潤錦提示：激光電鍍新技術(shù)及國內(nèi)外現(xiàn)狀
新聞來源：本站發(fā)布日期：2015-11-25發(fā)布人：admin
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潤錦解析：
工程技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的新領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。分別介紹了早期工作、近期研究成果以及今后的發(fā)展方向。這種新技術(shù)特別適用于微電子工業(yè)的電路設(shè)計和修復(fù)及航天等技術(shù)。
關(guān)鍵詞：激光電鍍、電鍍、微電子、新技術(shù)
正文：
近年來 ,由于電子產(chǎn)品小型化和高度集成化的迅速發(fā)展 ,急需在微小部分進(jìn)行表面加工。因此 ,激光增強(qiáng)電鍍和刻蝕應(yīng)用于微電子領(lǐng)域中的局部沉積或刻蝕，已愈來愈引起人們的重視。在液相和氣相中均可利用激光進(jìn)行表面處理，具有代表性的液相激光表面處理是激光電鍍和激光刻蝕。當(dāng)用一種連續(xù)激光或脈沖激光照射在電解池中的陰極表面上時，不僅能大大提高金屬的沉積速度，而且能采用計算機(jī)控制激光束的運(yùn)動軌跡得到預(yù)期的復(fù)雜的幾何圖形。激光電鍍是近幾年來才發(fā)展起來的一種高速電鍍新技術(shù)，引起了人們?nèi)找鎻V泛的興趣。
激光是能量密度很高的熱源，而且具有很好的方向性、單色性和相干性。利用這些特性，對金屬或零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理(包括激光相變硬化 激光合金化和激光熔覆等) 可以改變金屬或零件表面的微觀結(jié)構(gòu)，改善零部件的抗磨損，耐腐蝕和抗疲勞性能激光加工的精度高、能量集中，對零件的熱影響小。
電鍍和化學(xué)鍍作為傳統(tǒng)的表面技術(shù)經(jīng)過了長期的發(fā)展，工藝已經(jīng)非常成熟。研究人員將激光和傳統(tǒng)的表面技術(shù)結(jié)合，對這個交叉領(lǐng)域進(jìn)行了許多研究。
激光對基體表面進(jìn)行照射可以發(fā)生在電鍍或化學(xué)鍍過程中，也可以在這之前或之后，因此可以依據(jù)激光處理介入的階段不同分為鍍前、鍍中和鍍后激光處理。 其中，對于鍍后激光處理可以根據(jù)鍍層與基體的結(jié)合情況分成三類：第一類，如果鍍層和基體被激光熔化，并且鍍層完全被基體稀釋，則是激光表面合金化。第二類，如果鍍層和基體部分熔化，鍍層被基體部分稀釋，鍍層與基體界面為冶金結(jié)合，則是預(yù)置式的激光熔覆。第三類，如果鍍層和基體沒有熔化沒有冶金結(jié)合 則是激光熱處理。第一類和第二類情況鍍層是激光加工的預(yù)置層，是激光加工工藝的一部分。第三類是為了提高鍍層的使用性能，是電鍍或化學(xué)鍍工藝的一部分 影響鍍層與基體的結(jié)合情況的因素主要有基體與鍍層的材料，鍍層的厚度和激光的比能量Es=P/DV(P為激光功率、D為激光光斑面積、V為激光掃描速度) 作為激光表面合金化、激光熔覆，激光梯度熔覆前的預(yù)置涂層，鍍層可以由一層或數(shù)層不同的具有一定厚度的材料組成。
常規(guī)電鍍在浸于電解液中的兩個電極之間進(jìn)行，把待鍍金屬基體放在含有某種金屬的鹽類溶液中，借助于外電源驅(qū)動并通過電解作用使金屬離子在基體表面還原沉積成金屬鍍層。對速一電解沉積過程的分析研究表明要在陰極基體上形成電鍍層主要包括離子遷移、電荷轉(zhuǎn)換和晶格化三個過程，而沉積速率主要由離子遷移速率和電荷交換速率所決定。進(jìn)一步研究表明離子遷移過程主要有擴(kuò)散、對流和電遷移三種方式，要提高這三種方式的速率可采取下列措施(1 )提高電解液溫度，(2)對電解液進(jìn)行攪拌,(3)增加極間電壓或減少極區(qū)距離，(4)加大電鍍液濃度。
激光電鍍的基本原理，激光器輸出的激光束經(jīng)透鏡聚焦后投射到陰極表面，在陰極附近的微小區(qū)域里形成極高的光功率密度。受光照的陰極材料吸收激光能量后，使電解液—陰極界面附近的局部微小區(qū)域里的溫度驟然升高，產(chǎn)生陡峭的溫度梯度并在電解液中引起強(qiáng)烈對流，從而攪拌了溶液。溫升和攪拌造成局部區(qū)域里離子遷移率增加，陰極還原反應(yīng)增強(qiáng)和平衡電位正向漂移，最后導(dǎo)致電鍍速率的增加。因此，激光電鍍的機(jī)理可概括為;陰極吸收激光能量后引起光致溫度驟升，造成局部范圍里電化學(xué)反應(yīng)大大增強(qiáng)，導(dǎo)致在陰極表面局部受光照區(qū)域沉積過程的劇烈加速。這種對激光引發(fā)的電鍍增強(qiáng)效應(yīng)的理論解釋稱為激光電鍍的熱模型。還有一種用來解釋電鍍增強(qiáng)效應(yīng)的光模型，這一模型認(rèn)為電鍍反應(yīng)的增強(qiáng)來源于光解效應(yīng)，亦即激光促進(jìn)了電解液離子自分解引起電化學(xué)反應(yīng)速度的增大，從而導(dǎo)致電鍍速率的增加。
激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后能達(dá)到極高的功率(能量)密度,例如功率為1瓦的氫激光器的輸出光束經(jīng)過透鏡聚焦成直徑為幾十微米的光點,其功率密度可達(dá)104-105瓦/厘米。受光照的陰極材料吸收激光能量后,將使電解液一陰極界面附近的局部微小區(qū)域里的溫度驟然升高而產(chǎn)生陡峭的溫度梯度,并在電解液中引起強(qiáng)烈對流,從而攪拌了溶液。溫升和攪拌造成局部區(qū)域里離子遷移率增加,陰極還原反應(yīng)增強(qiáng)和平衡電位的正向漂移,最后導(dǎo)致陰極受光照局部區(qū)域沉積速率的升高和電鍍電流的增加。我們定義增強(qiáng)比E等于激光照射時的電鍍電流密度與無激光照射時背景電鍍電流密度之比, 它可以用下列公式表示:
激光增強(qiáng)電鍍是以高密度激光束輻照液 / 固分界面，造成局部溫升和微區(qū)攪拌，從而誘發(fā)或增強(qiáng)輻照區(qū)的化學(xué)反應(yīng)，引起液體物質(zhì)的分解，并在固體表面沉積出反應(yīng)生成物。1978年，美國IBM公司首先研究了激光電鍍，應(yīng)用1.5W的氫離子激光器或氫離子激光器，將聚焦后的激光束照射在鎢陰極上，鎳的沉積速度比不用激光束提高了600—1000倍。
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