JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY：电解液压力对定域电化学沉积质量的影响

发布日期：2025-04-15

研究类论文

发表期刊：JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY

中科院1区 (TOP)    IF: 6.7

Influence of Electrolyte Pressure on Localized Electrochemical Deposition Quality

Manfei Wang, Wanfei Ren*, Jinkai Xu*, Zhaoqiang Zou, Huihui Sun, Ningqian Tang, Zhengyi Yang, Hanhan Wei, Yan Huo

Received 17 December 2024; Received in revised form 28 February 2025; Accepted 26 March 2025

Available online 3 April 2025

DOI：10.1016/j.jmatprotec.2025.118832

王曼妃，任万飞*，许金凯*，邹兆强，孙辉辉，唐宁谦，杨政一，韦含含，霍岩

长春理工大学

Wang M, Ren W, Xu J, et al. Influence of Electrolyte Pressure on Localised Electrochemical Deposition Quality[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2025: 118832.

微纳结构在微电子、生物医学、光学工程及可再生能源等领域具有广泛应用，亟需突破高质量高精度制造工艺瓶颈。为此，本研究创新提出通过调控电解液挤出压力优化定域电化学沉积微纳结构表面质量的新方法。研究结果表明，随着电解液挤出压力增大，流速和极间电流密度逐渐增大，均匀性逐步提高，均匀系数α<0.2。在较高的挤出压力下，沉积的微纳结构具有较好的质量和精度。此外，本研究建立电解液挤出压力与沉积直径数学关系模型，为奠定电化学微增材制造基础机理提供理论指导，对实现高精度、高质量微纳结构大面积制造具有重要意义。<>                    

定域电化学沉积；高质量；高精度；电解液挤出压力；大规模制造；均匀性

1.通过调节电解液压力提高沉积质量

2.通过将沉积构造划分为三个区域，并分析其形成机理

3.建立挤出压力-沉积直径数学关系模型，调控结构尺寸

4.实现粗糙度为19.343nm的微结构高质量制造

图1 LECD-µAM原理图

在电化学增材制造（AM）中，高精度微纳制造已成为重要的研究热点。微纳结构在集成电路、生物传感器、光学超表面和太阳能电池等各种应用中发挥着至关重要的作用。随着技术的不断进步，微纳结构的应用对精度和性能的要求越来越高。然而，传统的制造方法，如机械铣削和精密铸造，会受到切削刀具尺寸和机床运动精度的限制；激光熔覆等热成形工艺可以实现复杂的结构，但容易产生微观结构变形和界面开裂影响器件性能；光刻和化学蚀刻等技术在高精度制造和材料利用方面也存在一定局限性。因此，制造大面积高精度高质量微纳结构是研究的重大挑战。近年来，电化学增材制造（AM）作为一种经济高效、环境友好的工艺引起人们的广泛关注，主要应用于金属薄膜、阵列结构和复杂形状器件的制造。电化学沉积通过施加电场将金属离子还原为金属原子，并沉积到导电基底上。它具有能耗低、环境友好、制造灵活等优点，可以有效克服传统制造方法的局限性。在AM中，高精度微纳结构在集成电路、生物传感器、光学超表面和太阳能电池等各种应用中发挥着至关重要的作用。

本研究旨在提高定域电沉积微增材制造微米结构的表面质量和均匀性。研究了电解液挤出压力对流速、电流密度和沉积质量的影响。结果表明，沉积结构具有柱状生长形态。在一定范围内，较高的挤出压力可以提高沉积结构的质量和精度。随着挤出压力的增大，沉积结构的均匀性显著提高，其粗糙度可达19.343nm，均匀系数α<0.2。此外，本研究建立了挤出压力与沉积直径之间的关系模型，在特定范围内精确调节沉积直径，克服了高精度微纳结构制造的难题。模型为电化学沉积制造提供了指导，为微纳结构的进一步应用和发展奠定了坚实基础。>            

1.沉积速度的分布和与柱状结构相关的沉积生长的横截面如图2所示。根据实验观察和沉积过程，可以将柱状结构分为三个不同的区域进行分析。

图2 单微柱沉积生长剖面的区域划分

2.研究对定域电化学沉积过程的结构变化进行了分析。通过理论分析、数值模拟和实验验证了与LECD-μAM相关的沉积生长形态及机理。沉积结构为柱状生长形态，利用扫描电镜对微柱的表面质量进行表征，以评估其形态特征和表面均匀性。通过这些分析，可以更深入地了解电解液挤出压力对微观结构形成的影响。这为优化制造工艺提供了重要的理论和实验基础。

图3 模型简化过程及仿真建立(a)简化后的沉积模型。(b)扫描电子显微镜（SEM）图像和说明沉积结构的轮廓曲线。(c)仿真模型网格细化。

(a)

         (b)                                                                                                           (c)

          (d)                                                                                                            (e)

图4 (a)电解液内铜离子浓度及电流密度分布。(b)和(c)分别表示A-A和B-B截线上的电解液流速。(d)和(e)分别表示A-A和B-B截线上电解液的电流密度。

(a)                                                           (b)                                                       (c)

 (d)                                                            (e)                                                         (f)

  (g)                                                             (h)                                                          (i)

   (j)                                                               (k)                                                            (l)

图5 不同电解液挤出压力下铜柱的SEM图像。(a)-(f)示挤出压力为分别显60mbar、80mbar、100mbar、120mbar、140mbar、160mbar时的图像。(g)-(l)对应(a)-(f)结构的表面粗糙度。

             (a)                                                                                                    (b)

           (c)                                                                                                     (d)

图6 (a)微柱截线位置示意图。(b)这五个截线的总通量分布。(c)及(d)分别显示五个位置的流速及电流密度的变化。

 (a)                                                           (b)                                                    (c)

   (d)                                                            (e)                                                       (f)

图7 不同高度铜柱的SEM图像。(a)-(f)为对应高度为10 - 35µm的图像。

图8 不同压力下35μm高度大面阵微柱的SEM图像。

3.在压力增大的情况下，沉积表面纹理更加光滑，结构均匀性增强，具有一定的可控性。在特定范围内可精确调节沉积直径。基于实验数据，绘制了挤出压力与沉积直径的关系曲线，为高精度微结构的制造提供了重要基础和支持。

图9 测量直径数据的位置图。

图10 挤出压力与沉积直径的关系模型。

图11 四组实验的箱形图。误差条表示标准偏差，这是一种量化数据离散度的统计度量，表明各个数据点之间的可变性。

图12 在100、120、140和160 mbar挤出压力下制备微柱的直径非均匀性系数。

(a)                                                                    (b)                                                                (c)

(d)

图13 (a)在80-160 mbar范围内沉积不同高度单柱的扫描电镜图像。(b)、(c)为与(a)对应的阵列柱SEM图像。(d)在不同压力下沉积结构的实际直径与模型预测直径之间的差异。

本研究通过电解液挤出压力调控，系统揭示了压力参数对电化学沉积成型质量的影响机制。通过对模拟和实验进行深入分析，得出以下结论：

(1)研究结果表明，沉积结构为柱状生长形态。随着电解液挤出压力增大，流速逐渐增大，导致扩散层厚度减小。因此，相应的电流密度逐渐增大，从而提高了沉积速率。在压力增大的情况下，沉积表面纹理更加光滑，结构均匀性增强，具有一定的可控性。

(2)根据实验数据，绘制了挤出压力与沉积直径的关系曲线。可以在特定范围内精确调节沉积直径，为高精度制造提供重要的基础和实验指导。此外，沉积结构具有高度的均匀性和稳定性。阵列结构直径的非均匀性系数保持在0.2以下。在一定的挤出压力范围内，粗糙度降至19.343nm。大面阵沉积的精确控制进一步促进该技术在工业领域的进步和应用。

(3)本研究为高精度微纳结构制造提供重要的基础和支持，但目前研究体系主要基于铜基材料。未来将重点开展金、银等贵金属及镍基高温合金的多材料沉积机制研究，以满足MEMS器件、柔性电子等领域对复杂拓扑结构的产业化需求，为微纳制造技术的工业级应用开辟新路径。