在微机电系统中,微电铸广泛应用于微纳金属结构的制造,成为非硅基微结构和器件加工的重要技术。微电铸作为一个复杂的工艺体系,影响其沉积微结构性能的因素有很多,如电流密度、电铸液温度、电铸液组分、沉积速度和添加剂的使用等。纳米电铸是在微电铸发展的基础上,根据细晶强化理论,通过调整微电铸工艺使金属电沉积层中晶粒尺寸部分或全部小于100nm,制备出晶粒细小、组织致密的电铸层,以改善微结构的物理和机械性能。本文对脉冲微电铸过程的电结晶机理进行了研究。利用多电流阶跃法测量了不同脉冲参数下的过电位—时间关系曲线,验证过电位是脉冲微电铸过程中阴极电沉积主要的动力学因素。运用中间态金属吸附原子概念分析脉冲微电铸电结晶过程中的晶种产生和晶核形成,建立了相应晶核形成的模型,合理地解释了脉冲微电铸中的电结晶过程。基于微电铸体系的等效电路,运用交流阻抗法研究微电铸镍结构的电极过程动力学特性。以微流控芯片微模具上十字铸层为例,建立了数学模型,给出了描述微电铸体系电流密度和流体流场的偏微分方程,运用有限元法对影响微电铸铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行三维数值分析。微电铸中电流—流体耦合场的电流密度和流场分布的三维数值分析结果,可用于微电铸结构的设计和工艺的制定,能够缩短微电铸工艺的开发周期。在研究脉冲微电铸的基础上,提出了一种采用周期换向正向连续脉冲电流的纳米电铸方法,分析其减小铸层晶粒尺寸的机理。建立了铸层和电铸液间的双扩散层模型,通过双扩散层模型研究了周期换向脉冲纳米电铸的极限电流密度。在电铸液组分相同的条件下,进行了周期换向脉冲电流和正脉冲电流的微电铸实验研究,分析了铸层的微观结构、晶粒尺寸和高度均匀性的变化规律,研究了铸层的显微硬度和耐磨性等机械性能。与正脉冲微电铸相比,周期换向脉冲纳米电铸的极限电流密度比较大,能够在较大的平均电流密度下达到细化晶粒的效果。在脉冲正向导通时间和关断时间与正脉冲微电铸相当的条件下,当正向电流密度大于10A/dm2时,周期换向脉冲纳米电铸铸层的晶粒尺寸小、显微硬度高、耐磨性好。实验结果表明,这种周期换向脉冲纳米电铸能够提高电铸微结构的物理和机械性能。