一种用于提高微注塑模具厚度均匀性的电铸装置及方法

1.本发明涉及微制造技术领域，特别涉及一种用于提高微注塑模具厚度均匀性的电铸装置及方法。


背景技术：

2.随着微流控芯片需求的与日俱增，微注射成型技术已经越来越多地出现在微纳科学技术论坛和重大商业展会上，预示其广泛的市场前景。微电铸由于具有操作简单、复制精度高、没有切削力、刀具磨损和热能对工件表面的影响，被广泛用于制作微注塑模具。但是电铸技术也有固有的一些问题，比如电场在铸层边缘的集中使得铸层中间区域厚度与边缘厚度不一致，严重时铸层边缘会形成“边缘瘤”导致电铸无法正常。
3.围绕这一问题，目前提出了许多解决办法，较为常见的有优化工艺参数，辅助阴极和阳极、绝缘屏蔽挡板、超声和兆声、脉冲反向电流等。影响铸层不均性的因素很多，其中电场在阴极表面的分布不均是最为直接的原因，绝缘屏蔽挡板由于具有优化电场分布的特点，常被用于提高铸层厚度均匀性。中南大学马鑫等人通过优化屏蔽挡板尺寸大小将1.5mm厚铸层均匀性由33％提高到87％(电镀与环保，2014,34(05):8-11)，河南理工大学明平美团队采用回形屏蔽挡板获铸层厚度75um均匀性91.5％(兵工学报，2016,37(6):7)。
4.目前采用的屏蔽挡板方案，不足以同时兼顾厚度和均匀性，屏蔽挡板的采用尤其是当屏蔽挡板距离阴极距离过近时，会严重影铸层边缘的液体的扰动，造成铸层表面氢气排出困难，造成气泡麻点等缺陷，此外要使屏蔽挡板的屏蔽能力充分发挥，要尽可能使电场线从屏蔽挡板开孔处穿过。


技术实现要素：

5.本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种阴极夹具侧边封液与屏蔽挡板相结合的方案，用于优化整个铸层的电场分布，提高铸层的厚度均匀性，同时采用斜度冲液与阴极旋转相结合的方式增强液体扰动，消除电铸过程铸层表面析出的气泡，提高微结构复制质量。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种用于提高微注塑模具厚度均匀性的电铸装置，包括电铸模块、电铸液温度控制模块、阴极旋转控制模块；
7.所述电铸模块包括电铸槽和阴极夹具，所述阴极夹具用于固定阴极，所述电铸槽内装有电铸液、以及与所述阴极对应的阳极，所述阴极夹具设置侧边封液槽以及屏蔽挡板，所述侧边封液槽用于抑制铸层阴极的边缘效应，所述电铸槽内设置冲液口，所述冲液口对准所述屏蔽挡板的通孔以及阴极，并使电铸液冲击所述阴极；
8.所述阴极旋转控制模块用于控制所述阴极夹具旋转；
9.所述电铸液温度控制模块用于控制所述电铸槽内电铸液的温度。
10.进一步地，所述冲液口相对于所述阴极倾斜设置，以倾斜冲液。
11.进一步地，所述阴极夹具包括上阴极板与下阴极板，所述阴极位于所述上阴极板
与所述下阴极板之间，同时还布设有导电圈、支撑垫片、微型弹簧、o型密封圈，所述导电圈与所述阴极接触用于对阴极供电，所述微型弹簧设置在所述下阴极板的第一环形槽内，并与所述导电圈接触，用于将所述导电圈与阴极压紧，所述支撑垫片位于所述阴极与所述上阴极板之间，用于防止所述阴极在挤压过程中断裂，所述下阴极板的中心开设通孔，所述o型密封圈设置在所述下阴极板的第二环形槽内，并与所述阴极的下表面接触形成密封，所述o型密封圈与所述阴极、所述下阴极板形成侧边封液槽。
12.进一步地，所述上阴极板还开设有导线孔，所述导电圈连接的导线从所述导线孔引出。
13.进一步地，所述屏蔽挡板包括屏蔽挡板固定件与屏蔽挡板拆装件，所述屏蔽挡板固定件通过螺栓安装在所述电铸槽内，所述屏蔽挡板拆装件与屏蔽挡板固定件嵌套配合，所述屏蔽挡板固定件、所述屏蔽挡板拆装件均设置有通孔。
14.进一步地，所述屏蔽挡板固定件的安装距离能够调节，所述屏蔽挡板拆装件具有多种规格。
15.进一步地，所述阴极旋转控制模块包括旋转轴，所述旋转轴转动设置在支撑板上，且所述旋转轴的两端分别连接所述阴极夹具的上阴极板以及联轴器，所述联轴器与步进电机连接；
16.所述旋转轴上设置导电滑环，所述导电滑环用于与所述阴极夹具的线路连接；
17.所述支撑板与支撑板驱动机构连接，所述支撑板驱动机构机构用于驱动所述支撑板运动，以使所述阴极夹具与所述电铸槽对接或离开。
18.进一步地，还设置电铸液循环过滤模块，所述电铸液循环过滤模块包括法兰转接件、循环管、磁力泵、过滤器，所述法兰转接件用于所述循环管与所述冲液口的连接，所述磁力泵、所述过滤器等均设置在循环管上。
19.进一步地，还设置电铸液温度控制模块，所述电铸液温度控制模块包括水浴槽、u型加热管、继电器、温度传感器以及温度控制器，所述u型加热管、所述温度传感器均布设在所述水域槽内，所述温度控制器与所述温度传感器电性连接，用于接收所述温度传感器的信号，所述继电器用于控制所述u型加热管加热，所述电铸槽固定在所述水浴槽上。
20.进一步地，还包括ph监测模块、散热模块、清洗模块以及给电模块；
21.所述ph监测模块包括ph检测器、复合电极连接件以及复合电极，所述复合电极安装在所述复合电极连接件中，所述复合电极连接件的两端与所述循环管相连，所述复合电极与所述ph检测器电性连接；
22.所述散热模块包括数个散热风扇，所述散热风扇用于散热降温；
23.所述清洗模块包括超声清洗机，所述超声清洗机用于超声清洗所述阴极以及产物；
24.所述给电模块包括电源开关面板，所述电源开关面板用于电源开关控制。
25.本发明还提供了一种用于提高微注塑模具厚度均匀性的电铸方法，包括光刻步骤和电铸步骤，光刻步骤包括制作掩膜版、硅基底上旋涂光刻胶、曝光、显影、深等离子刻蚀、清洗，形成带有微结构的硅片，对带有微结构的硅片进行导电化处理，具体为在磁控溅射仪或蒸发镀膜仪中先镀一层5-10nm的cr或者ti作为粘结层，然后再镀一层30-50nm的au、pt作为导电层，形成阴极；
26.电铸步骤包括将处理后的阴极安装在阴极夹具中，打开水浴槽加热开关，在温度控制器设置水浴温度为45摄氏度，打开电源开关设置电源参数，根据需要更换冲液口，调整屏蔽挡板固定件距离下阴极板的距离以及屏蔽挡板拆装件的大小，在阴极夹具中安装的阴极表面滴入润湿剂、连接阴极电源线，随后添加电铸液使得电铸液完全淹没阴极夹具，开启循环过滤模块，并打开阴极旋转控制器控制阴极旋转；
27.运行一段时间后开启电源开关给阴极、阳极通电，最后盖合电铸槽和水浴槽的上盖等待电铸结束，拆卸阴极夹具并取出铸层与阴极的整体，在超声清洗机清洗，随后使用线切割机去除边缘2mm宽的无结构部分，随后将铸层和阴极放在naoh溶液中溶解分离，分离之后将铸层再次放入超声清洗机清洗，最后用氮气吹干表面。
28.本发明的上述方案有如下的有益效果：
29.本发明提供的用于提高微注塑模具厚度均匀性的电铸方案，采用侧边封液的夹具抑制阴极边缘电场，以及斜冲液与阴极旋转相结合的方案增强液体扰动，在近阴极绝缘屏蔽挡板及具有侧边封液的夹具的共同作用下，可以实现铸层高均匀性沉积，在斜冲液与阴极旋转的作用下可以获得复制精度高、微结构无孔隙缺陷、铸层表面光洁无气泡的高厚度均匀性注塑镍模具；
30.本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
31.图1为本发明的整体结构三维示意图；
32.图2为本发明的整体结构俯视图；
33.图3为本发明的整体结构后视图；
34.图4为本发明的阴极夹具示意图；
35.图5为本发明支撑板驱动机构示意图；
36.图6为采用本发明制备的模具样品图。
37.【附图标记说明】
38.1-电铸槽；2-阴极夹具；3-上阴极板；4-下阴极板；5-阴极；6-导电圈；7-支撑垫片；8-微型弹簧；9-o型密封圈；10-导线孔；11-冲液口；12-阳极；13-屏蔽挡板；14-屏蔽挡板固定件；15-屏蔽挡板拆装件；16-同轴定位件；17-法兰转接件；18-循环管；19-磁力泵；20-过滤器；21-水域槽；22-u型加热管；23-继电器；24-温度传感器；25-温度控制器；26-旋转轴；27-支撑板；28-联轴器；29-步进电机；30-外壳；31-阴极旋转控制器；32-驱动器；33-轴承支座；34-导电滑环；35-支撑架；36-第一铰接件；37-微型液压支撑杆；38-第二铰接件；39-第三铰接件；40-ph检测器；41-复合电极连接件；42-复合电极；43-散热风扇；44-超声清洗机；45-电源开关面板。
具体实施方式
39.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所
涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.如图1-图3所示，本发明的实施例提供了一种用于提高微注塑模具厚度均匀性的电铸装置，包括电铸模块、电铸液温度控制模块、阴极旋转控制模块、ph监测模块、电铸液循环过滤模块、散热模块、给电模块、清洗模块等。
43.电铸模块包括电铸槽1和阴极夹具2。同时如图4所示，阴极夹具2包括上阴极板3与下阴极板4，上阴极板3与下阴极板4之间具有间隙，用于夹持阴极5。为保证电铸作业，间隙处还布设有导电圈6、支撑垫片7、微型弹簧8、o型密封圈9等。具体地，导电圈6与阴极5接触用于对阴极5供电，微型弹簧8设置在下阴极板4的第一环形槽内，并与导电圈6接触，以将导电圈6与阴极5压紧确保紧密接触。支撑垫片7位于阴极5与上阴极板3之间，用于支撑、防止阴极5在挤压过程中断裂。上阴极板3与下阴极板4的外侧还设置密封垫片，用于将上阴极板3与下阴极板4的外侧密封。下阴极板4的中心开设通孔，为防止电铸液从下阴极板4的通孔进入阴极夹具2的间隙内，o型密封圈9设置在下阴极板4的第二环形槽内，并与阴极5下表面接触，形成密封。同时，o型密封圈9还能够与阴极5、下阴极板4形成一定尺寸的侧边封液槽，用于抑制阴极5铸层的边缘效应，实现高厚度电成型。
44.其中，上阴极板3还开设有导线孔10，导电圈6连接的导线从导线孔10引出并与电源相连，以对阴极5持续供电。
45.电铸槽1内装有电铸液，电铸液能够从下阴极板4的通孔进入并与阴极5下表面接触(o型密封圈9区域内)，本实施例中采用冲液口11喷射的方式。
46.同时，电铸模块还包括45度设置的阳极12，其采用悬挂的方式安装在电铸槽1上。30度设置的冲液口11可以采用3d打印成型的方式获得，通过螺栓连接在电铸槽1上，冲液口11的出口形状、大小可根据实际电铸需求进行更换，通过冲液的方式消除铸层表面因析氢产生的气泡。
47.电铸模块还包括屏蔽挡板13，屏蔽挡板包括屏蔽挡板固定件14与屏蔽挡板拆装件15。其中，屏蔽挡板固定件14通过螺栓安装在电铸槽1内，屏蔽挡板拆装件15与屏蔽挡板固定件14采用嵌套的方式紧密配合，且屏蔽挡板拆装件15具有多种规格，用于更换、改变屏蔽挡板13的尺寸。另外，屏蔽挡板13与下阴极板4的间距也可以调节，依靠长条形的螺栓孔使螺栓在不同位置固定屏蔽挡板固定件14而完成调整，屏蔽挡板13距离下阴极板4最小可为1mm。可以理解的是，屏蔽挡板固定件14、屏蔽挡板拆装件15同样都开设有通孔，且与下阴极板4的通孔对应。在屏蔽挡板13作用下，电场只存在于屏蔽挡板13中间的通孔处。进一步地，
还设置同轴定位件16，其用于保证屏蔽挡板拆装件15、下阴极板4、阴极上板3的圆心在同一直线上。其中，同轴定位件16、屏蔽挡板固定件14等均与屏蔽挡板安装架连接，屏蔽挡板安装架位于电铸槽1内并与电铸槽1连接。
48.电铸液循环过滤模块包括法兰转接件17、循环管18、磁力泵19、过滤器20等，其中法兰转接件17用于循环管18与冲液口11的连接，磁力泵19、过滤器20等均设置在循环管18上，循环系统中电铸液由电铸槽1流出，依次经过磁力泵19、过滤器20，最终由冲液口11喷出。作为优选，循环过滤精度为5um，可有效过滤阳极泥以各种杂质，实现铸层表面的光洁沉积。
49.在本实施例中，电铸液温度控制模块包括水浴槽21、u型加热管22、继电器23、温度传感器24以及温度控制器25。其中，u型加热管22、温度传感器24均布设在水域槽21内，温度控制器25与温度传感器24电性连接，用于接收温度传感器24信号获得水温，并通过继电器23控制u型加热管22加热来调控水温。电铸槽1固定在水浴槽21上并由水浴槽21加热到所需温度。
50.在电铸过程中阴极夹具2需要持续旋转，通过阴极旋转控制模块驱动完成。具体到本实施例中，阴极旋转控制模块包括旋转轴26，旋转轴26转动设置在支撑板27上，且两端分别连接阴极夹具2的上阴极板3与联轴器28，联轴器28与步进电机29连接以将步进电机29输出传递至旋转轴26，步进电机29同样设置在支撑板27上。支撑板27整体通过外壳30密封旋转轴26、步进电机29等结构。还设置阴极旋转控制器31、驱动器32等，阴极旋转控制器31给驱动器32输入控制程序来控制步进电机29的旋转，最终实现对阴极5转动的控制。
51.另外，支撑板27上还设置轴承支座33，用于对旋转轴26旋转支撑，进一步提升旋转轴26的稳定性。
52.由于阴极夹具2需要通过导线对阴极5供电，导线依靠上阴极板3的导线孔10引出，而在电铸过程中上阴极板3是持续旋转的，因此本实施例中旋转轴26还设置导电滑环34，其包括旋转部分与固定部分，上阴极板3的导线与旋转部分连接，固定部分与电源连接，以在保证供电的情况下使导线能够顺利布置，不会受旋转妨碍。
53.在本实施例中，支撑板27能够进行运动，以使旋转轴26末端的阴极夹具2能够准确进入电铸槽1并与屏蔽挡板13对接，而换料时能够从电铸槽1中移出，因此设置支撑板驱动机构。同时如图5所示，支撑板驱动机构包括支撑架35、第一铰接件36、微型液压支撑杆37、第二铰接件38和第三铰接件39。其中支撑架35固定设置，支撑板27的一端与支撑架35通过第一铰接件36铰接，微型液压支撑杆37的固定端与支撑架35通过第二铰接件38铰接，微型液压支撑杆37的伸缩端与支撑架35通过第三铰接件39铰接，因此能够驱动支撑板27绕支撑架35旋转，调整阴极夹具2的位置。由于屏蔽挡板13、阳极12等均为45度设置，因此当阴极夹具2调整为45度倾斜时，能够与屏蔽挡板13、阳极12等对接，且保证同轴。
54.在本实施例中，ph监测模块包括ph检测器40、复合电极连接件41以及复合电极42。其中复合电极42通过螺栓安装在复合电极连接件41中，复合电极连接件41的左右两端与循环管18相连，安装在此位置的复合电极42可以避免电铸过程中电场对测量精度的干扰，在ph检测器40的信号转换下实现循环系统的ph值实时在线监测，获取相应实验数据。
55.在本实施例中，散热模块包括数个不同大小的散热风扇43，用于给磁力泵19、步进电机29以及各种仪表板降温，保证设备能够长时间运转。
56.在本实施例中，清洗模块包括超声清洗机44，通过超声清洗机44方便对阴极5等的电铸前处理以及电铸产品的后处理。给电模块包括电源开关面板45，其负责各个模块的电源开关控制。
57.基于同一发明构思，本实施例还提供了一种利用上述装置提高微注塑模具厚度均匀性的电铸方法，主要包括光刻与电铸两个步骤。其中光刻包括制作掩膜版、硅基底上旋涂光刻胶、曝光、显影、深等离子刻蚀、清洗，形成带有微结构的硅片。在上述基础上在对带有微结构的硅片进行导电化处理，具体为在磁控溅射仪或蒸发镀膜仪中先镀一层5-10nm的cr或者ti作为粘结层，然后再镀一层30-50nm的au、pt作为导电层，形成阴极。
58.处理后的阴极安装在阴极夹具中，打开水浴槽加热开关，在温度控制器设置水浴温度为45摄氏度，打开电源开关设置电源参数1a/dm
2-2h、2a/dm
2-2h、4a/dm
2-10h，根据需要更换冲液口，调整屏蔽挡板固定件距离下阴极板的距离以及屏蔽挡板拆装件的大小，在阴极夹具中安装的阴极表面滴入润湿剂、连接阴极电源线。随后添加电铸液使得电铸液完全淹没阴极夹具，开启循环过滤模块，并打开阴极旋转控制器控制阴极旋转。
59.运行2min后开启电源开关给阴极、阳极通电，最后盖合电铸槽和水浴槽的上盖等待电铸结束，拆卸阴极夹具并取出铸层与阴极的整体，在超声清洗机清洗，随后将铸层和阴极放在naoh溶液中溶解分离，分离之后将铸层再次放入超声清洗机清洗，最后用氮气吹干表面。
60.通过上述工艺获得的铸层复制精度高、微结构无孔隙缺陷、铸层表面光洁无气泡，铸层1mm厚时均匀性可达95％，铸层2mm厚时均匀性可达85％，如图6所示。
61.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。