在微模具制作中的微機(jī)械加工技術(shù)應(yīng)用

陳國(guó)興，陳吉祥，蔡耀安

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518172）

在微模具制作中的微機(jī)械加工技術(shù)應(yīng)用

陳國(guó)興，陳吉祥，蔡耀安

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518172）

科學(xué)技術(shù)水平的提高，使微型制作設(shè)計(jì)技術(shù)取得了顯著成果。現(xiàn)階段，微型技術(shù)在人們生活內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，就以微模具來(lái)說(shuō)，也在逐漸完善成熟過程中，研究人員對(duì)微模具機(jī)械加工技術(shù)關(guān)注程度顯著提升。本文對(duì)制作微模具的微機(jī)機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行了分析研究。

制作微模具；微機(jī)械加工技術(shù)；應(yīng)用分析

微電子技術(shù)快速發(fā)展過程中，微機(jī)械加工技術(shù)越加完善成熟，加工生產(chǎn)出來(lái)的器件具有較高靈敏度，工作效率較高，逐漸向智能化及微型化方向發(fā)展，微電子技術(shù)產(chǎn)品在醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。但是由于微機(jī)電器件應(yīng)用范圍十分廣泛，生產(chǎn)數(shù)量較高，進(jìn)而需要批量化生產(chǎn)，這就需要制作微模具。微模具在制作完畢之后，能夠有效簡(jiǎn)化器件生產(chǎn)流程，提高器件生產(chǎn)質(zhì)量。現(xiàn)階段，微模具加工技術(shù)所包含的類別較多，例如 LICA模具制作技術(shù)、硅體微加工技術(shù)等。

1 LICA技術(shù)在微模具制作中的應(yīng)用

1.1 LICA技術(shù)原理

LICA技術(shù)在應(yīng)用過程中，需要借助功率同步加速器，功率同步加速器在產(chǎn)生x射線之后，進(jìn)行光刻，在光阻投影作用下，形成微型結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)過電鑄處理之后，就形成了金屬模具，鑄模在復(fù)制之后，形成人們所需要的塑料產(chǎn)品。LICA技術(shù)微模具制作應(yīng)用中，工藝流程如下。

1.1.1 同步x-ray曝光

LICA技術(shù)在光刻過程中，需要具有銅掩模板及 X射線，其中銅掩模板主要由四部分構(gòu)成，分別為銅板、光刻膠、掩膜支撐體及吸收體，可以借助X射線對(duì)形成的二維圖形投射到銅掩模板上面，吸收體在將x射線能量吸收之后，會(huì)將能量轉(zhuǎn)移到光刻膠上面，對(duì)單點(diǎn)光束強(qiáng)度進(jìn)行控制，形成三維圖形。

1.1.2 光刻顯影

光刻顯影應(yīng)用光刻膠被x射線降解理論，也就是x射線在曝光處理之后，光刻膠分子會(huì)出現(xiàn)斷裂情況，逐漸從大分子轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿樱饪棠z在進(jìn)行曝光之后需要放到顯影液內(nèi)進(jìn)行處理，降解處理之后的小分子也需要放到顯影液內(nèi)進(jìn)行處理，沒有處理的光刻膠無(wú)法溶解到顯影液內(nèi)，這樣就形成三維光刻膠微結(jié)構(gòu)。

1.1.3 電鑄制模

顯影處理之后，金屬會(huì)填充到三維光刻膠微結(jié)構(gòu)空隙上面，金屬在將三維光刻微結(jié)構(gòu)空隙全部覆蓋之后，形成金屬陽(yáng)極，銅板基片被稱之為陰極，在陽(yáng)極與陰極之間施加電場(chǎng)。在電場(chǎng)作用之下，陽(yáng)極金屬能夠?qū)㈦娮觿冸x，通過金屬電子方式添加電鑄液，金屬離子逐漸向陰極移動(dòng)，金屬離子在轉(zhuǎn)移到陰極之后，電子就會(huì)依附到陰極上面，金屬離子在沉積處理之后，可以形成互補(bǔ)金屬結(jié)構(gòu)。顯影處理之后的三維光刻膠孔徑深度顯著增加，鉸孔空隙逐漸減小，在點(diǎn)鑄液作用之下，三維光刻膠表面張力逐漸增加，僅僅通過重力作用電鑄液無(wú)法全部覆蓋到微孔內(nèi)部，這就需要借助針對(duì)性電鑄工藝。針對(duì)性電鑄工藝能夠保證電鑄液全部進(jìn)入到微孔內(nèi)，形成的微型結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力變化。現(xiàn)階段，電鑄液表面張力在解決過程中，主要應(yīng)用兩種方法，分別為脈沖電源、超聲波技術(shù)，其中脈沖電源主要是在電鑄液處理過程中，添加一定數(shù)量表面抗張力劑，有效克服電鑄液表面張力情況；超聲波技術(shù)在應(yīng)用過程中，能夠有效增加電鑄液金屬離子對(duì)流情況，對(duì)電鑄液表面張力進(jìn)行解決。

1.1.4 注塑復(fù)制

電鑄在操作完畢之后，構(gòu)建金屬微結(jié)構(gòu)。金屬微結(jié)構(gòu)作為注塑操作模模板，利用快速注塑成型技術(shù)與模壓成型技術(shù)，注塑處理之后，就能夠得到針對(duì)性塑料結(jié)構(gòu)，與工業(yè)大批量生產(chǎn)實(shí)際需求，有效降低微模具生產(chǎn)加工成本。

1.2 LICA模具制作技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

1.2.1 LICA加工模具優(yōu)點(diǎn)

LICA加工模具在產(chǎn)生過程中，取材十分廣泛，金屬、陶瓷等材料都可以在 LICA加工模具內(nèi)應(yīng)用，所形成的微結(jié)構(gòu)深度較高，形成多元化圖形結(jié)構(gòu)，有效提高模具加工精確度，部分產(chǎn)品加工精度甚至超過0.1μm。LICA加工模具在應(yīng)用過程中，可以重復(fù)復(fù)制，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)大批量需求，有效降低模具生產(chǎn)成本。

1.2.2 LICA加工模具的缺點(diǎn)

LICA加工模具在生產(chǎn)過程中，需要應(yīng)用到同步 x射線儀，設(shè)備成本較為昂貴，LICA加工模具成本較高。LICA加工模具在對(duì)曲面或者是斜面模具在加工上面，加工難度較高，同時(shí)在部分零件上面無(wú)法光刻及電鑄處理。

1.3 LICA加工模具發(fā)展趨勢(shì)

LICA加工模具由于材料應(yīng)用十分廣泛，能夠有效解決曲面及斜面加工難度較低問題，具有三維加工性能，LICA加工方式更加多樣化；LICA加工模具生產(chǎn)工藝十分成熟，逐漸智能化建設(shè)，加工工藝有效簡(jiǎn)化，加工效率顯著提升，模具生產(chǎn)成本顯著降低。

1.4 準(zhǔn)LICA技術(shù)

準(zhǔn) LICA技術(shù)并不需要應(yīng)用同步 X射線儀及光刻膠，通過紫外線及激光對(duì)光敏材料進(jìn)行曝光，顯影處理之后，構(gòu)建微三維結(jié)構(gòu)，進(jìn)而經(jīng)過電鑄、鑄塑等加工工藝，完成微模具制作。準(zhǔn) LICA技術(shù)在微模具制作上，工藝較為簡(jiǎn)化，生產(chǎn)成本較為低廉，微模具加工周期顯著縮短。

1.4.1 激光燒逐技術(shù)

激光燒逐技術(shù)主要通過波長(zhǎng)準(zhǔn)分子激光設(shè)備，直接對(duì)光敏材料進(jìn)行消融處理，微模具在生產(chǎn)過程中并不需要經(jīng)過曝光及顯影處理，微模具加工工藝制作流程有效簡(jiǎn)化，微模具制作效率顯著提升，制作精度也可以顯著提升。

1.4.2 DEM微模具制作技術(shù)

DEM技術(shù)是由我國(guó)科研人員所提出，屬于準(zhǔn)LICA技術(shù)類別之一，主要是借助離子體設(shè)備，通過紫外光對(duì)硅片進(jìn)行刻畫處理，借助刻蝕機(jī)對(duì)硅片進(jìn)行深層處理，硅片氧化處理之后，可以形成三維光刻結(jié)構(gòu)，電鑄處理之后制作成金屬微型結(jié)構(gòu)，金屬微型結(jié)構(gòu)需要?dú)溲趸浫芤哼M(jìn)行腐蝕處理，最終得到微復(fù)制模具。DEM微模具制作技術(shù)在應(yīng)用過程中，機(jī)械設(shè)備成本較為低廉，產(chǎn)品加工時(shí)間較短，具有良好兼容特征，可以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。雖然 DEM微模具制作技術(shù)具有十分顯著優(yōu)勢(shì)，但是硅片屬于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性能十分低下，電鑄難度較高。

2 細(xì)微加工微模具技術(shù)

2.1 精密機(jī)械加工技術(shù)

精密機(jī)械加工技術(shù)是由日本研究人員提出，主要通過精密數(shù)控加工中心，制作微型結(jié)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)控代碼結(jié)構(gòu)，加工中心應(yīng)用刀具處理之后，就能夠得到人們所需要的產(chǎn)品。精密機(jī)械加工技術(shù)對(duì)加工材料要求較為嚴(yán)苛，加工精度較為低下，無(wú)法在高精微模具加工上面應(yīng)用，現(xiàn)階段主要在微小三維構(gòu)件制作上面應(yīng)用。

2.2 微細(xì)電火花模具加工技術(shù)

微細(xì)電火花模具加工技術(shù)原理與常規(guī)電火花加工技術(shù)原理基本相同，工具和工件電極十分相似，工件在電場(chǎng)作用之下，電解液能夠覆蓋到全部金屬模具內(nèi)，出現(xiàn)發(fā)電情況，工件表面溫度顯著提升，金屬表面出現(xiàn)汽化及熔化情況，對(duì)工件金屬進(jìn)行處理。微模具加工精度影響因素較多，例如電極制作工藝、放電時(shí)間、加工狀態(tài)等等。現(xiàn)階段，微細(xì)電火花加工過程中難度主要為微細(xì)電極，特別是形狀特殊的微細(xì)電極，傳統(tǒng)微細(xì)電極方法加工精確度有限。

2.3 微細(xì)電解加工技術(shù)

微細(xì)電解加工過程中，加工原理為金屬適當(dāng)陽(yáng)極溶解，屬于工件加工成型方法。從原理層面來(lái)說(shuō)，微細(xì)電解加工技術(shù)可以分為兩種類別，分別為陰極沉積原理和陽(yáng)極溶解原理。微細(xì)電解加工技術(shù)在整個(gè)加工過程中，都采取離子運(yùn)行的方式，同時(shí)由于離子尺寸較小，所以電化學(xué)制作技術(shù)可以在微細(xì)制作領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，甚至在納米領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，具有良好發(fā)展?jié)撃堋Ｎ⒓?xì)電解加工技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛，并不需要受到材料性質(zhì)影響，并不會(huì)出現(xiàn)飛邊或者是毛刺情況，加工表面精確度顯著提升。

2.4 微細(xì)電鑄加工技術(shù)

微細(xì)電鑄加工技術(shù)工藝主要分為四個(gè)流程，分別為設(shè)計(jì)制造鑄模、導(dǎo)電層和分離層處理、電沉積金屬、脫模和背襯處理。微細(xì)電鑄加工技術(shù)主要特點(diǎn)為：重復(fù)及復(fù)制精確度較高；應(yīng)用范圍十分廣泛，能夠在復(fù)雜及精度零件生產(chǎn)上面應(yīng)用；電鑄制品在生產(chǎn)過程中，可控性較強(qiáng)，能夠有效對(duì)金屬類別進(jìn)行改變，電鑄液配方及工藝參數(shù)合理修改，電鑄制品力學(xué)性能應(yīng)用范圍廣泛；制作成本低廉，機(jī)械設(shè)備投資低廉。與此同時(shí)，微細(xì)電鑄加工技術(shù)在加工過程中，產(chǎn)品余量較小，廢品可以重復(fù)應(yīng)用，同時(shí)電鑄液也可以反復(fù)應(yīng)用。

微細(xì)電鑄加工技術(shù)雖然具有十分顯著優(yōu)勢(shì)，但是并不表示微細(xì)電鑄加工技術(shù)可以在任何情況都可以應(yīng)用，還存在一定局限性。微細(xì)電鑄加工技術(shù)鑄層質(zhì)量穩(wěn)定性較低，電場(chǎng)存在分布不均勻情況，造成微模具加工時(shí)間較長(zhǎng)，微模具加工效率十分低下，所能夠應(yīng)用材料有限。

3 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)水平在顯著提升過程中，微機(jī)械加工技術(shù)在微模具制作上應(yīng)用也開始逐漸完善成熟，不同微機(jī)械加工技術(shù)在微模具制作上面應(yīng)用，都存在一定優(yōu)勢(shì)及不足。在對(duì)微機(jī)械加工技術(shù)選擇過程中，需要按照微模具加工精度及成本等方面實(shí)際要求，合理對(duì)微機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行選擇。微電子機(jī)械技術(shù)在不斷完善過程中，微模具微機(jī)械加工精確度將不斷提升，微模具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，這就需要對(duì)微模具的微機(jī)械加工技術(shù)深入了解。

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