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周玉鳳1，李艷春2，程萍2，樊江玲1，汪紅2
（1．上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620;
2．上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院微米／納米加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）
摘要：基于非硅微器件材料的特殊性能要求，研究了熱處理對氨基磺酸鹽鍍鎳層熱穩(wěn)定性的影響。隨熱處理溫度升高，鎳鍍層的硬度先緩慢下降，高于300 ℃后則急劇降低。鎳鍍層晶粒變粗、晶界減少及受外力作用時(shí)易變形是熱處理后鎳鍍層硬度降低的主要原因。熱處理溫度對鎳鍍層耐蝕性的影響不顯著。熱處理溫度低于400 ℃時(shí)，鎳鍍層與Cr/Cu、Ti基的結(jié)合強(qiáng)度隨熱處理溫度的升高而顯著增強(qiáng)。因此，氨基磺酸鹽鍍鎳層在低于300 ℃的環(huán)境中使用時(shí)，其性能基本穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：微器件；氨基磺酸鹽鍍鎳；熱處理；硬度；結(jié)合強(qiáng)度；耐蝕性
中圖分類號：TQ153.1；TG113.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1004 - 227X (2012) 05 - 0014 - 04
1前言
近年來，隨市場需求的不斷增加，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展加快。其中，以電化學(xué)微刻蝕和電化學(xué)沉積為主要手段的非硅MEMS加工技術(shù)也得到快速發(fā)展，對各種微器件材料的性能提出了更高要求[l]。在非硅MEMS器件中，目前微結(jié)構(gòu)材料仍以鎳鍍層材料為主，鑒于MEMS器件自身的加工特性和性能要求，與裝飾性鍍鎳層相比，MEMS用器件對鍍鎳層的厚度、應(yīng)力、機(jī)械性能以及熱穩(wěn)定性等有特殊要求，特別是高深寬比MEMS微器件的加工，在大多數(shù)情況下需要使用負(fù)膠，電鍍之后的去膠工藝溫度較高，可能會對鍍鎳層的性能產(chǎn)生較大影響。氨基磺酸鹽鍍鎳因具有沉積快，鍍層內(nèi)應(yīng)力低、結(jié)晶細(xì)致，鍍液分散能力好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子電鍍、非硅MEMS電鍍等特殊領(lǐng)域。有關(guān)降低內(nèi)應(yīng)力、提高鍍層均勻性、改善力學(xué)性等方面的工藝優(yōu)化已有大量研究[2-8]，但針對鍍鎳層熱穩(wěn)定性的系統(tǒng)研究較少，這在一定程度上影響了器件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。本文著重研究了熱處理溫度對鎳鍍層硬度、耐蝕性以及與Cr/Cu、Ti基底結(jié)合強(qiáng)度的影響，并通過分析鍍層微觀組織結(jié)構(gòu)，初步探討了熱處理溫度對鍍層硬度等性能的影響機(jī)制。
2實(shí)驗(yàn)
2.1鍍層制備
除結(jié)合力測試用試樣外，均以20 mm×20 mm×0.2 mm的紫銅片(純度99.95%)為基體。具體工藝流程為：打磨──除油──酸洗──超純水洗──電沉積──超純水洗──吹干。采用氨基磺酸鎳體系鍍液進(jìn)行電沉積，鍍液組成及工藝條件如下：
2.2鍍層熱處理
熱處理在RTP-300型快速熱處理設(shè)備（北京興延誠博科技有限公司）中進(jìn)行，為防止試樣氧化，整個(gè)熱處理過程需通N2保護(hù)，N2流量為1.5 L/min，升溫速率為10 ℃/min，在一定溫度下保溫2h后，隨爐冷卻至室溫。
2.3性能測試
2. 3.1 顯微硬度
采用HXD-1000TMB/LCD液晶屏顯示自動轉(zhuǎn)搭顯微硬度計(jì)（上海泰明光學(xué)儀器有限公司）測定鍍層的顯微硬度。載荷為0.245 N，保載時(shí)間為20 s，同一試樣在不同部位測5次并取平均值。
2.3.2 納米壓痕試驗(yàn)
為掌握熱處理對鎳鍍層納米硬度、彈性模量以及抗壓痕形變等力學(xué)性能的影響，采用Fischerscope Hl00VP納米壓痕儀（德國Fischer公司生產(chǎn)）對不同種鎳鍍層進(jìn)行測試，載荷為30 mN，加載時(shí)間為20 s，保載時(shí)間為5s，同一試樣在不同部位測5次并取平均值。
2.3.3 結(jié)合強(qiáng)度
非硅MEMS器件的制備主要以玻璃片為基體，以Cr/Cu或Ti為種子層，因此，結(jié)合強(qiáng)度測試用試樣以濺射了Cr/Cu或Ti種子層的玻璃片(φ76 mm)為基體。用丙酮超聲清洗玻璃片后，再濺射Cr/Cu或Ti種子層，Cr、Cu、Ti層的厚度分別約80、150、500 nm。
采用孤島一剪切法測定結(jié)合強(qiáng)度，圖1為測試原理圖，所用設(shè)備為PTR-1100結(jié)合力測試儀(日本RHESCA)，孤島試樣采用微加工工藝制備，分別測試5組數(shù)據(jù)，取平均值。
2.3.4 耐蝕性
采用CHI660D型電化學(xué)工作站(美國CHInstruments)，采用動電位掃描法和傳統(tǒng)的三電極體系，工作電極為西1.13mm的鎳鍍層，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，掃描速率為10 mV/s，掃描范圍-0.6～1.6 V，溫度為20℃，試樣均在1 moI/LHC1腐蝕液中浸泡2 min后再測試。
2.3.5 組織結(jié)構(gòu)
在試樣表面滴加約0.5 mL V(HN03)：V(HCl)=1：3的腐蝕液，50 ℃下腐蝕1 min后，水洗吹干，用FESEM Ultra 55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國Zeiss，SEM)觀察鎳鍍層的表面形貌；用Rigaku Ultima IV型X射線衍射儀(日本理學(xué)，XRD)分析鍍層的構(gòu)相。
3結(jié)果與討論
3.1顯微硬度
圖2為鍍層在不同溫度下熱處理2h后的顯微硬度。熱處理溫度低于300℃時(shí)，鍍層的顯微硬度緩慢下降；繼續(xù)升溫，鍍層的顯微硬度急劇下降：500℃時(shí)，顯微硬度降至132 HV。
3.2硬度與楊氏模量
采用納米壓痕法測得的經(jīng)不同溫度熱處理后鎳鍍層的硬度和彈性模量見表2。隨熱處理溫度升高，鎳鍍層的納米硬度和彈性模量均下降，抗壓痕形變深度增大，其納米硬度的變化趨勢與鍍層顯微硬度相同。
3.3結(jié)合強(qiáng)度
熱處理溫度對鎳鍍層與不同種子層之間結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖3所示。
由圖3可知，鎳鍍層與Cr/Cu、Ti基底之間的結(jié)合強(qiáng)度分別在低于300 ℃和200℃時(shí)，隨熱處理溫度升高而增強(qiáng)，可能是金屬間擴(kuò)散所致，有待進(jìn)一步研究；200～400 ℃時(shí)，鎳鍍層與Ti基底之間的結(jié)合強(qiáng)度不穩(wěn)定；500℃時(shí)，鎳鍍層與2種基底間的結(jié)合強(qiáng)度均明顯下降。
3.4耐蝕性
圖4是不同溫度下熱處理后的鎳鍍層在1mol/LHC1溶液中的陽極極化曲線。
從圖4可知，不論是沉積態(tài)鎳鍍層還是經(jīng)熱處理的鎳鍍層，其溶解電流都隨電極電位的增大而逐漸增大；隨熱處理溫度升高，Ni鍍層的腐蝕電位由沉積態(tài)時(shí)的-0.28 V略負(fù)移至500℃熱處理后的-0.32 V，腐蝕電流由沉積態(tài)時(shí)的3.98×10-5A略升高至500℃熱處理后的5.01×10-5 A，說明熱處理溫度對鎳鍍層的耐蝕性雖有影響，但并不明顯。
3.5鍍層的微觀組織結(jié)構(gòu)
沉積態(tài)及熱處理后鎳鍍層的SEM照片見圖5。從圖5可知，經(jīng)300 ℃處理的鎳鍍層表面較均勻細(xì)致，呈疊層狀結(jié)晶，熱處理溫度升至500 ℃時(shí)，鎳鍍層的晶粒迅速長大，甚至在1μm以上。這說明Ni鍍層的晶粒變粗大、晶界減少，受外力作用時(shí)易發(fā)生變形，是熱處理后鎳鍍層硬度下降的主要原因。
沉積態(tài)及熱處理后鎳鍍層的XRD譜見圖6。從圖6可知，沉積態(tài)和經(jīng)300℃、500℃熱處理的鎳鍍層在(111)、(200)面上均存在明顯的織構(gòu)，且熱處理后鎳鍍層的半高寬變小，說明熱處理后的鎳鍍層晶粒變粗大，這與SEM結(jié)果相一致。
4結(jié)論
(1)隨熱處理溫度的升高，鎳鍍層的納米硬度先緩慢下降；高于300℃時(shí)，鎳鍍層的納米硬度急劇下降；550 ℃時(shí)，鎳鍍層的納米硬度約降低為沉積態(tài)鎳鍍層的50%。
(2)鎳鍍層與Cr/Cu、Ti基底之間的結(jié)合強(qiáng)度分別在低于300℃和200℃時(shí)，隨熱處理溫度升高而增強(qiáng)。
(3)熱處理溫度對鎳鍍層耐蝕性的影響不顯著。
(4)熱處理前后，鎳鍍層的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，鍍層晶粒顯著增大，晶界減少，受外力作用時(shí)易變形，是鎳鍍層硬度降低的主要原因。
(5)采用氨基磺酸鎳鍍液電沉積所得鎳器件在溫度低于300℃的環(huán)境中使用時(shí)，其性能基本穩(wěn)定。
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