀满的空穴，且随着电流密度的增加而增大，如图5b 所示；同时，侧壁镀金层的平均厚度随着电流密度的增大而减小，当电流密度0.5、1.0、2.0 A/dm2时，微缝侧壁的镀金层平均厚度Δs 分别为 11.16、8.35、6.43 μm，均满足厚度要求。通过试验，结果与仿真结果基本吻合，即随着电流密度的增大，单位时间内阴极电沉积金的速率增大，微缝侧壁开口处封闭的时间也随之缩短，微缝内部所形成未镀满的封闭空穴增大，侧壁的镀金层的平均厚度减小。综上所述，电流密度应尽量小。

图5 电流密度对微缝处镀金层形貌的影响

采用表2 中的电镀试验参数，电流密度选择0.5 A/dm2，对图2 中经过微细电解线切割的滤波器镍芯模进行电镀金实验。由于滤波器芯模长宽比大、刚度低，后续的超声溶解过程中，超声功率大容易破坏腔体，所以电镀时间选择5 h，以确保溶解过程中的滤波器腔体有足够的刚度，得到图6 电镀金后的局部图，最终表面镀金层厚度达到31.78 μm。

图6 镀金后局部图

2.3 镍芯模的溶解

在柠檬酸金钾溶液中电镀金层到一定厚度后，得到固封在环氧树脂中并磨开含有牺牲芯模的滤波器端面见图7。由于环氧树脂不导电，电镜图中由外而内可见结构分别为镍层、金层，可见镍层与金层轮廓清晰、分界线明显，镍表面镀金层厚度均匀。

图7 滤波器端面结构图

将样品放入蚀刻剂TFG 中，施加频率60 kHz、功率120 W 的超声波，维持在60 ℃的溶解温度，以1 h 为一个溶解周期，设置连续超声时间为30 min，超声结束后保持60 ℃恒温30 min，然后依此设定，每24 h 更换一次溶解液，溶解48 h 即可溶通。图8是溶通后的太赫兹腔体滤波器的端面，端面尺寸为125.1 μm×254.3 μm。