制作微模具的微機械加工技術應用與研究

李 靜

（晉中職業技術學院，山西晉中030600）

引言

隨著微電子技術的迅速發展,微機械加工技術快速提高，加工出具有微型化、集成化、智能化、功能多樣化、能耗低、靈敏度高、工作效率高微機電器件，廣泛應用軍事、航空航天、醫療、汽車、工業控制環保、生活用品等領域。由于微機電器件應用廣泛、需求量大，需要量化生產，就需要制作相應的微模具，通過微模具成型微器件，此外微模具成型器件的生產工藝和產品質量易控制。目前可以用來加工微模具的加工技術有LIGA模具制作技術，硅體微加工技術、光學光刻和激光燒蝕模具制作技術、機械微加工模具制作技術、微電火花模具加工技術等。

一、LIGA技術在微模具制作中的應用

（一）LIGA 技術的原理

LIGA技術是利用較大功率同步加速器產生的X射線，經過X-ray光刻，光阻投影形成人工塑料微型結構，然后經過電鑄制模形成金屬模具，最后經過鑄模復制形成所需的塑料產品。其工藝流程為：

1、同步X-ray曝光

光刻的條件有同步X射線和銅掩模板，銅掩模板由吸收體、掩膜支撐體、光刻膠和銅板基片組成，利用同步輻射X射線產生的二維圖形投射到銅掩模板，吸收體吸收X射線的能量，轉移到光刻膠上，通過控制單點光束的強度，刻蝕一定深寬比的三維圖形。

2、光刻顯影

利用光刻膠易被X射線降解的原理，即經過X射線曝光光刻膠的分子長鍵發生斷裂，大分子變成小分子，然后將被曝光的光刻膠放到顯影液中處理，被曝光降解的光刻膠的小分子溶解在顯影液中，沒有被曝光的光刻膠的大分子則不溶于顯影液，因此形成了與掩膜圖形一致的三維光刻膠微結構。

3、電鑄制模

顯影結束后，在三維光刻膠微結構的空隙中填充銅鎳鐵等金屬，使三維光刻膠被金屬完全覆蓋，作為陽極，銅板基片作為陰極，然后施加電場。陽極金屬在電場的作用下，剝離電子，以金屬離子的形式進入電鑄液，在電場作用下向陰極移動，當金屬離子接觸到陰極時，得到電子并附著在陰極上，沉積完畢后得到與光刻膠互補的金屬結構。但顯影后的三維光刻膠的電鑄孔較深，空隙微小，受電鑄液的表面張力影響較大，僅依靠重力電鑄液很難全部流入微孔中，因此需要特殊的電鑄工藝，保證電鑄液順利流入微孔的同時，電鑄出來的微型結構無內應力。目前克服電鑄液表面張力的辦法有：采用脈沖電源，在電鑄液中添加適量的表面抗張力劑，或利用超聲波技術，增加電鑄液金屬離子的對流。

4、注塑復制

電鑄結束后，形成了金屬微結構，將其作為注塑的模板，采用模壓成型、快速注塑成型等技術，脫模后得到需要的塑料結構，符合工業上大批量生產要求，降低成本。

（二）LIGA 模具制作技術的特點及應用

1、LIGA加工模具的優點

取材廣泛，可以是金屬、陶瓷、聚合物、玻璃等，可制造有較大深寬比的微結構；可制作復雜圖形結構，精度高，加工精度可達0.1μm；可重復復制，符合工業上大批量生產要求，成本低。

2、LIGA加工模具的缺點

使用同步X射線儀，價格昂貴，加工成本高；對于含有曲面、斜面的微型模具加工難度大，且口小肚大的腔體難以進行光刻、電鑄；高密度微尖陣列的微器件要求的光刻分辨率高，也難以加工。

3、LIGA加工微模具的應用

微米尺度的微齒輪、微傳感器、微光學元件、微制動器等多種結構器件。

（三）LIGA 加工模具的發展趨勢

1、具有較強和較廣泛為的材料加工，解決含有曲面、斜坡等難加工的模具技工技術，真正具備三維加工能力，使LIGA加工更加靈活多樣；

2、加工設備成熟、更加智能化，簡化加工工藝，提高加工效率，降低生產成本；

（四）準LIGA 技術

準LIGA技術是指無需利用價格昂貴的同步X射線儀以及光刻膠，采用激光或紫外線代替同步X射線，對光敏材料（如SU-8負型膠）曝光，經過顯影后形成微三維結構，然后經過電鑄、去硅、鑄塑成型，得到所需的微型模具。其優點為：工藝簡單、成本低廉、加工周期短。

1、激光燒逐（Laster-LIGA）技術

采用一定波長的準分子激光器，直接消融光敏材料，無需經過曝光和顯影，簡化了制作流程，提高了制作效率，其精度也可達到微米級。

2、UV-LIGA技術

用深紫外光的深度曝光來取代LIGA工藝中的同步x射線深度曝光，它可以用于刻蝕適中厚度的光刻膠，節省成本。

3、DEM微模具制作技術

DEM技術是由上海交通大學和北京大學聯合研發出的準LIGA技術，其原理是利用感應耦合等離子體設備，發出紫外光對氧化過的低阻硅片進行深層刻蝕，然后用ICP刻蝕機對硅深層的刻蝕，經過氧化得到三維光刻間隙，然后電鑄得到金屬微型機構，再使用氫氧化鉀溶液將硅腐蝕掉，從而得到微復制模具，再經過壓膜或注塑得到需要的塑料產品。優點：設備價格低、加工周期短、兼容性好、可操作性強、產業化強；缺點：由于硅是半導體，硅片導電能力差，很難做到直接在硅片上直接電鑄，且加工深寬比不如LIGA技術。

二、細微加工微模具技術

1、精密機械加工技術

精密機械加工微模具的方法起源于日本，利用精密的數控加工中心，通過把微型模具結構的圖形，換算成數控代碼，加工中心使用刀具加工成需要的產品。這種加工方法對加工材料有一定得選擇性，同時加工的精度受限，一般不適合高精微模具的加工，但已成功地制作出尺寸在10-100μm的微小三維構件。

2、微細電火花模具加工技術

微細電火花加工的原理和普通電火花加工原理類似，當工件和工具電極相互靠近時，在電場作用下，擊穿電解液，發生放電，產生瞬時高溫經工件表面金屬熔化、汽化，從而達到蝕去工件金屬的目的。影響微模具的加工精度的原因很多，如工具電極的制作工藝和制作精度、微小能量放電電源間隔脈沖和放電時間、細微電極的微量伺服進給大小、加工狀態的檢測和反饋、系統的操作控制精度、加工工藝、操作技術等，電極尖端越細，電源放電的單脈沖能量越小、伺服進給量越小、傳感器檢測越靈敏，電火花的加工精度越高。目前微細電火花加工的最大難題是微細電極的加工，尤其是特殊形狀的微細電極，加工微細電極的有效方法有單發放點微細電極成形法，反拷法加工微細陳列電極，原位孔微細電火花磨削法，LIGA制作微細電極。

微細電火花可以進行二維和三維的加工，二維加工精度可以達到納米尺度，采用專門的微細電火花銑削CAD/CAM體統，可以加工高精的三維自由曲面。在實際加工中，往往電極的損耗很大，嚴重地影響加工精度。因此合理地進行加工軌跡的規劃并進行電極損耗的補償，是提高微細三維結構電火花加工精度的核心技術。目前最新的微細電火花加工工藝有集束電極加工、近干式電火花加工、曲線孔點火花加工和超硬磨料砂輪電加工修整加工。

3、微細電解加工技術

微細電解加工是利用金屬產生陽極溶解原理將工件加工成型的一種工藝方法。按原理分兩類：基于陰極沉積原理的增材制造技術，如精密電鑄、電刷鍍等；基于陽極溶解原理的減材制造技術，如電解加工、電拋光等。加工過程都以離子形式進行，由于離子的尺寸非常微小，因此電化學制造技術的這種微去除方式使得它在微細制造領域，以至于納米制造領域有著很大的發展潛能。微細電解加工的特點：加工范圍廣，不受材料物理性能的影響；無殘余應力，沒有飛邊、毛刺，表面粗糙度可達0.2-1.6μm，表面質量好；工具無損耗。

4、微細電鑄加工技術

工藝：設計制造鑄模→導電層、分離層處理→電沉積金屬→脫模和背襯處理。

特點：極高的復制精度和重復精度；適用范圍廣，廣泛用于具有精密、復雜內型面零件的制造；電鑄制品性能的可控性強，通過改變金屬種類、電鑄液配方和工藝參數，或采取使用添加劑等措施，電鑄制品的力學性能和物理性能可在很大范圍內變化；成本低。設備投資較少，加工余量較小，廢品可作為陽極材料重新使用，鑄模和電鑄液也可重復使用。

局限性：鑄層質量不穩定；由于電場分布極不均勻，導致鑄層均勻性差；加工時間長，效率低；材料限制。

5、微細高能束流加工技術

微細高能束加工包括激光加工、電子束加工和離子束加工。

（1）激光加工技術

原理：利用激光能量密度高、方向性好的特點，將光能轉變為熱能來蝕除材料。

特點：加工材料廣泛；加工速度快；可以聚焦到微米尺度，可以進行高精模具的二維和三維加工；激光的位置可控性和過程可控性好，加工對象的材料、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大，特別適用于自動化加工；將CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驅動和新材料等先進技術集成，組成激光快速成型技術。

（2）電子束加工微模具技術

原理：利用電子的高速運動沖擊工件，使動能轉變為熱能加工材料。

特點：束徑小、能量密度高，適合精微加工生產效率高，適用材料廣泛；加工過程快，工件變形小；無加工污染，自動化程度高；真空環境工作，價格昂貴。

用途：穿孔、刻槽、焊接、鍍膜和光刻等領域。

（3）離子束加工技術

原理：在真空條件下，將具有一定速度的離子束投射到材料表面，產生離子的濺射效應或注入效應。濺射效應是高速粒子把工件的原子撞擊出來，注入效應是從靶材濺射出來的粒子吸附到工件表面。

特點：真空環境，加工范圍廣，加工效率高，精度可控，零件變形小，加工污染小。

用途:刻蝕、研磨、拋光、剝離以及穿孔、切割等,適用于微細模具的表面加工和二維加工。

小結

綜合各種微機械加工技術的優點和不足，根據微細模具的精度要求，選擇成本最低，用時最小的加工方法。隨著微電子機械技術的發展，微模具的微機械的加工精度更高、成本更低、產品結構更復雜。

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