李 靜

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西晉中030600）

引言

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,微機(jī)械加工技術(shù)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(jī)電器件，廣泛應(yīng)用軍事、航空航天、醫(yī)療、汽車、工業(yè)控制環(huán)保、生活用品等領(lǐng)域。由于微機(jī)電器件應(yīng)用廣泛、需求量大，需要量化生產(chǎn)，就需要制作相應(yīng)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(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量易控制。目前可以用來加工微模具的加工技術(shù)有LIGA模具制作技術(shù)，硅體微加工技術(shù)、光學(xué)光刻和激光燒蝕模具制作技術(shù)、機(jī)械微加工模具制作技術(shù)、微電火花模具加工技術(shù)等。

一、LIGA技術(shù)在微模具制作中的應(yīng)用

（一）LIGA 技術(shù)的原理

LIGA技術(shù)是利用較大功率同步加速器產(chǎn)生的X射線，經(jīng)過X-ray光刻，光阻投影形成人工塑料微型結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)過電鑄制模形成金屬模具，最后經(jīng)過鑄模復(fù)制形成所需的塑料產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)移到光刻膠上，通過控制單點(diǎn)光束的強(qiáng)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(jīng)過X射線曝光光刻膠的分子長鍵發(fā)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(jié)構(gòu)。

3、電鑄制模

顯影結(jié)束后，在三維光刻膠微結(jié)構(gòu)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(jìn)入電鑄液，在電場作用下向陰極移動，當(dāng)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(bǔ)的金屬結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)無內(nèi)應(yīng)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(shù)，增加電鑄液金屬離子的對流。

4、注塑復(fù)制

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

（二）LIGA 模具制作技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

1、LIGA加工模具的優(yōu)點(diǎn)

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(jié)構(gòu)；可制作復(fù)雜圖形結(jié)構(gòu)，精度高，加工精度可達(dá)0.1μm；可重復(fù)復(fù)制，符合工業(yè)上大批量生產(chǎn)要求，成本低。

2、LIGA加工模具的缺點(diǎn)

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(jìn)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(yīng)用

微米尺度的微齒輪、微傳感器、微光學(xué)元件、微制動器等多種結(jié)構(gòu)器件。

（三）LIGA 加工模具的發(fā)展趨勢

1、具有較強(qiáng)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(shù)，真正具備三維加工能力，使LIGA加工更加靈活多樣；

2、加工設(shè)備成熟、更加智能化，簡化加工工藝，提高加工效率，降低生產(chǎn)成本；

（四）準(zhǔn)LIGA 技術(shù)

準(zhǔn)LIGA技術(shù)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(fù)型膠）曝光，經(jīng)過顯影后形成微三維結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)過電鑄、去硅、鑄塑成型，得到所需的微型模具。其優(yōu)點(diǎn)為：工藝簡單、成本低廉、加工周期短。

1、激光燒逐（Laster-LIGA）技術(shù)

采用一定波長的準(zhǔn)分子激光器，直接消融光敏材料，無需經(jīng)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(dá)到微米級。

2、UV-LIGA技術(shù)

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(jié)省成本。

3、DEM微模具制作技術(shù)

DEM技術(shù)是由上海交通大學(xué)和北京大學(xué)聯(lián)合研發(fā)出的準(zhǔn)LIGA技術(shù)，其原理是利用感應(yīng)耦合等離子體設(shè)備，發(fā)出紫外光對氧化過的低阻硅片進(jìn)行深層刻蝕，然后用ICP刻蝕機(jī)對硅深層的刻蝕，經(jīng)過氧化得到三維光刻間隙，然后電鑄得到金屬微型機(jī)構(gòu)，再使用氫氧化鉀溶液將硅腐蝕掉，從而得到微復(fù)制模具，再經(jīng)過壓膜或注塑得到需要的塑料產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備價格低、加工周期短、兼容性好、可操作性強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)化強(qiáng)；缺點(diǎn)：由于硅是半導(dǎo)體，硅片導(dǎo)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(shù)。

二、細(xì)微加工微模具技術(shù)

1、精密機(jī)械加工技術(shù)

精密機(jī)械加工微模具的方法起源于日本，利用精密的數(shù)控加工中心，通過把微型模具結(jié)構(gòu)的圖形，換算成數(shù)控代碼，加工中心使用刀具加工成需要的產(chǎn)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(gòu)件。

2、微細(xì)電火花模具加工技術(shù)

微細(xì)電火花加工的原理和普通電火花加工原理類似，當(dāng)工件和工具電極相互靠近時，在電場作用下，擊穿電解液，發(fā)生放電，產(chǎn)生瞬時高溫經(jīng)工件表面金屬熔化、汽化，從而達(dá)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(xì)微電極的微量伺服進(jìn)給大小、加工狀態(tài)的檢測和反饋、系統(tǒng)的操作控制精度、加工工藝、操作技術(shù)等，電極尖端越細(xì)，電源放電的單脈沖能量越小、伺服進(jìn)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(xì)電火花加工的最大難題是微細(xì)電極的加工，尤其是特殊形狀的微細(xì)電極，加工微細(xì)電極的有效方法有單發(fā)放點(diǎn)微細(xì)電極成形法，反拷法加工微細(xì)陳列電極，原位孔微細(xì)電火花磨削法，LIGA制作微細(xì)電極。

微細(xì)電火花可以進(jìn)行二維和三維的加工，二維加工精度可以達(dá)到納米尺度，采用專門的微細(xì)電火花銑削CAD/CAM體統(tǒng)，可以加工高精的三維自由曲面。在實(shí)際加工中，往往電極的損耗很大，嚴(yán)重地影響加工精度。因此合理地進(jìn)行加工軌跡的規(guī)劃并進(jìn)行電極損耗的補(bǔ)償，是提高微細(xì)三維結(jié)構(gòu)電火花加工精度的核心技術(shù)。目前最新的微細(xì)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(diǎn)火花加工和超硬磨料砂輪電加工修整加工。

3、微細(xì)電解加工技術(shù)

微細(xì)電解加工是利用金屬產(chǎn)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(shù)，如精密電鑄、電刷鍍等；基于陽極溶解原理的減材制造技術(shù)，如電解加工、電拋光等。加工過程都以離子形式進(jìn)行，由于離子的尺寸非常微小，因此電化學(xué)制造技術(shù)的這種微去除方式使得它在微細(xì)制造領(lǐng)域，以至于納米制造領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)撃?。微?xì)電解加工的特點(diǎn)：加工范圍廣，不受材料物理性能的影響；無殘余應(yīng)力，沒有飛邊、毛刺，表面粗糙度可達(dá)0.2-1.6μm，表面質(zhì)量好；工具無損耗。

4、微細(xì)電鑄加工技術(shù)

工藝：設(shè)計制造鑄?！鷮?dǎo)電層、分離層處理→電沉積金屬→脫模和背襯處理。

特點(diǎn)：極高的復(fù)制精度和重復(fù)精度；適用范圍廣，廣泛用于具有精密、復(fù)雜內(nèi)型面零件的制造；電鑄制品性能的可控性強(qiáng)，通過改變金屬種類、電鑄液配方和工藝參數(shù)，或采取使用添加劑等措施，電鑄制品的力學(xué)性能和物理性能可在很大范圍內(nèi)變化；成本低。設(shè)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(fù)使用。

局限性：鑄層質(zhì)量不穩(wěn)定；由于電場分布極不均勻，導(dǎo)致鑄層均勻性差；加工時間長，效率低；材料限制。

5、微細(xì)高能束流加工技術(shù)

微細(xì)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(shù)

原理：利用激光能量密度高、方向性好的特點(diǎn)，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄砦g除材料。

特點(diǎn)：加工材料廣泛；加工速度快；可以聚焦到微米尺度，可以進(jìn)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(huán)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(qū)動和新材料等先進(jìn)技術(shù)集成，組成激光快速成型技術(shù)。

（2）電子束加工微模具技術(shù)

原理：利用電子的高速運(yùn)動沖擊工件，使動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗庸げ牧稀?/p>

特點(diǎn)：束徑小、能量密度高，適合精微加工生產(chǎn)效率高，適用材料廣泛；加工過程快，工件變形?。粺o加工污染，自動化程度高；真空環(huán)境工作，價格昂貴。

用途：穿孔、刻槽、焊接、鍍膜和光刻等領(lǐng)域。

（3）離子束加工技術(shù)

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(chǎn)生離子的濺射效應(yīng)或注入效應(yīng)。濺射效應(yīng)是高速粒子把工件的原子撞擊出來，注入效應(yīng)是從靶材濺射出來的粒子吸附到工件表面。

特點(diǎn)：真空環(huán)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(xì)模具的表面加工和二維加工。

小結(jié)

綜合各種微機(jī)械加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足，根據(jù)微細(xì)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(jī)械技術(shù)的發(fā)展，微模具的微機(jī)械的加工精度更高、成本更低、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

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