CN106654500A - 微小金属矩形波导电化学制造方法 - Google Patents

微小金属矩形波导电化学制造方法 Download PDF

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曾永彬
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Abstract

一种微小金属矩形波导电化学制造方法，属于微细、精密制造领域。利用双微尺度线电极对薄板工件进行微细电解线切割加工，得到特征尺寸在数十至数百微米间的矩形芯模。在芯模表面电镀一层金，其厚度为数十纳米至数微米。利用运动纳米粒子辅助精密电铸技术在电镀金的表面电铸一层较厚的电铸铜层，其厚度达到毫米级。利用微细电解线切割加工技术对电铸铜层进行整平修整，并加工出预先要求的轮廓。利用化学试剂选择性溶解芯模，从而得到内壁电镀金的微小矩形金属波导。

Description

微小金属矩形波导电化学制造方法
技术领域
本发明涉及一种微小金属矩形波导制造方法，属于微细、精密制造技术领域。
背景技术
金属矩形波导是太赫兹低频段常用的传输线，是构建太赫兹信号发生、接收和控制部件的关键单元。太赫兹频段金属波导类传输线具有较小的端面尺寸和较大的传输长度，是典型的大长径比微型器件。金属矩形波导因能有效降低吸收损耗，在传输性能方面有着显著的优越性，而受到广泛关注和重视。
太赫兹金属矩形波导的精密加工制造极具挑战性，一直是制约太赫兹应用***研发的关键问题和瓶颈技术。太赫兹金属矩形波导腔尺寸微小、公差及表面粗糙度要求高，同时对加工圆角半径要求严格。矩形波导小尺寸端面是传统加工的难题，而较大的相对长度又使得一般的微加工技术难以逾越。近年来，国内外研究机构提出了诸多工艺来解决金属矩形波导精密制造难题，例如：微细铣削、光刻、多层金属堆叠等。但是，受加工方法限制，封闭的太赫兹矩形波导通常被剖分为半封闭的U型腔和覆盖面板。U型腔和覆盖面板分别加工成型后再组装成矩形波导器件。目前，金属矩形波导U型腔的加工一般采用微细铣削加工，已实现0.75T太赫兹信号传输用端面尺寸191µm×381µm矩形波导的加工。随着工作频率的不断提高，矩形波导端面尺寸相应减小，对应的尺寸精度已经突破传统机械加工极限。另一方面，加工应力和材料应力都引起微结构的加工变形，难以保证矩形波导上下分腔结合面极高的平面度要求，极易出现零件相互装夹、结合不紧密等问题，从而增大传输线的插损，影响整个太赫兹部件性能的实现。此外，铣削加工时机床振动、零件材料成份和均匀性、刀具磨损等因素都会影响加工精度及精度保持性。与此同时，太赫兹金属矩形波导对最小圆角半径和表面粗糙度的严格要求，使得一些加工手段不能使用，例如电火花线切割、电火花、激光加工等，都因工具固有圆角过大而不能采用。因此，现有加工技术难于满足未来太赫兹波传输对金属矩形波导的加工需求，必须发展其它加工技术。
电化学加工技术基于阳极溶解或阴极沉积原理实现了以离子形式去除或添加工件材料，由于离子的尺度为10-1nm，因此，电化学加工技术在微细制造，以至于纳米制造领域有着很大的发展潜能。电化学加工技术按原理可分为两类，一是基于阴极沉积的增材制造技术，如精密电铸、电镀等，另一类是基于阳极溶解原理的减材制造技术，如电解加工、电解抛光等。电化学加工技术具有加工材料范围广、工具无损耗、加工效率高、工具无损耗、不存在机械切削力等优势，使其在微细制造领域有着广泛的应用前景。南京航空航天大学首先提出了微细电解线切割加工技术（专利申请号ZL200610040054.6）和运动纳米粒子辅助精密电铸技术（Z.W. Zhu, D. Zhu, N.S. Qu, Materials Letters, 62, 1283-1286(2008).），实现了微缝结构和组织致密的电铸沉积层的加工，扩展了电化学加工技术在微细制造领域的应用范围。
本专利提出利用电化学加工技术加工内壁镀金的金属矩形波导，可实现微小尺度且具有较好表面质量的矩形波导的精密、高效率整体制造，无需将封闭的矩形波导剖分为半封闭的U型腔和覆盖面板。
发明内容
本发明的目的是提供一种微小尺度，表面质量好的金属矩形波导的精密电化学制造工艺方法。
一种微小金属矩形波导电化学制造方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、利用双微尺度线电极和纳秒脉冲电源对薄板工件进行微细电解线切割加工得到芯模；步骤2、在芯模的表面电镀一层金层，其厚度大于该波导传输的太赫兹波的趋肤效应深度，为数十纳米至数微米,芯模两端无镀层；步骤3、利用运动纳米粒子辅助精密电铸技术在电镀金层的表面电铸一层铜层，其厚度达到毫米级；步骤4、利用纳秒脉冲电源和微尺度线电极对电铸铜层进行整平修整，并控制芯模和微尺度线电极的相对运动轨迹，加工出预先要求的轮廓；步骤5、利用化学试剂选择性溶解芯模，从而得到内壁为电镀金层，外表面为电铸铜层的微小矩形金属波导。
所述的微细电解线切割加工中可采用直径约数微米的线电极，结合纳秒脉冲电源，可实现微米或亚微米级侧面加工间隙，适于微米尺度的高精度芯模的制造。微细电解线切割加工过程中无机械应力的作用，制造的牺牲芯模具有较好的表面完整性和表面粗糙度，同时有利于保证电镀金内表面加工质量。由于芯模的长度可达数十毫米，利用双微尺度线电极对牺牲芯模的两侧进行同时加工，有利于加工中芯模两侧应力的平衡，防止芯模的变形。通过控制电镀的时间、电流密度和极间距离等可实现对电镀金层厚度的精确控制。利用运动纳米粒子辅助精密电铸技术在电镀金层表面电铸一层较厚的电铸铜层，其厚度达到毫米级。运动的纳米尺度粒子对电铸层具有实时“抛光”作用，可增强电铸层的致密性，有利于提高电铸铜层的机械性能。利用单根微尺度线电极对电铸铜层进行表面整平修整，并控制线电极和芯模的相对运动轨迹以加工预先设计的轮廓结构，基于微细电解线切割加工的特点，加工表面具有较好的加工质量和表面完整性，有利于提高制造的金属波导的外表面加工质量和尺寸精度等。最后，利用化学试剂选择性溶解芯模，采用超声辅助化学溶解方法可大大提高选择性溶解的效率。芯模的材料可选为镍、铝或合金材料。当牺牲芯模的材料为镍时，可使用盐酸或硫酸溶液选择性溶解芯模；当芯模的材料为铝或其合金时，一般采用碱性溶液，例如氢氧化钾、氢氧化钠溶液等选择性溶解芯模。
本发明的有益效果是：（１）可实现微小尺度且具有较好表面质量的矩形波导的精密、高效率整体制造，无需如微细铣削等方法将封闭的矩形波导剖分为半封闭的U型腔和覆盖面板进行制造。（２）通过在芯模表面电镀金，将传统非常困难的微型腔内表面电镀转化为外表面电镀，金镀层质量更易控制。（３）采用双微尺度线电极微细电解线切割加工芯模，可保证芯模材料内部应力均衡，防止变形。
上述步骤1中的芯模，芯模的横截面尺寸通过控制双微尺度线电极的间距和薄板工件厚度来保证。
上述步骤3所述运动纳米粒子辅助精密电铸技术电铸铜层的加工过程为：将表面电镀金层的芯模置于盛有纳米粒子的带孔隙的容器中，其中带孔隙的容器置于盛有电铸液的电铸槽中；电铸加工过程中，伺服电机通过机械平动机构带动芯模平动，在其表面电铸一层较厚的电铸铜层；由温度控制器和温度传感器实时检测电铸液的温度，通过加热管加热电铸液，并通过搅拌器不断搅拌电铸液。
当芯模的材料为镍时，步骤5所述的化学试剂为盐酸或硫酸溶液；当芯模的材料为铝或其合金时，步骤5所述的化学试剂为碱性溶液,比如氢氧化钾、氢氧化钠溶液。
附图说明
图1至图6是矩形金属波导电化学加工方法过程示意图，其中图1是双微尺度线电极微细电解线切割加工芯模示意图；图2是电镀金示意图；图3是电铸铜示意图；图4是电解线切割修整电铸铜层示意图；图5是选择性溶解芯模示意图；图6是加工完成的金属矩形波导示意图；图7是运动纳米粒子辅助精密电铸加工示意图。
图中标号名称：1、双微尺度线电极，2、纳秒脉冲电源，3、薄板工件，4、芯模，5、电镀金层，6、电铸铜层，7、微尺度线电极，8、已加工表面，9、待加工表面，10、电铸电源，11、阳极，12、电铸槽，13、纳米粒子，14、温度控制器，15、温度传感器，16、加热管，17、电铸液，18、搅拌器，19、带孔隙的容器，20、机械平动机构。
具体实施方式
下面结合图1至图7所示，说明的“一种微米尺度金属矩形波导电化学制造方法”的具体加工过程：
参考图1，利用双微尺度线电极1和纳秒脉冲电源2对薄板工件3进行微细电解线切割加工，得到芯模4。
参考图2，在牺牲芯模4的表面电镀一层微米级厚度的电镀金层5。
参考图3和图7，利用运动纳米粒子13辅助精密电铸技术在电镀金层5的表面电铸一层较厚的电铸铜层6，其厚度可达毫米级。如图2所示，芯模4及其表面电镀金层5置于盛有纳米粒子13的带孔隙的容器19中，其中带孔隙的容器19置于盛有电铸液17的电铸槽12中。电铸加工过程中，伺服电机8通过机械平动机构20带动表面电镀金层5的芯模4平动，在其表面电铸一层较厚的电铸铜层6。由温度控制器14和温度传感器15实时检测电铸液17的温度，通过加热管16加热电铸液17，并通过搅拌器18不断搅拌电铸液17。
参考图4，利用纳秒脉冲电源2和微尺度线电极7对电铸铜层6进行整平修整，并控制电铸铜层6和微尺度线电极7的相对运动轨迹，加工出预先要求的轮廓。
参考图5，利用化学试剂选择性溶解芯模4，从而得到图6所示的内壁为电镀金层5，外表面为电铸铜层6的微米尺度矩形金属波导。当芯模的材料为镍时，可使用盐酸或硫酸溶液选择性溶解芯模；当芯模的材料为铝或其合金时，一般采用碱性溶液，例如氢氧化钾、氢氧化钠溶液等选择性溶解芯模。

Claims (5)

1.一种微小金属矩形波导电化学制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、利用双微尺度线电极和纳秒脉冲电源对薄板工件进行微细电解线切割加工得到芯模；
步骤2、在芯模的表面电镀一层金层，其厚度大于该波导传输的太赫兹波的趋肤效应深度，为数十纳米至数微米,芯模两端无镀层；
步骤3、利用运动纳米粒子辅助精密电铸技术在电镀金层的表面电铸一层铜层，其厚度达到毫米级；
步骤4、利用纳秒脉冲电源和微尺度线电极对电铸铜层进行整平修整，并控制芯模和微尺度线电极的相对运动轨迹，加工出预先要求的轮廓；
步骤5、利用化学试剂选择性溶解芯模，从而得到内壁为电镀金层，外表面为电铸铜层的微小矩形金属波导。
2.根据权利要求1所述的一种微小金属矩形波导电化学制造方法，其特征在于：利用双微尺度线电极进行微细电解线切割加工上述步骤1中的芯模，芯模的横截面尺寸通过控制双微尺度线电极的间距和薄板工件厚度来保证。
3.根据权利要求1所述的一种微小金属矩形波导电化学制造方法，其特征在于: 上述步骤3所述运动纳米粒子辅助精密电铸技术电铸铜层的加工过程为：将表面电镀金层的芯模置于盛有纳米粒子的带孔隙的容器中，其中带孔隙的容器置于盛有电铸液的电铸槽中；电铸加工过程中，伺服电机通过机械平动机构带动芯模平动，在其表面电铸一层较厚的电铸铜层；由温度控制器和温度传感器实时检测电铸液的温度，通过加热管加热电铸液，并通过搅拌器不断搅拌电铸液。
4.根据权利要求1所述的一种微小金属矩形波导电化学制造方法，其特征在于：所述步骤1中的芯模材料为镍、铝或其合金材料；
当芯模的材料为镍时，步骤5所述的化学试剂为盐酸或硫酸溶液；
当芯模的材料为铝或其合金时，步骤5所述的化学试剂为碱性溶液。
5.根据权利要求4所述的一种微小金属矩形波导电化学制造方法，其特征在于：所述碱性溶液包括氢氧化钾、氢氧化钠溶液。
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