為解決微流控芯片模具在微電鑄工藝中鑄層與基底結(jié)合力差的問題，在光刻工藝的基礎(chǔ)上，采用掩膜電化學(xué)刻蝕和微電鑄相結(jié)合的方法，制作出了結(jié)合力較好的鎳基雙十字微流控芯片模具。針對掩膜電化學(xué)刻蝕的工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，選定了制作微流控芯片模具的最佳工藝參數(shù)，解決了酸洗引起膠膜脫落失效、刻蝕引起側(cè)蝕等問題。使用剪切強(qiáng)度表征界面結(jié)合強(qiáng)度，運(yùn)用剪切法測量了微電鑄層與基底的剪切強(qiáng)度，定量分析了酸洗工藝和刻蝕工藝的參數(shù)對界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，酸洗 20s 后電鑄層與基底的剪切強(qiáng)度相對于直接電鑄提高了98.5%，刻蝕 5min 后剪切強(qiáng)度提高了 203.6%?？涛g 5min 后的剪吧層與基底的界面結(jié)合強(qiáng)度，延長微流控芯片模具的使用壽命。

自 20 世 紀(jì)90年代以來，微流控芯片因其在DNA分析、疾病診斷、分子篩選和免疫學(xué)測定等方面的廣闊應(yīng)用前景而得到了迅猛的發(fā)展。微流控芯片模具作為芯片制作過程中的核心器件，在微流控芯片產(chǎn)業(yè)化過程中起著重要作用。當(dāng)前微流控芯片模具主要由硅材料和金屬材料制作而成。硅模具因其韌性差、易破碎的缺點(diǎn)，在微流控芯片規(guī)?；a(chǎn)中的應(yīng)用受到了限制。 基于無背板生長工藝的金屬微流控芯片模具由于具有精度高、制作相對簡單、壽命相對較高的優(yōu)點(diǎn)，在注塑、 壓塑等批量生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。由于微電鑄模具鑄層與基底間存在雜質(zhì)、層間應(yīng)力等原因，電鑄層與金屬基底不能緊密嵌合、結(jié)合強(qiáng)度低，使用過程中容易脫落失效。

針對微電鑄層與基底結(jié)合力差 的問題，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了相關(guān)研究。Kim 等 采用 1 ∶ 200 的 NH4OH 溶液對鎳基底進(jìn)行預(yù)處理， 并對處理后電鑄層的組織形貌進(jìn)行研究，得出了通過基底預(yù)處理提高鑄 層與基底界面結(jié)合強(qiáng)度的方法。朱 荻提出了基于掩膜電解加工的“置 樁”工藝，即先反向制作樁基然后電 鑄，并成功制作出了直徑為 300μm 的金屬微細(xì)陣列電極結(jié)構(gòu)，同時(shí)用過 切量來評價(jià)結(jié)合強(qiáng)度，過切量越大鑄 層與基底的結(jié)合強(qiáng)度越高，此方法直接改變了鑄層與基底的結(jié)合方式，提高了結(jié)合強(qiáng)度 。

掩膜電化學(xué)刻蝕技術(shù)根據(jù)金屬陽極溶解的原理加工基板，具有電流密度小、陰陽極間隙大、尺寸精度 高等特點(diǎn)，便于對“置樁”工藝中的小線寬刻蝕進(jìn)行精確控制。本文針對微電鑄模具鑄層與基底結(jié)合力差的問題，引入掩膜電化學(xué)刻蝕工藝 與微電鑄工藝相結(jié)合制作了線寬為 100μm 的雙十字微流控芯片模具。 針對鑄層寬度為 100μm 的電鑄線條 進(jìn)行了結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了酸洗和掩膜電化學(xué)刻蝕工藝對鑄層與基底 結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律，探究了掩膜電化學(xué)刻蝕工藝方法提高鑄層與基底結(jié)合強(qiáng)度的機(jī)理。

一、結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)

1、結(jié)合強(qiáng)度的測量

為了定量研究微電鑄層與基底 的結(jié)合力，本文采用剪切強(qiáng)度來表征 界面結(jié)合強(qiáng)度。微鑄層結(jié)合力的測量方法通常有界面壓痕法、劃痕法、 垂直拉伸法和剪切法等，其中剪切法 常用于測量厚薄膜與基體材料之間 的界面剪切性能。本文采用剪切 法測量微電鑄層與基底間的界面結(jié) 合強(qiáng)度，測量裝置由小型拉壓試驗(yàn) 機(jī)和自制夾具兩部分組成，如圖 1 所 示。

用自制夾具夾緊試驗(yàn)片測量時(shí)， 夾具與試驗(yàn)片間的相對運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生 摩擦力，因此首先要通過預(yù)試驗(yàn)確 定摩擦力的大小。試驗(yàn)過程為用夾 具夾緊未電鑄的光滑基板并放置到 試驗(yàn)臺(tái)上，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)使測力探頭 壓到基板的上表面，繼續(xù)施加壓力， 通過數(shù)顯測力儀可測得基板與夾具 相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力。經(jīng)反復(fù)試 驗(yàn)并取平均值后確定其摩擦力F 1 為 20N。

然后，再用自制夾具夾緊試驗(yàn) 片，使鑄層卡在夾具側(cè)棱上。將其放 置于試驗(yàn)臺(tái)上，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)使測力探 頭壓到試驗(yàn)片的上表面，持續(xù)施加壓 力至鑄層從基底脫落，數(shù)顯測力儀可 測得鑄層脫落時(shí)的受力峰值F 2。

鑄層的剪切力F S =F 2-F 1，剪切強(qiáng) 度可以由下式計(jì)算得到：

τ= F S /A

式中，τ 為剪切強(qiáng)度，F(xiàn) S為剪切力，A 為接觸面積。

圖1? 剪切力測量平臺(tái)

2、結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)工藝流程

本文選用直接電鑄、酸洗 20s 后 電鑄和刻蝕 5min 后電鑄 3 組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，工藝流程如圖 2 所示。為排 除試驗(yàn)過程中的偶然因素干擾、減小 試驗(yàn)誤差，每組參數(shù)試驗(yàn) 3 次。具體步驟為：

（1）基板預(yù)處理。為保證膠膜 與基底的結(jié)合力和曝光的對準(zhǔn)精度， 需要對基板進(jìn)行研磨拋光。

（2）SU-8 膠膜的制備。本文采 用掩膜曝光技術(shù)制作矩形膠膜型腔 作為填充的空間，膠膜采用 SU-8 膠 制作，曝光工藝使用休斯紫外曝光 機(jī)，型號 MA/BA6SUSS MicroTec。經(jīng) 過勻膠、靜置、前烘、曝光、后烘和顯 影 后 制 得 長 寬 為 15mm×0.1mm 的 膠膜，具體流程如圖 3 所示。膠膜 制 作 完 成 后 , 采 用 工 具 顯 微 鏡 和 電感測微儀測量厚度，膠膜厚度為 110±10μm。

（3）酸洗工藝。酸洗可以去除基板表面的雜質(zhì)和氧化層，保證刻 蝕、電鑄均勻有效進(jìn)行。酸洗還可以 通過對金屬表面進(jìn)行微粗化處理， 提高微電鑄鑄層與金屬基底的結(jié)合力。本文選用稀硝酸溶液對金屬表面進(jìn)行酸洗，酸洗時(shí)間為 20s。

圖2? 結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)工藝流程圖

圖3? SU-8膠膜制備流程

電化學(xué)刻蝕工藝。電化學(xué) 刻蝕工藝采用正向脈沖電源，設(shè)定 脈沖頻率為 1000Hz，占空比為 20%， 選取電流密度為 5A/dm2 ，選用質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為 10% 的氯化鈉鹽溶液作為電 解質(zhì)，為防止電化學(xué)刻蝕過程中產(chǎn) 生沉淀，用鹽酸將電解液調(diào)節(jié)為酸 性（pH=3），試驗(yàn)溫度為 30℃。首先 在該工藝參數(shù)下進(jìn)行刻蝕效率試驗(yàn)， 確定刻蝕時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，刻蝕 5min 的刻蝕深度大約為 10μm、刻蝕 10min 的刻蝕深度大約為 20μm。但 隨著刻蝕深度增加，側(cè)蝕量也會(huì)增 大，從而引起膠膜脫落失效，導(dǎo)致電 鑄失敗。為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，本文 選用的刻蝕時(shí)間為 5min，試驗(yàn)裝置 如圖 4 所示。

圖4? 刻蝕設(shè)備示意圖

表1? 鑄層與基礎(chǔ)的剪切力和剪切強(qiáng)度測試結(jié)果

（1）微電鑄。微電鑄試驗(yàn)以加 入小電流預(yù)鑄的方法提高界面結(jié) 合 強(qiáng) 度，攪 拌 方 式 為 陰 極 移 動(dòng)，采 用正向脈沖電源，設(shè)定脈沖頻率為 1000Hz，占 空 比 為 20%，選 取 電 流 密度為 0.2A/dm2 （30min），0.5A/dm2 （30min），1.0A/dm2 （10h）。 試 驗(yàn) 選 用以氨基磺酸鎳為基礎(chǔ)液的電鑄液， 電鑄液的成分為 Ni（NH2SO3）2 ·4H2O （550g/L）、NiCl2 （10g/L）、H3BO3 （35g/ L）、潤濕劑（0.1g/L）。

（2）去膠。將制作完成的試驗(yàn)片使用SU-8 Remover去膠液去膠。

（3）剪切力測量。采用剪切法 測量各試驗(yàn)片鑄層與基底的剪切力， 計(jì)算后得到相應(yīng)的剪切強(qiáng)度。剪切 后鑄層從基板脫落，如圖 5 所示。各 組參數(shù)下鑄層與基底的剪切力和剪 切強(qiáng)度如表 1 所示。

二、分析與討論

由表 1 的測試數(shù)據(jù)可知，酸洗和 掩膜電化學(xué)刻蝕工藝能夠顯著提高 鑄層與基底的結(jié)合強(qiáng)度。相對于直 接電鑄，酸洗 20s 后電鑄鑄層與基底 的結(jié)合強(qiáng)度提高了 98.5%，刻蝕 5min 后電鑄結(jié)合強(qiáng)度提高 203.6%?？涛g 5min 后電鑄相對于酸洗 20s 后電鑄 結(jié)合強(qiáng)度提高 53.0%。

1、掩膜電化學(xué)刻蝕過程中的側(cè)蝕

鎳金屬屬于各向同性物質(zhì)，在掩膜電化學(xué)刻蝕過程中會(huì)發(fā)生明顯的側(cè)蝕（雜散腐蝕）現(xiàn)象 。一般情況下，側(cè)蝕區(qū)在電鑄過程中會(huì)被填充， 如圖 6 所示，圖中 d 和 h 分別表示單 側(cè)側(cè)蝕量和刻蝕深度。側(cè)蝕量的大 小和刻蝕液成分、刻蝕時(shí)間以及電流 密度有密切關(guān)系。隨著刻蝕時(shí)間的 延長和電流密度的增大，側(cè)蝕量以及 刻蝕深度都會(huì)相應(yīng)變大?？涛g后和 電鑄后的形貌如圖 7 所示。經(jīng)測量， 刻蝕深度和側(cè)蝕寬度的比例大約為 1∶1，即 d∶h=1∶1。

圖5? 剪切后鑄層脫落

圖6? 刻蝕、電鑄過程示意圖

圖7? 刻蝕和電鑄后的側(cè)蝕形貌示意圖

運(yùn)用電化學(xué)刻蝕工藝制作模具時(shí)往往會(huì)由于側(cè)蝕現(xiàn)象導(dǎo)致模具形 狀精度差、側(cè)壁垂直度低。本文充分利用側(cè)蝕現(xiàn)象來提高鑄層和基底的 接觸面積。試驗(yàn)中膠膜型腔的寬度 為 100μm，而刻蝕 5min 時(shí)單側(cè)側(cè)蝕 量大約為 10μm，故而側(cè)蝕將基底的 裸露面積增加了大約 20%，即電鑄后 鑄層與基底的接觸面積增加了 20%。 刻蝕還能對基底表面進(jìn)行微粗化，進(jìn) 而增大鑄層與基底的實(shí)際接觸面積。 因此，掩膜電化學(xué)刻蝕過程中的側(cè)蝕 會(huì)增加鑄層與基底的實(shí)際接觸面積， 從而提高其結(jié)合強(qiáng)度。然而側(cè)蝕量 過大又容易引起膠膜的脫落失效，如 圖 8 所示。因此，在掩膜電化學(xué)刻蝕 過程中必須充分考慮以上兩方面的 綜合影響，選取最佳工藝參數(shù)。

2、電化學(xué)刻蝕提高鑄層與基底結(jié)合 強(qiáng)度的機(jī)理

電化學(xué)刻蝕工藝提高鑄層與基 底結(jié)合力的原因主要?dú)w納為以下兩點(diǎn)：

（1）通過刻蝕一定深度，在基板 表面“打樁”形成“樁基”。鑄層承 受側(cè)向力時(shí)，“樁基”會(huì)形成遮擋，從 而提高了剪切強(qiáng)度。經(jīng)試驗(yàn)證明，當(dāng) 刻蝕深度大于 20μm 時(shí)，剪切過程中 發(fā)生鑄層斷裂，此時(shí)的剪切強(qiáng)度從鑄 層與基底之間的結(jié)合強(qiáng)度變?yōu)殍T層 內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度，使得其剪切強(qiáng)度接 近于鎳金屬的剪切強(qiáng)度，提高了鑄層 與基底的結(jié)合穩(wěn)定性。

（2）增大接觸面積。通過對電 化學(xué)刻蝕 - 電鑄的原理進(jìn)行分析可 知，刻蝕中的雜散腐蝕可顯著增加基 底實(shí)際表面積，即電鑄中鑄層和基底 的實(shí)際接觸面積，從而提高結(jié)合強(qiáng) 度。通過以上兩點(diǎn)分析可知，刻蝕深 度越大、側(cè)蝕量越大，越有利于提高 鑄層與基底的結(jié)合強(qiáng)度。然而，刻蝕 時(shí)間過長、產(chǎn)生的側(cè)蝕量過大，極易 引起膠膜的起膠脫落，直接導(dǎo)致制作失敗。

雙十字微流控芯片模具制作

為了驗(yàn)證上述試驗(yàn)結(jié)論，本文基 于 UV-LIGA 工藝、采用掩膜電化學(xué) 刻蝕復(fù)合微電鑄工藝的方法，制作了 雙十字微流控芯片模具。選用規(guī)格 為 60mm×60mm×3mm 的鎳板作為 基板進(jìn)行制作。為對比刻蝕后電鑄 和直接電鑄的效果，選用“刻蝕 5min 后電鑄”和“直接電鑄”兩組相關(guān)參 數(shù)進(jìn)行制作。“刻蝕 5min 后電鑄”組 為試驗(yàn)片，“直接電鑄”組為對照片。 將試驗(yàn)片和對照片分別按照相應(yīng)的 工藝流程制作，電鑄完成后使用高粒 度砂紙對電鑄表面進(jìn)行研磨，研磨過 程中使用電感測微儀進(jìn)行高度測量， 保證鑄層高度為（105±5）μm。

研磨過程中對照片出現(xiàn)鑄層翹 起現(xiàn)象，去膠后鑄層脫落失效，如圖 9 所示。對試驗(yàn)片去膠后得到完好 的雙十字微流控芯片模具。結(jié)果證 明，通過掩膜電化學(xué)刻蝕工藝和微電 鑄工藝相結(jié)合的方法可以制作出剪 切強(qiáng)度大，使用壽命長的微流控芯片模具。

圖9? 鑄層翹起及脫落

三、結(jié)論

（1）研究了掩膜電化學(xué)刻蝕工 藝改善鑄層與基底結(jié)合力的機(jī)理，并 解決了制作過程中遇到的工藝問題， 如酸洗導(dǎo)致的膠膜脫落失效問題、刻 蝕引起的側(cè)蝕問題。

（2）通過剪切法定量分析了酸 洗和電化學(xué)刻蝕工藝對于鑄層剪 切強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果表明：直 接電鑄、酸洗 20s，電鑄和刻蝕 5min 后電鑄鑄層與基底的剪切強(qiáng)度平 均 值 分 別 為 52.1MPa、103.4MPa 和 158.2MPa，酸洗 20s 和刻蝕 5min 分 別將鑄層與基底的剪切強(qiáng)度提高了98.5% 和 203.6%。

（3）運(yùn)用掩膜電化學(xué)刻蝕工藝 和微電鑄工藝相結(jié)合的方法成功制 作了雙十字微流控芯片模具，驗(yàn)證了 新工藝的可行性。

關(guān)鍵詞： 結(jié)合力；電化學(xué)刻蝕；微流控芯片模具；微電鑄

（文章來源作者：航空制造技術(shù)·2017年第 17期作者：杜立群，李慶峰，李爰琪，趙文君 責(zé)編：大漠 DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.17.016轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）