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

自 20 世 紀90年代以來，微流控芯片因其在DNA分析、疾病診斷、分子篩選和免疫學測定等方面的廣闊應用前景而得到了迅猛的發展。微流控芯片模具作為芯片制作過程中的核心器件，在微流控芯片產業化過程中起著重要作用。當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，在微流控芯片規模化生產中的應用受到了限制。 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、壽命相對較高的優點，在注塑、 壓塑等批量生產領域應用越來越廣泛。由于微電鑄模具鑄層與基底間存在雜質、層間應力等原因，電鑄層與金屬基底不能緊密嵌合、結合強度低，使用過程中容易脫落失效。

針對微電鑄層與基底結合力差 的問題，國內外專家學者開展了相關研究。Kim 等 采用 1 ∶ 200 的 NH4OH 溶液對鎳基底進行預處理， 并對處理后電鑄層的組織形貌進行研究，得出了通過基底預處理提高鑄 層與基底界面結合強度的方法。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 的金屬微細陣列電極結構，同時用過 切量來評價結合強度，過切量越大鑄 層與基底的結合強度越高，此方法直接改變了鑄層與基底的結合方式，提高了結合強度 。

掩膜電化學刻蝕技術根據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，便于對“置樁”工藝中的小線寬刻蝕進行精確控制。本文針對微電鑄模具鑄層與基底結合力差的問題，引入掩膜電化學刻蝕工藝 與微電鑄工藝相結合制作了線寬為 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 進行了結合強度試驗，研究了酸洗和掩膜電化學刻蝕工藝對鑄層與基底 結合強度的影響規律，探究了掩膜電化學刻蝕工藝方法提高鑄層與基底結合強度的機理。

一、結合強度試驗

1、結合強度的測量

為了定量研究微電鑄層與基底 的結合力，本文采用剪切強度來表征 界面結合強度。微鑄層結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 合強度，測量裝置由小型拉壓試驗 機和自制夾具兩部分組成，如圖 1 所 示。

用自制夾具夾緊試驗片測量時， 夾具與試驗片間的相對運動會產生 摩擦力，因此首先要通過預試驗確 定摩擦力的大小。試驗過程為用夾 具夾緊未電鑄的光滑基板并放置到 試驗臺上，啟動試驗機使測力探頭 壓到基板的上表面，繼續施加壓力， 通過數顯測力儀可測得基板與夾具 相對運動產生的摩擦力。經反復試 驗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 片，使鑄層卡在夾具側棱上。將其放 置于試驗臺上，啟動試驗機使測力探 頭壓到試驗片的上表面，持續施加壓 力至鑄層從基底脫落，數顯測力儀可 測得鑄層脫落時的受力峰值F 2。

鑄層的剪切力F S =F 2-F 1，剪切強 度可以由下式計算得到：

τ= F S /A

式中，τ 為剪切強度，F S為剪切力，A 為接觸面積。

圖1? 剪切力測量平臺

2、結合強度試驗工藝流程

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

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

（2）SU-8 膠膜的制備。本文采 用掩膜曝光技術制作矩形膠膜型腔 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，型號 MA/BA6SUSS MicroTec。經 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和氧化層，保證刻 蝕、電鑄均勻有效進行。酸洗還可以 通過對金屬表面進行微粗化處理， 提高微電鑄鑄層與金屬基底的結合力。本文選用稀硝酸溶液對金屬表面進行酸洗，酸洗時間為 20s。

圖2? 結合強度試驗工藝流程圖

圖3? SU-8膠膜制備流程

電化學刻蝕工藝。電化學 刻蝕工藝采用正向脈沖電源，設定 脈沖頻率為 1000Hz，占空比為 20%， 選取電流密度為 5A/dm2 ，選用質量 分數為 10% 的氯化鈉鹽溶液作為電 解質，為防止電化學刻蝕過程中產 生沉淀，用鹽酸將電解液調節為酸 性（pH=3），試驗溫度為 30℃。首先 在該工藝參數下進行刻蝕效率試驗， 確定刻蝕時間。試驗結果表明，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，側蝕量也會增 大，從而引起膠膜脫落失效，導致電 鑄失敗。為保證試驗順利進行，本文 選用的刻蝕時間為 5min，試驗裝置 如圖 4 所示。

圖4? 刻蝕設備示意圖

表1? 鑄層與基礎的剪切力和剪切強度測試結果

（1）微電鑄。微電鑄試驗以加 入小電流預鑄的方法提高界面結 合 強 度，攪 拌 方 式 為 陰 極 移 動，采 用正向脈沖電源，設定脈沖頻率為 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 選 用以氨基磺酸鎳為基礎液的電鑄液， 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 測量各試驗片鑄層與基底的剪切力， 計算后得到相應的剪切強度。剪切 后鑄層從基板脫落，如圖 5 所示。各 組參數下鑄層與基底的剪切力和剪 切強度如表 1 所示。

二、分析與討論

由表 1 的測試數據可知，酸洗和 掩膜電化學刻蝕工藝能夠顯著提高 鑄層與基底的結合強度。相對于直 接電鑄，酸洗 20s 后電鑄鑄層與基底 的結合強度提高了 98.5%，刻蝕 5min 后電鑄結合強度提高 203.6%。刻蝕 5min 后電鑄相對于酸洗 20s 后電鑄 結合強度提高 53.0%。

1、掩膜電化學刻蝕過程中的側蝕

鎳金屬屬于各向同性物質，在掩膜電化學刻蝕過程中會發生明顯的側蝕（雜散腐蝕）現象 。一般情況下，側蝕區在電鑄過程中會被填充， 如圖 6 所示，圖中 d 和 h 分別表示單 側側蝕量和刻蝕深度。側蝕量的大 小和刻蝕液成分、刻蝕時間以及電流 密度有密切關系。隨著刻蝕時間的 延長和電流密度的增大，側蝕量以及 刻蝕深度都會相應變大。刻蝕后和 電鑄后的形貌如圖 7 所示。經測量， 刻蝕深度和側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? 刻蝕和電鑄后的側蝕形貌示意圖

運用電化學刻蝕工藝制作模具時往往會由于側蝕現象導致模具形 狀精度差、側壁垂直度低。本文充分利用側蝕現象來提高鑄層和基底的 接觸面積。試驗中膠膜型腔的寬度 為 100μm，而刻蝕 5min 時單側側蝕 量大約為 10μm，故而側蝕將基底的 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行微粗化，進 而增大鑄層與基底的實際接觸面積。 因此，掩膜電化學刻蝕過程中的側蝕 會增加鑄層與基底的實際接觸面積， 從而提高其結合強度。然而側蝕量 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。

2、電化學刻蝕提高鑄層與基底結合 強度的機理

電化學刻蝕工藝提高鑄層與基 底結合力的原因主要歸納為以下兩點：

（1）通過刻蝕一定深度，在基板 表面“打樁”形成“樁基”。鑄層承 受側向力時，“樁基”會形成遮擋，從 而提高了剪切強度。經試驗證明，當 刻蝕深度大于 20μm 時，剪切過程中 發生鑄層斷裂，此時的剪切強度從鑄 層與基底之間的結合強度變為鑄層 內部的結合強度，使得其剪切強度接 近于鎳金屬的剪切強度，提高了鑄層 與基底的結合穩定性。

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

雙十字微流控芯片模具制作

為了驗證上述試驗結論，本文基 于 UV-LIGA 工藝、采用掩膜電化學 刻蝕復合微電鑄工藝的方法，制作了 雙十字微流控芯片模具。選用規格 為 60mm×60mm×3mm 的鎳板作為 基板進行制作。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”兩組相關參 數進行制作。“刻蝕 5min 后電鑄”組 為試驗片，“直接電鑄”組為對照片。 將試驗片和對照片分別按照相應的 工藝流程制作，電鑄完成后使用高粒 度砂紙對電鑄表面進行研磨，研磨過 程中使用電感測微儀進行高度測量， 保證鑄層高度為（105±5）μm。

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

圖9? 鑄層翹起及脫落

三、結論

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

（2）通過剪切法定量分析了酸 洗和電化學刻蝕工藝對于鑄層剪 切強度的影響規律，結果表明：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度提高了98.5% 和 203.6%。

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

關鍵詞： 結合力；電化學刻蝕；微流控芯片模具；微電鑄

（文章來源作者：航空制造技術·2017年第 17期作者：杜立群，李慶峰，李爰琪，趙文君 責編：大漠 DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.17.016轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）