基于初次電流分布的電解微刻蝕均勻性研究

韋鴻鈺，郭鐘寧，王 冠

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機電工程學院，廣東廣州510225；2.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

基于初次電流分布的電解微刻蝕均勻性研究

韋鴻鈺1,2，郭鐘寧2，王 冠2

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機電工程學院，廣東廣州510225；2.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

在電解刻蝕中，陽極表面的電流密度由裝置的幾何尺寸、加工參數(shù)、極化情況等決定，其中，幾何要素決定加工間隙的初次電流密度分布，主要影響刻蝕結(jié)果。采用有限單元法數(shù)值模擬不同尺寸陰極、輔助電極、加工間隙等對加工區(qū)域初次電流分布的影響，確定了均勻性隨各幾何因素的變化趨勢。

電解微刻蝕；電流密度；均勻性

電解微刻蝕是在電解加工與光刻技術的基礎上發(fā)展起來的新的微細加工技術，是基于光刻工藝和電化學陽極溶解的原理，利用光刻膠在待加工工件表面制備所需圖案的遮蔽層，然后采用電解方法去除未被保護的材料[1-2]。電解刻蝕工藝與化學刻蝕工藝類似，不同的是化學刻蝕采用強腐蝕性刻蝕劑，且反應不易控制；而電解刻蝕所采用的電解液是中性的鹽溶液，且反應可通過陰陽極間的電場來控制[3-4]。

電解刻蝕過程受電場、流場、溫度場等多種因素的影響，其中，電場起決定性作用。而加工區(qū)域的電場主要由裝置幾何因素決定，由于電場分布不均勻，在電解刻蝕過程中會產(chǎn)生邊緣效應，采用輔助電極可改善加工區(qū)域的電場分布[5]。電解刻蝕裝置的幾何尺寸往往需通過實驗選取，費時費力。而采用有限單元法數(shù)值模擬加工區(qū)域的電場分布，分析不同幾何要素對加工區(qū)域電流密度分布的影響，將為電解刻蝕裝置及輔助電極設計提供理論指導。

1 電解刻蝕裝置電場分布

圖1a是典型的電解刻蝕裝置結(jié)構(gòu)剖面圖，圖中的細實線為加工區(qū)域的電場分布情況。為了更明顯地表達邊緣效應，這里采用沒有掩模圖層的陽極進行模擬，這也適用于有掩模圖案的情況。陰陽兩極之間充滿電解液，構(gòu)成離子傳輸路徑，加工區(qū)域的電場分布主要由工具、工件及加工間隙的幾何尺寸決定。在電解刻蝕過程中，金屬離子的電遷移是按電力線的排布進行的。由圖1a可見，電極邊緣區(qū)域的電力線排列較密集，反應速度快；而中央電力線排列較稀疏，反應速度慢。因此，邊緣區(qū)域比中心

區(qū)域刻蝕深度大，這就是電解刻蝕的邊緣效應。

為了克服邊緣效應的影響，常常在工件電極的周圍增加一輔助電極來改善被刻蝕區(qū)域的均勻性。圖1b是增加輔助電極后的電解刻蝕裝置剖面圖。由圖1b所示的電力線分布可見，電力線密集的地方主要集中在輔助電極上，而工件電極上的電場相對變得較均勻。

圖1 電解刻蝕裝置剖面圖

2 數(shù)值分析模型

為了研究電解刻蝕裝置的幾何參數(shù)對電場分布的影響，采用有限單元法對其進行數(shù)值模擬[6-7]。由于電解刻蝕裝置為軸對稱結(jié)構(gòu)，為了減小計算量，建立半加工區(qū)域的數(shù)學模型（圖2）。其中，工件尺寸R為4 mm，其余邊界（如：工具尺寸L、絕緣材料寬度P、輔助電極寬度W、加工間隙尺寸D）為仿真要研究的參數(shù)，它們共同組成了封閉區(qū)域Q。

圖2 電解刻蝕裝置數(shù)值模型

模擬電解刻蝕過程的本質(zhì)就是求出加工過程中陽極工件表面任一點在任意瞬間的電解速度。由法拉第定律可知，工件各位置在任意時刻的電解加工速度為：

式中：va為刻蝕速度；η為電流效率；ω為體積電化學當量；i為電流密度。

根據(jù)歐姆定律可知，電解液中任一點的電流密度可表示為：

式中：k為溶液的電導率；φ為電場中各點的電位。

由上述模型可得區(qū)域Q內(nèi)任意點的電勢及電流密度，并求出工件各點的刻蝕速度，進而得到最終的刻蝕輪廓結(jié)果。為了評價電解刻蝕的均勻性，定義刻蝕深度的均方差為刻蝕不均勻度，即：

式中：hi為任一點的刻蝕深度；hˉ為平均刻蝕深度，hˉ=

本仿真的主要參數(shù)如下：陰極電壓UC=0 V，陽極電壓UA=5 V，輔助電極電壓UAUX=5 V，電解液電導率k=12.5 S/m，加工時間t=10 s。

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 陰極尺寸對均勻性的影響

圖3a是當其他條件不變，只改變工具電極尺寸時，陽極表面的電流密度分布情況?？煽闯觯旉帢O尺寸小于陽極尺寸時，刻蝕區(qū)域邊緣的電流密度明顯低于中心區(qū)域的電流密度。隨著陰極尺寸的增加，陽極邊緣的電流密度開始增大；當陰極尺寸略大于陽極尺寸時，電流密度分布較均勻；但隨著陰極尺寸的繼續(xù)增大，陽極邊緣的電流密度基本不再變化。這是由于陽極表面的電場主要受其附近區(qū)域的電極影響，當陰極達到一定尺寸后，再繼續(xù)增加的電極面積距離工件表面較遠，故對陽極表面的影響基本可忽略。圖3b是陰極尺寸變化與電解刻蝕均勻性的關系，可看出，當陰極尺寸（L=4.5 mm）略大于陽極尺寸時，刻蝕不均勻度最??；而隨著陰極尺寸的繼續(xù)增加，工件的刻蝕不均勻度變化不大。

3.2 加工間隙對均勻性的影響

圖4a是當其他條件不變，只改變加工間隙的大小時，陽極表面的電流密度分布情況?？煽闯觯敿庸らg隙較小時（D=0.1 mm），邊緣的電流密度低于中心區(qū)域的電流密度；而隨著加工間隙的增大，邊緣的電流密度與中心區(qū)域的電流密度相當；當加工

間隙繼續(xù)增大（D=0.5 mm），出現(xiàn)邊緣的電流密度高于中心區(qū)域的電流密度。由圖4b可看出，隨著加工間隙的增加，不均勻度先減小、后增大。因此，針對特定條件，可通過仿真尋找最優(yōu)加工間隙。

圖3 陰極尺寸對均勻性的影響

圖4 加工間隙對均勻性的影響

3.3 輔助電極對均勻性的影響

圖5和圖6是當其他條件不變，只改變輔助電極寬度及其與工件絕緣間隙尺寸時，陽極表面的電流密度分布情況。如圖5a所示，W=0 mm表示未采用輔助電極的情況，此時，工件邊緣的電流密度明顯高于中心區(qū)域；而采用輔助電極后，電流密度分布則明顯改善；當輔助電極的寬度與加工工件的半徑尺寸相等時（W=4 mm），電流密度均勻性最好，圖5b所示的刻蝕不均勻度最小。

圖5 輔助電極寬度對均勻性的影響

由圖6a可看出，當絕緣間隙較小時，電流密度的均勻性較好；隨著絕緣間隙的增大，電流密度的均勻性變差。這主要是由于當絕緣間隙較小時，輔助電極能將工件邊緣區(qū)域的電流分走一部分，這樣就會使邊緣的電流密度降低，進而接近中心區(qū)域的電流密度；而當絕緣間隙增大時，輔助電極分走邊緣電流的作用被逐漸削弱，因而仍存在邊緣電流密度高于中心區(qū)域電流密度的現(xiàn)象。由圖6b也可看出，輔助電極與工件電極間的距離越小，電解刻蝕的均勻性越好。

圖6 絕緣間隙對均勻性的影響

4 結(jié)論

（1）陰極尺寸對電解刻蝕均勻性的影響顯著。當陰極尺寸小于陽極尺寸時，電解刻蝕均勻性較差；當陰極尺寸略大于陽極尺寸時，電解刻蝕均勻性較好；繼續(xù)增大陰極尺寸，對改善電解刻蝕均勻性不起作用。

（2）針對特定的電解刻蝕裝置，存在最優(yōu)的加工間隙，使之能獲得最小的不均勻度。

（3）采用輔助電極能較好地改善電解刻蝕均勻性。輔助電極的尺寸及其與工件電極間的絕緣距離對電解刻蝕均勻性都有影響。絕緣間隙越小，刻蝕均勻性越好；輔助電極的寬度與工件電極的半徑相等時，刻蝕均勻性最好。

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[7] 尹飛鴻.有限元法基本原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2010.

Research on Electrochemical Micro-etching Uniformity Based on the First Current Distribution

Wei Hongyu1,2，Guo Zhongning2，Wang Guan2
（1.Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China；2.Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

In electrolytic etching，the current density at the anode surface is determined by the geometry of the apparatus，processing parameters and polarization conditions etc..Geometric elements determine the initial current density distribution in machining gap，which mainly affects the etching results.Numerical simulation of finite element method is used to study the effects of different sizes of cathode，auxiliary electrode and machining gap on the initial current density distribution，and the variable tendency of uniformity with various geometrical factors is attained.

electrochemical micro-etching；current density；uniformity

TG662

A

1009－279X（2014）03－0048-03

2013-11-28

國家自然科學基金重點資助項目（U1134003）；國家青年科學基金資助項目（51205066）

韋鴻鈺，女，1980年生，博士研究生、講師。