真空微细电铸制造技术电极过程液相传质机理研究

微细电铸技术是金属微细零件制造、电子制品微线槽与互连孔金属化的主要实现技术。电沉积缺陷难控至今仍是制约它更高品质发展的瓶颈性难题之一。本项目主要针对为破解这一难题而特别开发的新工艺技术- - 真空微细电铸技术的基础核心理论问题展开研究。以真空环境下受限微沉积空间内电极过程液相传质机理的深刻揭示为目标任务，深入系统地研究受限微空间内电极过程的液相传质特性(如传质模式、流态流型特征等)、电沉积行为特性(如极化特性、沉积速度等)、以及它们与微细电铸工艺特性特征（如形貌、微结构、性能等)之间的内在关联性等基础理论问题，建立微流体控制方程、传质方程、极限电流密度等的数学关系式，以构建该新技术液相传质的基础理论体系，着力突破真空条件下受限微空间内液相传质特征信息可靠获取、受限微空间内对流态传质激励等关键技术，以构筑理论研究与难题破解的技术支撑，从而为真空微细电铸制造技术的优质工程化应用奠定理论与技术基础。

微细电铸技术是金属微细零件制造、电子制品微线槽与互连孔金属化的主要实现技术。电沉积缺陷难控至今仍是制约它更高品质发展的瓶颈性难题之一。本项目主要针对为破解这一难题而特别开发的新工艺技术——真空微细电铸技术的基础核心理论问题展开研究。项目以深刻揭示真空环境下受限微沉积空间内电极过程液相传质机理为目标任务。首先研究观测了宏观尺度下电解液真空表面沸腾气泡的动力学与电沉积行为特性(如极化特性、沉积速度等)、流场特征与传质特性，分析了真空电铸制件的形貌特征、微观组织结构与机械性能，并探讨了它们之间的内在关联性。然后分别以微孔和微槽代表一维和三维微电沉积空间，重点研究上述微空间内真空沸腾电沉积时各自的气泡动力学与流场特征，构建了它们的表征物理模型与数学模型，评测真空微细电铸件的形貌特征与性能，并分析了微细电铸制件与实验现象、理论模型之间的关联性。研究结果表明：(1) 常规尺度下电解液真空沸腾电沉积时的气泡动力学行为与常压液体沸腾情况不同，它受施加的电沉积密度影响比较大，呈现气泡大、生成速度快、生命周期短等特征，由此激发的自然对流效应更强烈；(2) 一维微孔和三维微槽内的真空沸腾电沉积时的气泡动力学行为及其激发的自然对流效应受微孔几何特征、电流密度等因素影响大，三维微槽内的沸腾现象及其引发的自然对流效应更剧烈；(3) 真空沸腾条件下，电沉积速度是相同电流密度下常规条件下的5倍以上，沉积速度主要受电化学控制；(4) 高电流密度下(大于63A/dm2)，能获得纳米级晶粒大小的镍电铸件；(5) 在对沸腾致传质实现良好控制的情况下，可高速制备出形貌质量、沉积缺陷少的微结构件。同时，我们也发现，把电解液真空沸腾电沉积技术用于可实施温度低的电化学体系（如电沉积铜等），难以获得形貌质量和物理力学性能好的微结构件。研究成果一方面为基于真空沸腾致对流传质的电沉积工艺技术提供理论指导，另一方面完善和充实了电化学液相传质与沸腾传质的基础理论体系。