纯铜微结构的局部电沉积微增材制造

发布日期：2021-11-14

研究背景

  具有亚微米分辨率的纯铜微结构的制造已经发现了许多应用，例如 5G 通信和高灵敏度检测。这些结构的微小而复杂的特征可以提高高频操作期间的器件性能。然而，制造纯铜微结构仍然具有挑战性。在本文中，我们介绍了局部电化学沉积微增材制造 (LECD-μAM)。这种方法结合了局部电化学沉积（LECD）和原子力伺服技术的闭环控制，可以有效地打印螺旋弹簧和空心管。

内容简介

  在这项工作中，具有原子力伺服闭环控制的 LECD-μAM 技术被用于一步制造微小的纯铜结构。首先，通过同时监测Z轴坐标和AFP悬臂的偏转，沉积体素在形成后自动移动到下一个沉积位置。整个过程是自动和高效的。其次，使用相同的打印文件并在 20 到 70 毫巴之间改变施加的压力来进行沉积实验。通过 SEM 图像分析确定，沉积的微螺旋结构的线径也发生了变化。当弹簧线足够靠近时，该结构形成一个空心圆柱体。沉积实验结果表明，挤压压力与单个体素的沉积时间密切相关。随着挤出压力的增加，沉积单个体素所需的时间逐渐减少。此外，场发射电子探针光谱仪用于测试沉积结构的化学成分。基于 AFP 技术的 LECD-μAM 的实验结果和铜含量超过 99.5%，证明沉积结构几乎是纯金属印刷。最后，利用集成在场发射电子显微镜中的原位纳米压痕仪测试沉积弹簧的刚度，并计算出铜弹簧结构的剪切模量。获得的剪切模量值明显高于块状铜材料。通过改变和组合不同的弹簧结构，实现了空心环结构、微弹簧、微弹簧阵列结构、平顶弹簧、空心圆柱大面积阵列结构的制造。 LECD-μAM技术虽然可以在没有掩模和支撑材料的情况下制造纯铜微芯片桥、微天线、微传感器等小型结构，但该技术仍存在沉积率低，容易出现探针堵塞问题。研究的下一步是为多个探针引入并行制造方法，以提高沉积速率，同时施加反向电压以避免探针堵塞。

图文导读

Figure 1. Scheme of the LECD-μAM. (a) The three electrodes system in the electrolytic cell. (b) The lattice monomer, pillar array and a thin wall. (c) A high aspect ratio (about 500) wire.

Figure 2. Print information of the deposited sprial springs. The cathode (working electrode) was applied voltage as -0.5 V, the total number of the single 8-turn close-packed spring including 986 voxels for each.