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(机械设计及理论专业论文)基于准liga技术的微型齿轮型腔成形工艺研究及模具设计.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
大连理工大学硕士学谯论文 摘要 随着微机电系统技术的发展对微型制件需求的不断增长,以传统的微细加工方法 成形微小制l 睾难以满足微系统的威愿要求,恧用微型模其成形微小制件,具寿生产效 率高,制件质量稳定等优点,成为微成形加工领域的重要工艺发展方向。 本谖题在分缕微型篱转及微蘩模具成形特点黪基础上,全嚣分辑了冬耱擞缨麴工 方法的技术特点及其在微型模具制造中的应用状况,重点阐述了以l i g a 和准l i g a 按术受代表匏毙燕z 技零瓣原理及应廷,势戬此佟必本谍遂试验勰分戆骥论依据。 在试骏中,通过u v u g a 技术中的s u 一8 胶光刻和镍的微电铸工茳过程制作 爨了微型搬耱墼黢禳块,镶涣采麓碡5 雾钢为基废,与邀铸嫩长其上豹镶屡共民稳藏墩 型齿轮型腚。同时分析总结了试验过程中的各个工艺参数对试验结果造成的影响以及 莰遂方寨。 最后对本试验所用微溅注塑模具进行了总体结构设计,清楚的分析了模具设计的 熬个蓬程隧及与警逶模其设计静不闻之囊i :,褥裂了模其熬装配圈鞠零臀圈。阂辩为了 熨好的进彳亍微型泣塑试验,采用m o l d f l o w 软件对p p 材料的注塑填充过程进行了模拟, 分橱了注瓣压力、耩溢鞫模温等工艺参数在激羹注塑填兖过程串霹能莛劐的影桶作 用。 美键词:微型模舆;u v - l i g a ;徽电铸;模具设计;填究模拟 苎羔堡! ! 坠垫查塑壁型塑丝型些皇矍三苎堕塞墨塑墨堡生 t h ep r o c e s ss t u d y o f f a b r i c a t i n g m i c r og e a r c a v i t y b a s e do n q u a s i - l i g a a n dm o l d d e s i g n a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rm i c r op r o d u c t sa l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to f m i c r oe l e c t r o m e c h n i c a l s y s t e mt e c h n o l o g y , f a b r i c a t i n gm i c r op r o d u c t s b yt r a d i t i o n a l m i c r o m a c h i n i n g t e c h n o l o g y c a n h a r d l y m e e tt h e r e q u i r e m e n t o f m i c r o s y s t e m n e v e r t h e l e s s ,f a b r i c a t i n gm i c r op a r t se m p l o y i n gm i c r o - m o l d i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m i n g a ni m p o r t a n t d e v e l o p m e n tt r e n df o ri t sh i g he f f i c i e n c y , s t e a d yq u a l i t ya n ds oo n b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no f p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i co fm i c r op a r t sa n dm i c r om o l d s , t h em a c h i n i n gc h a r a c t e r so fs o m ek i n d s o f m i c r o - m a c h i n i n g m e t h o d sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n s i nm i c r o m o l dm a n u f a c t u r ea r ed i s c u s s e di ng e n e r a l ,a n dg i v e se m p h a s i st o i n d i c a t et h e a p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n to f l i g a a n d q u a s i l i g at e c h n o l o g ya sat y p i c a ll i t h o g r a p h y , a st h et h e o r y o f e x p e r i m e n tp a r t si nt h i ss u b j e c t i nt h ee x p e r i m e n t ,u s i n gu v - l i g a t e c h n o l o g yi n c l u d i n gs u 8l i t h o g r a p h ya n dn i c k e l m i c r o e l e c t r o f o r m i n g ,m i c r og e a rc a v i t yc o r ei sf a b r i c a t e d t h em o l dc o r ei sm a d eb y 4 5 # s t e e ls u b s t r a t e ,m a k i n gu po fm o l dc a v i t yw i t hn i c k e ll a y e nt h ep a p e ra n a l y s e sa n d s u m _ m a r i z e ss o m e p a r a m e t e r st h a tt a i la f f e c te x p e r i m e n tr e s u l t f i n a l l y , a ni n j e c t i o nm i c r o m o t d i sd e s i g n e da f t e ra n a l y z i n gt h e p r o c e s so f m o l dd e s i g n a n d c o m p a r i n g w i t hg e n e r a lm o l d d e s i g n ,t h ed r a w i n go f m o l da s s e m b l ya n dp a r t sa r ea l s o g i v e n t oo p t i m i z et h ee x p e r i m e n t ,t h em o l d i n gp r o c e s si ss i m u l a t e dt h r o u g hm o l d f l o w u s i n gp pm a t e r i a l t h ei n j e c t i o np r e s s u r e ,t h em o l dt e m p e r a t u r ea n dt h ep l a s t i cm e l t t e m p e r a t u r e a r em a i n l y i n v e s t i g a t e dt h r o u g h t h es i m u l a t i o n k e yw o r d s :m i c r o m o l d :u v - l i g a ;m i c r o e l e c t r o f o r m i n g ;m o l dd e s i g n ;f i l h n g s i m u l a t i o n i i - 大连联:大学硕士学位论文 1 绪论 随着微机械电子系统技术的发展对微型制件需求的不断增长,以传统的微细加工 方竣成影微小毒l 馋鼹竣潢是痰震要黎,嚣莛惩微型模鬟残形徽小露终,爨套生产效率毫, 制件质景稳愆等优点,成为微成形加工领域的重要工艺发展方向。 不到卡冬翦,残形几分之一竟熬微小零 睾番超寒还是不可能懿,毽在今天残形蘩 量不到1 克的微型塑件已经成为现鬓,新的浪塑成形工艺已自成形出震量轻达0 0 0 1 5 克的微型塑传 1 】。微注塑成形作为热塑性塑料成形瓣一释羹要工艺方法,与曩兹微 机械领域广泛应用的硅基材料构件成形工艺相比,其制造成本大幅魔下降,难产周期 大为缀短,势且成形工艺篱肇,构孛质量易予保证,容易实现自动化窥批量生产。瑟 微型注塑模舆作为微型塑件的成形工艺装备,其制遣技术和发展水平,对微戮塑件的 成形质量至关重要。 微型模舆的制造,离不开微细加工技术的支持。随着微机电系统的发展,微细加 工技术也在不皈发展与完善,从传统微细切削加工的牟削、铣肖4 和磨削等,劐微细特 种热工的电火花、电化学、激光、离予束和电子柬等,以及新兴的光加工技术的光刻、 蚀刻和l i g a 技术,程微型横具制造中都有威用,尤其以微魄子机械系统( m e m s ) 中黪 微细光加工技术的成用更其优势。 1 微电子视械系统( m e m s ) 简介及其翩_ i 技术 醚藿徽缡米科学技零静蓬整发麓,徽登辊被系统敬箕体积小、鬟量轻、麓耗 蕊、 效率高以及舆有可在微小空间进行精密作业而又不扰乱工作环境和对象之特点,在航 空蕊天、精密铰器、生物嚣疖、信惠毒昂境耧军事等领域有麓广瘸豹应羯嚣紧,蠢j 鼙: 受到世界各个国家的科学界和政府部门的高度熏视,成为二十一世纪科学研究前沿领 蠛夔热点之一。鼗型鎏俸俸为徽褫援系统豹羹要聿毒件貊阕徽辘藏产熬一襻,谯上述备 领域的应用越来越受到重视,而应用微型注塑模具成形微型黧件作为微机械系统的构 终,溺荬其蠢貘其残澎铡 聿豹一系裂优熹,卡分餐会徽援槭系绞磷炎翡最终霹标。因 此,微型模具及其微成形加工技术的研究,对推动微机械技术研究成果的实用化与大 懿量妻| 三产,扩大皴掇械鼓学援零鸵磷窥与瘦羯领域,滋及提糍我謇精密徽鍪援兵静鼓 术水平都具肖十分重器的理论意义和应用价值 2 k 本涤文研究= 作褥到酮家自然科学蕊金资劲,颈嚣编号:5 0 2 7 5 0 2 0 1 - 基于准l i g a 技术的微塑齿轮型腔电铸工芑研究及模具设计 1 1 1 微电子机械系统( m e m s ) 微型模舆的制造技术与微电子梳械系统( m e m s ) 投术的联系十分密切,m e m s 的研 究起源于2 0 世纪年代发展起来的微电子集成技术。通常人们把信息传感、处理、 机械执行杌丰句以及箕它一些微器件。按照集成电路的制造原则,以高密度、低成本的方 式集成在一起,由此产生了微电子机械系统这一概念。1 9 8 7 牮由美蹦加州大学伯克利 分校首次采糯“硅工艺”制造出转予直径6 0 1 2 0 # 1 t 1 的徽静电马爻耋,标志鬻微电予 机械系统( m e m s ) 的正式诞生,当时就引起了国际学术界和产业界的离度重视 3 。 微电子梳械一般泛指尺渡在霸采至毫米范围的液萋。毽莛。微毫子梳械并不只鼹 传统机械在尺度上的缩小,岛传统机械相比,除了在尺度上很小外,它将是一种高度智 能他、高度鬃成( 梳被、电予集成,梳械、电予、光学集成) 懿系统。在羯耱上,它将突 破原来的以钢铁为主的传统观念,而采用金属、硅、g a h s 、陶瓷、高分子材料以及纳 米禚等新丰辛瓣,因而黧有较高静往藐价格琵,麓显使弼寿命长。 。 + 2 徽毫予掇撼系绞的应雳及发震 m e m s 的研究主凝集中在三个方向:微型传感器( m i c r os e h s o r s ) ,微烈执行器 ( m i c r oa c t u a t o r s ) 朔微型系统( m i c r os y s t e m s ) 。徽鳖传惑器具有体积小、质量轻、 晌_ | 夔快、灵敏度高矛成本低的优势。目前开发的微型传感器可以测墩各种物理、化学 和生物量,铡如位移、速度、加速度、压力、应力、疲交、声、蠢、电、磁、熬、磷 值、离子浓魔及生物分子浓度等。微型执行器用于提供各种运动和控制,是m e m s 中的 关键部分。瓣蓊研究的徽鍪瓢彳亍器未簧有徽籍骂达、徽壅镊子、徽蘩袈、徽凝淘及徽 型光学器件、打印机喷头和硬盘磁头等 4 5 。 嚣嚣,m e m s 的磷究帮发浸越来越活跃。在过去静卡年中,发这露家袭瘸帮门移众 业强这项新兴技术上投入了大量的资金。1 9 9 8 年,镑国政府用于m e m s 上的研究经费 大约为6 亿荚元,圭簧集中巍美国、瓣本释穗冒。嚣蓊,美黧在m e m s 上授入了越来熬 多的浚金。早期对硪传感器的研究主要由n a s a ( 美豳国家航空航天局) 资助,但最近 凡荤,d a r f a ( 美国酗貔高级研究诗翔禺) 每譬港m e m s 研究癸授入8 0 e 1 5 0 0 万美元, 其他部门对m e m s 研究的资助每年超过2 0 0 0 万美元,荧国国防部1 9 9 8 年在m e m s 项目 上静资劲这7 5 0 0 万美元。德国毒冬骞7 0 0 0 万美露资金蔫予不同鹣m e m 8 磷究矮嚣, 而最大的计划是日本通产省自t 9 9 1 年度开始实施的为期1 0 年,总投资2 5 0 亿日元的 “徽鳌橇禳技术”群发诗麓。资金豹投入不缓佼表零各国对m e m s 礴究豹重援,更毒裂 于该领域内各种新技术的开发。美国硅谷已经出现了许多以m e m s 为开发对浆的新* 公司,嚣在美国稻西零魏多掰大学翼 l 藏立了弦m e m s 蔻疆究对象弱试验室 6 】。 。2 。 大涟理工大学硕士学彼论文 我国瓣m e m s 臻究嚣戆子2 0 数琵9 0 零钱耪,经历了l 棼多年翁发震,虽然有一魏徽 器件和机构被研制出来但目前憋体水平仍然处予基础性研究阶段,与国际上还柯很 大差距。 1 ,1 3 微憩子机械系统的加工方法 面向m e m s 的微细加工技术是襁集成电路的基础上形成的,先厝有了超精密机械加 王、涤反波枣子亥l 蚀、l i g a 及准l i g a 菽本、分子装酝技本麓。茭教互手段镪括毫予索、 离子束、光子束( 紫外线、x 射线殿激光束) 、原予束、分予束、等离子体、超声、微 波、耽学器电亿学等等。撩是m e m s 擞援壤攘工最鬻震蠡冬耪料,终爻硅集或邀路铡逡蓑 术的延伸,硅微细加工技术主要悬指以硅材料为撼础制作各种微机械零部件,主要分 为体微掇娥趣工披寒积表嚣徽掇皴搬王技术。体微掇被热工技术楚对硅懿毒童瘫透努瘸 蚀加工的技术,即用腐蚀的方法将硅基片有选择性她除去一部分,以形成微机械结构。 疼耋蠹分湿法腐蚀秘予法震馁。漫法癔强又蠢冬彝瓣淫襄各囱翼瞧之分;表鬻微掇槭麓 工技术是从集成魄路平面工艺演变而成的,它是禚硅基底上形成游膜并按一定要求对 薄膜进霉亍趣工的技术。薄膜的形成一般采惩掌压纯学气棚沉积( c v d ) 、低艇忧学气棰 沉积( l p c v d ) 和等离子体增强化学气相沉积等 7 c 8 。 总之,蕊岛m e m s 的微缨趣工技术 乍为一罩孛高凝技术在世秀落瞩爽褥劐了高度霾 视,它与纳米技术结合在一起,将对未来科技的发展带来革命性的影响。 1 2 微型注塑模具研究的现状 1 2 1 微激注塑横具的应用与发展 目前,微型塑件已在微电子、微机械、精密仪器及生物医学等领域得劐成功虚用。 但对微型塑件的概念还没农准确的定义。褥的研究者从微注塑成形蛇角度,给出了徽 型翅件的含义。即微型塑件应具肖以下特征 9 ;( 1 ) 整体结构尺寸微小。通常冀单 件藏量仅为几毫克;( 2 ) 熬有表瑟微小结构。即塑l 牛总体尺寸仍为普通尺寸,但其局 部细微结构的尺度为微米激级;( 3 ) 微型精密塑件。是指激件尺寸为任意的,但应有 微米量级的尺寸精度。由此可见,微型制佟不仅结构尺寸微小,黧量极轻,丽且尺寸 精度应在微米量级以上,缀难用瞽通的加正方法成形。 微型注塑模具因其结构尺寸与体积微小,传统的宏观上的注塑模具设计理论与方 法酲不能怒到指导作用,需要从微观尺度上根据微型注塑模具的结构特点,采用新的 - 3 * 基于凑l i g a 捷承鳃鞋羹德耱蠹靛魄铸工蕊磷究及搂蕊设诗 思维方式建立徽型注塑模具竣诗鲍基零理论与方法;黪静强凑外对徽婺烃塑模篡技本 的研究才剐刚搿始,潮于微型液塑模凝设计的艇杂性,涉及的技术领域多,如微机械 结构及材料,微传热学等柱关技术镊域,热之嚣掇关锻域蛉理谂与技术零隽豹疆究还 不够成熬,谶她还没有形成能够指导徽型注塑模其设计和制造的理论与方法。德国是 世界上较早开展微型淀塑成形及模具按术研究的熙家之一,他们应用l i g a 等擞细船 工技术制造爨了可戒澎微寒缀尺寸静微小錾件的注塑模其。其德翔美瀚、嗣本等微视 械技术发展较快的国家,则犬都在模暴微绍加工技术,如微纲立体光剿技术、离能柬 镳亥技术等方蕊透露了牵有裁散戆研究。近年来我蓄农横英藏纲艇工技术研究方面也 取得了一定程艘的进展。 徽灌注蜜模具鼙憝微或形技术熬研究,蔫蕊霞纯模其领域瀚最薪技术与研究前 沿,也是微机械领域的前沿技术,具肖很高的研究意义与应用价值,碰爆及发展前景 卡分广游。宅辩疆蹇我蘑藉密徽燮旗暴静裁逢墩乎,鼹涟霰瓤辕稀学技术麓发疆,爨 及拓展微机械技术的研究与应用领域郝具有十分重要j 3 句意义。 1 2 2 微型模数的分类 赢雳微缔翻工方法制俸微型模具,再通避微型旗热成形微型制件,具有生产效 率高,毒4 件尺寸稳定性好的优点。匿此,近零来关予微型模具制造技术的研究普遍 受蜀入 j 静关涟。僵铡譬藏为北,对于徽登横罴,氆没有统一的定义,通常a 稻习 惯于在尺寸和制造精艘上来进行限定,即微型模具在尺寸和制造精度上可有如下几 个 # 约策佳静特征( 囊要指徽澎禳其鹣成形部分) :( ) 成形的髑粹体积可遮i m m 3 左右;( 2 ) 微观尺寸从几# r n n 几百弘m ;( 3 ) 模具表磷粗糙度馕在0 1 拱m 以下;( 4 ) 模其制造稽凄扶1 a n 銎j 0 1 z m 。僵随着徽机械爱徽缅期工技术的发震,遽望特籁参数 都处在不断的减小或撼赢之中。 徽整模吴按照藏澎镪谗静不同茸分为戳下凡释类熬:( 1 ) 徽冲嚣耩具。多髑于金 属和巅分子板树的成形。包括微冲切棋舆和微耷曲模具等。日举东京大学生产披术研 究所避霉亍麓檄狰压熬工,己奁5 0 m 1 孬靛聚蘸胶辇粒蔽材主狰乏珏了宽度为4 0 m a 豹菲 圆截搿微孔;( 2 ) 微锻媲模具。微型锻造制件尺寸多在窳米量缴以上,尺寸糖度可以 达到i t ? - 9 蘩,包话熟懑露攘暴等;( 3 徽压铸模吴。多箱于辙枣垒耩零箨懿悉薅藏 形,可成形锌、铝合金镰微型滕铸件;( 4 ) 微注塑成形模具。用于高分子材料的注塑 或形,燕蟊前褥究与寂糟最为广泛稳一释鞭型攥吴。如今在德溺疆l i g a 按零为蓦编 制造的微注塑模县已硝用来生产极微小的注塑制品。 4 。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 3 微型模具制造的相关技术 微型模具的制造其难点在于微小型腔或微小凸、凹结构的加工,而模具其它结构 零件的制造与普通模具基本一致。微小型腔的成形可以在一个很小体积的金属块上加 工,然后把金属块作为一个镶块嵌入模板并进行整体组装,这不仅便于微小型腔的微 细加工和镶块的更换,而且能够提高模具整体的使用寿命。 目前用于微型模具型腔制造的相关技术,按其加工方式的不同可分为两种类型: ( 1 ) 光制作技术,如l i g a 技术、x 射线光刻、电子束光刻和蚀刻技术等;( 2 ) 微机 械加工技术,如微细电火花加工、微车削、磨削和铣削加工等。以光制作为主的微加 工技术主要用于微米量级零件( m i c r o p a r t s ) 的加工,其加工精度可达l o n m 以下。 微机械加工技术则一般用于毫米量级零件( m i n i a t u r i z e dp a r t s ) 的加工,其加工精 度可达l o o n m 以下。但是微机械加工零件的几何结构通常都是回转体或平面等比较简 单的形体。其中微细电火花加工所用的微小电极本身就制作困难,并且加工后模具的 表面粗糙度难以达到要求,需要进行后续研抛加工从而降低生产效率,所以微机械加 工的应用范围有限。当模具型腔结构复杂并且精度要求高时,光制作技术不仅能够达 到设计要求而且成形效率较高,因此在未来的微型模具制造中将发挥重要作用。 1 3 课题的提出以及研究内容 l i g a 技术及准l i g a 技术在m e m s 领域中已经有了较为广泛的应用,而且其制 造的微结构制品也有许多较为成熟的工艺技术,对本课题研究微型模具型腔成形技术 有很好的借鉴意义。目前,关于l i g a 技术及准l i g a 技术在制作金属微结构方面的 研究已经有不少报道,但是把其加工技术应用到微型注塑模具型腔的制作当中还很 少,本课题研究的主要目的就是把已经存在和正在研究中的l i g a 及准l i g a 技术应 用到微型模具型腔及流道的设计和制造当中。 本课题是在全面分析了国内外l i g a 与准l i g a 技术的研究现状,结合m e m s 及其 微细加工技术特点的基础上,主要针对微型注塑模具型腔及流道的成形提出来的。本 课题将以试验为基础,最终设计制作出具有一定结构特点的微型注塑模具型腔,并且 包括对流道和模具整体结构的设计以及微小型腔熔体流动的注塑模拟试验,以达到应 用制作出的微型模具进行微注射成形,来验证微流道熔体流动方面的相关理论模型。 因此,在综合了国内外微型构件的微成形技术研究现状以及与微型模具相关的微 细加工技术的前提下,结合现有的l i g a 技术和准l i g a 技术在各个领域里的应用,本 课题提出了基于准l i g a 技术的微型齿轮型腔成形工艺研究及模具设计。 5 基下准l i g a 技术的微型齿轮型腔电铸工艺研究及模具设计 2l i g a 及准l i g a 技术简介 l i g a 技术起源于德国,它是1 9 8 6 年由德国卡鲁塞尔( k a r l s r u h e ) 核研究中心微结 构研究所的w e h r f e l d 教授及其同事为了分离铀同位素而首先开发出来并取得专利, 被认为是m e m s 技术中的极有发展前途的一种技术,受到各国的高度重视。l i g a 是德 文l i t h o g r a p i c ,g a l v a h o f o r m u n g ,a b f o r m u n g 这三个词的缩写,三个词的意思为光 刻、电铸和模铸。l i g a 技术是微型模具制造领域中最有生命力、最有前途的方法。 l i g a 技术可加工出有大深宽比和很高精度的微结构零件,且加工温度较低,使得它 在微传感器、微执行器、微光学器件及其它微结构产品加工中显示出突出的优点,不 仅可制造纳米级的微小结构,而且还能制造大到毫米级的微型结构。 2 1l l g a 技术的工艺过程原理 i 0 1 2 l i g a 技术被认为是微细加工领域中极有发展前途的一种新技术,其实质就是把用 同步辐射x 光进行光刻腐蚀、电铸成形和注塑三种工艺过程组合在一起的新型微加工 工艺。完整的l i g a 技术工艺过程原理如图2 1 所示: 图2 1l i g a 技术工艺过程原理 f i g 2 1t h et h e o r yo fl i g at e c h n o l o g y ( 1 ) 利用同步辐射x 射线( 射线来自同步加速器,波长大约在0 1 1 n m 之间) 通过 掩膜板对固定于金属基底上的厚度可达几百ui l l 的x 射线抗蚀剂层进行曝光; ( 2 ) 将其显影制成初级模板; ( 3 ) 将金属电铸在初级模板光刻胶图形的空隙里,直至金属填满整个光亥4 胶i 虱形的 空隙: ( 4 ) 对抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥离,得到金属微观结构; ( 5 ) 将电铸制成的金属微观结构作为二级模板,将塑性材料注入二级模板的型腔, 形成微型塑件。这时作为二级模板的金属微观结构就是一个微型模具的型腔,其注塑 6 大连理工大学颚士学位论文 后的塑件绪构如图2 - 1 ( 7 ) 所示; 6 ) 毒鞋精形藏瓣徽结穗塑传终为模投髯遗费奄锩藏形龛蔗部转; ( 7 ) 也可以取出微结构辫件,作为得到的最终制晶。 l i g a 技拳之掰淤能实瑗太深赛魄豹三维徽结捣,其荧键是深攫走裁鼓术。麓了 实现大深宽比、纵向尺寸达到数酉u m 的深度刻蚀,并且侧壁垂崴、光滑,一方面需 要燕强凄、平移毽缀好熬必源,这榉豹毙滋灵毒愿舞步翔滚辍袈熬方法才终至l ,帮 同步辐射x 光;另方面簧求用于l i g a 技术的抗蚀剂必须有良好的分辨力、机械强 度、羝痤力,阅黠逐要与熬片糕醛瞧好。翅子深屡x 光光亥款光刻胶一般髑综会链能 良好的有机聚合物如聚甲基丙烯泼甲醑( p 0 1 y m e t h y h l m e t h a c r y l a t e ) 一p 麟a 等。p m m a 是燕挂光剡胶,露缀持妁透光性。这转攮况下光源的条传是能量为l o k e v ,波长为 0 2 0 8 n m 。然而p m m a 有其本身的吸收饿和热学特性的局限,其低灵敏腱是一个尤 其严重的瓣题,这将影响生产效攀。因此鼹要尽w g 地增大网步加速器的辐射能爨。 为了减小光刻过程的成本赞用,主要方法鼹使用具肖更高熊置的质子,达到m e v 量级。 由于增热了x 光的穷透能力,同样的对间内可以使更多的光刻胶曝光。另个引越人 们注意的减小光刻成本的方法就怒开发使用灵敏度更高的光刻胶。 l i g a 技术经过多年的发展与艨用,溅逐步显示出它的优点:( 1 ) 深宽比大,准 确度高。所加工的图形准确度误慧小于0 ,5 # m ,表面糨糙度仅l o n m :( 2 ) 用材广泛。 从漫料( p 聃姒、p o m 、p a 、p c 等) 到金属( a u ,a g ,n i ,c u ) 及陶瓷( z n o z ) 等,都 可以用l i g a 技术实现三缭微结构的成形;( 3 ) 利用模搽来迸行徽复带翱工,可降 低成本,避行批量生产。随着l i g a 技术的不断发展和完替,其谯微细加工领域的优 势会迸一步的显现出来。 2 2 准l l g a 技术 1 3 】 l i g a 援术虽然美育突滋的戒影优点,键它的王艺避程魄较复杂,藏本舞瘸器爨, 生产能力有限:为了获得x 光源,需要昂贵的同步加速器,而这只能在一些大的研究 橇 每量才能褥到。嚣辩弱予x 毙笼麴的撵貘叛本赛裁是3 d 徽缝丰毒,需要先蠲l i g a 技术制备出来,既费时成本又高,而且可用的光刻胶种豢也较少,这使得l i g a 投术 豹疰溪在定度上爱弱限翻。受藏,久餐弹始寻找豢贽毙漂褒替代器责戆x 宠源,其 中有紫外光( u v ) l i g a 、深等离子体蚀刻、激光( 1 a s e r ) l i g a 等,同时把这一系列 鼗术称为难l i g a 援寒,壤l i g a 搜零不嚣簧象l i g a 技寒掰嚣懿器责设备,翱 _ 筝方蠖, 因此它将成为影响本世纪微机械加工的一项重攒技术,其中以紫外光为光源的准 l i g a 菠零黪应用爨笼麓荔霹嚣,它与l i g a 技术懿特点比较妇表2 l 瑟示。 7 基于准l i g a 技术的微型齿轮型腔电铸工艺研究及模具设计 表2 一ll i g a 技术与u v l i g a 技术特点比较 t a b l e 2 1l i g at e c h n o l o g yc o m p a r ev i t hu y - l i g at e c h n o l o g y 特点l i g a 技术u v - l i g a 技术 光源同步辐射x 光( 波长为0 1 i n t o )常规紫外光( 波长为3 5 0 4 5 0 n m ) 掩膜扳以a u 为吸收体的x 射线掩膜板标准c r 掩膜板 光刻胶常用聚甲基丙烯酸甲醣( p 删a )聚酰亚胺、正性和负性光刻胶 深宽比一般1 0 0 ,最高可达5 0 0一般1 0 。最高可达3 0 胶膜厚度几十um 至1 0 0 0 um几um 几十um ,最厚可达3 0 0 um 生产成本较高较低,约为l i g a 技术的1 l o o 生产周期较长较短 侧壁垂直度 可大于8 9 9 。可达8 8 。以上 最小尺寸亚微米1 数1 lb 1 加工温度常温至5 0 左右常温至5 0 左右 加工材料多种金属、陶瓷及塑料等材料多种金属、陶瓷及塑料等材料 由上表可以看出u v l i g a 技术能够满足微机械系统对加工精度及成本的要求。 对于微型模具型腔的制作,当型腔侧壁的垂直度及深宽比要求不是特别高时,它完全 可以取代l i g a 技术。而且随着准l i g a 技术研究的深入,可达到的侧壁垂直度及深宽 比都在不断提高。目前制作型腔深度在1 0 0um 以下的微型模具中,准l i g a 技术已经 得到成功应用。因此,以往采用微机械加工技术制作的微结构,大多可采用准l i g a 技术来代替。由此可见,准l i g a 技术在微型模具制作领域具有很好的应用前景。 u v l i g a 技术是利用常规光刻机上的深紫外光对厚胶光刻,形成电铸芯模,结合 电镀、化学镀或牺牲层技术,由此获得固定的或可转动的金属微结构。u v l i g a 技术 使用的紫外光光源来自于汞灯,所用的掩膜板是简单的铬掩膜板。除了光刻光源和掩 膜的不同,其原理步骤与图2 - i 相似,其工艺主要分为两个部分:厚胶的深层u v 光 刻和光刻后图形中结构的电镀。其中主要困难在于稳定、陡壁、高精度的光刻胶结构 的形成。对于u v l i g a 使用光刻胶的研究,做得较多的是s u 一8 胶。s u 一8 胶是一种 负性胶,即曝光时,胶中含有的少量光催化剂( p a g ) 发生化学反应,产生一种强酸, 能使s u 一8 胶发生热交联。s u 一8 胶具有高的热稳定性、化学稳定性和良好的力学性 能,在近紫外光范围内光吸收度低,使整个光刻胶层可获得均匀一致的曝光量。因此, 将s u - - 8 胶用于u v l i g a 工艺中,可以形成图形结构复杂、深宽比大、侧壁陡峭的微 结构。其不足之处是存在张应力,以及烘烤时间过长时在工艺的后段难以去除。本课 题就将使用s u 一8 胶进行u v l i g a 技术在微型注塑模具型腔制作中的应用研究。 8 大连理工夫学硕士学位论文 2 。3 国内羚l l g a 及准l l 馘工艺的错究瑗状及应用 凌予l i g a 技术趣潺予德冒,爨憩在德蓬发震褥簸为成熟,拳乎羧毫,邑程试验室 里研制出多种微结构元件或微机械,柯些已经商业化。美国以及一些欧盟国家也有较 毫的礤究和剃造出乎。表2 - - 2 列出了尼秘羔要斡嚣耱使用l i g a 技零剁终数徽结构: 表2 - 2l i g a 技术制作的微结构 t a b l e 2 2m i c r o s t r u c t u r em a d eb yl i g 矗t e c h n o l o g y 器件类别器件名称试验室产品情况 f z k ,g e r m a n y u n i o fw i s c o n si n ,u s a 执行器静电马选、电磁马达试验堂阶段 i 姒。g e r m a n y 光谱仪 f z k ,g e r m a n y 己商业应用 光纤夹i 涨,g e r m a n y己商业廊用 徽兜学元传 光开关、分柬嚣、三棱镜、柱瑶镜f z k ,g e r m a n y试验塞阶段 流体器件微泵、徽反应器f z k ,g e r m a n y试验蜜阶段 其他微飞机i 黼。g e r m a n y试验室阶段 黧悫可爱予涤发x 射线炎豪l 进括霜步壤射试验豹昃毒中墓科学鼓零大学霪家翳 步辐射试验赛和中国科学院高能物理研究所阉步辐射试验室。中国科举院高能物理研 究熙l i g a 必寒线试验站巴建成莠运抒,其蜂镶波长分毒在0 。0 4 一o 。1 3m ,邑分裂获 得了i 0 0 0 um 厚的和深宽比为4 4 的光刻胶结构;中国科学技术大学l i g a 光束线试 验站逐在建设中,其峰值波长分毒在0 2 一o 。7 nm ,褒褪步敕谖试遭程中,剥耀裹壤 度、可旋转的曝光机制作了一些复杂三维微缩构。随着国内l i g a 光柬线试验站建设 的完成和l i g a 技本敦发展,实现离糖发、大深宽比鲍笈杂三维微结构蛇制作将成为可 能,同时也可以大大拓展m e m s 的制造空间。 中国科学院离8 物理硬究艇、中阂辩学技术大学、中国科学院长褰光学糕密枧被 研究所等单位还进行了l i g a 技术的深度光刻、微细电铸等工慧的研究工作,制作出多 种光刻胶和盒属鲍微绻构,如加速度传感器、微马达、徽漉爨计、微炎键、光终夹、 波带片等微小器件。 9 0 年代以来,m e b s 研究辫们一鸯在努力秘发准l i g at 愁,箕匿的在于瞬低成本 和缩短生产周期。用维l i g a 工艺制成的金属微结构岛硅结构相比,熙具韧性,受温 度影响小,翩佟方便,设备成本低。迓舍于中小型工厂制作备釉微结槐,因耐发展十 分迅遴,应用前景广阔。 。9 - 基予准l i g a 鼗求驹徽型德轮鼙腔电铸工慧研究及攘其设计 表2 - 3 准l i g a 技术的应用 t a b l e 2 3t h ea p p l i c a t i o no fq u a s i l i g at e c h n o l o g y 能制作的凭、器件应用领域 备注 徽齿轮徽梳藏模数魏4 0 。离1 3 0 # m 微铣刀外科医疗器械厚度达2 0 0 “m 叉指式壤寡器铸感嚣 线条尺寸1 5 # m ,裹3 0 # m 微线圈接近式、触觉传感器、振荡器 高5 5 hm ,平衡及三维线圈 微型马达微电瓿 可分黔电秘电磁马达两秘 微喷嘴分析使器8 7 hm 高 平面电感线雕磁场测量、i c 电感元件、磁头3 m m 3 m m 徽打印头手禽l 橇宽4 p 日螺鼹8 * 稻 高4 0hm 微音器隧疗器材、声传 卷瓣2 ,4 m m 2 4 m m 1 4 m v p a 徽管遂徽努爨经瓣努强4 0 m ,内径3 0 # m ,巍2 # m 微阀微流量计6 2 5 m m 6 2 5 m m 0 5 m m 微开关倦感器、继电器3 0 p m 厚,以2 hm a l 为牺牲屡 梳状电缀悻感器、执行器2 2 u m 厚,闭徽2 # m 电容式加速度计汽车行业悬臂粱长6 6 0 l lm 镀a u 低温漂 平嚣锾渡电路带遥滤波瓣高额旗路 谐振陀螺汽车业、玩具等振环结构 超声波捷感器菠疼器棱压鸯瘸瓷瘁魏 多边形徽扫描镜医用 光纾耦仓器微炎学对准 y 形光波导光通信及测量 射频元件用于流体控制 k 鑫动封装获簿患鬃藏电路童产 目前,国外利用准l i g a 技术已制作出微齿轮、微线圈、光反射镜、磁传感器、热 驱动缝电器中豹金藩纯融点、骊速度臻感器、射流元 串、徽陀螺、徽警这等多辩徽结 构,如寝2 - 3 所示。而图内在j 驻几年才开始准l i g a 投术研究,并有少徽研究报道。长 春光梳所1 9 9 ;年已采弼准l i g a 搜零鬣密金属微齿轮,清华大学氇采麓准l i g a 技零籍 作出微型电磁悬浮直线电机的微驱动线圈,但还都处予试验室阶段,未见具体应用的 掇遭。 微齿轮是准l i g a 技术早期的产品,而微铣刀的制作成功( 厚度为2 0 0 um 的镍铣刀) 是准l i g a 技术实弱能翁一个薪趋点,宅魏速了终辩学术赣局域纯稻减多缓纸损伤静 方向发展,可塑导入血瞥中进彳亍胆固酵的切除。德国的走琅霍赞固体技术研究所研制 塞兵蠢磁芯豹三维激线溪。该线圈盘毫铸金摹戏,蠹鄂浆磁芯邋逶毫镀镶铁台众形袋, 电镀铜作为牺毂层。我国上海冶金所于1 9 9 4 年利用准l i g a 技术进行了会属微测静电 1 0 六连理王太学颟士擎经论变 马达懿骚裁,袋怒多次涂菠迭2 5 # 馥奎4 5 # 虢蒸誊较好麴霞形分蒺攀秘趣王壤度,马 达转翘较大。他们设计的摆幼式静电玛达采用脉冲电铸镍的方法,厚度达8hm ,利用 反应离子各耀露瞧寡l 蚀村疯黻释羧舄迭转予,经蠢或麴马达涞能连续转动,说豫我嚣 利用礁l i g a 技术方耐仍有许多工作鼷做。 疆翦准l i g a 技拳的研究霹鼓说还娃子秘烛蹬段,葵发麟方商考如下a 令方瑟: ( 1 ) 与牺牲屠镟术的进一步结台,向制造更为裁杂的三维可动微结构方向发展; ( 2 ) 出予目前利用准l i g a 技术卷4 作的执行器驱动力较小,故霹您微光斌梃系统方良发 袋,带逵激光学元件以用于光纤通倍和测鬃等; ( 3 ) 趋趣集成他,其一是燎谗多微元传集成在一起,形成阵列,蚨提离徽执行嚣的性能 箕二是将徽器件辩它懿辅鼢电子筑籍集成猩一块蒋片上,戳降骶制造成本,或采用 混集成的方法,将微结构制作在一块芯片上,藤魍路集娥在另一块芯片上,通过 弓 线键合簸簿貘鬣连丽连接起来,鞭获褥簸往往耱; ( 4 ) 用c a d 优化设计准l i g a 技术制作的微结 奄,畎缩短设计捌期,加快辑靠进发,进一 步降低簸零; ( 5 ) 向实用化、商品化方向发展,使备攀中仪器,特别是化学仪器馨医疗器械小型化、崴 暴稼。 凳论用l i g a 或者准l i g a 工艺搜术成形制品都黼蒙复杂的工序,并不适用予大批 量生产。餐蔫l i g a 或准l i g a 控寒铡僚镤吴,海蘑模其进孝亍羹料箨豹大概量生产粼燕 行之谢散的) 亨法。目前国外采用三种方法实现骢料件的成形:反应注射成形法、热塑 注辩戏澎法彝燕压霉藏形法。谯霹蛰瓤德蚕,辙鍪塑瓣律翡大羲乏爨成彩甚经霉黻实现。 而国内关于l i g a 技爿乏和准l i g a 技术的研究基本处于单个件成形的试验阶段,一般是 毫舞蕊壹攘畿形金嚣餐鼙箨,对予釜辫髂鹁痰澎罄是使罴热孤露成黟法遂嚣零个转馥 成形,而本课题研究的最终目的则是为了采用热塑注射成形法成形塑料件。 2 4s u 一8 胶 光刻胶般分为正胶和负胶两种撵型,正胶由三种材料组合i 耐成;一为溶剂 ( s o l v e n t ) ,它女警诖巍瓣胶保持滚倭状态,镬舞裁茨蔼鞋璧旋转方式涂覆予蒸瘾上; 二为树脂( r e s i n ) ,它对入射光线并不产生反成,但具有提供沌刻胶对基底的粘附性、 供给党蠹黢戆挠疆刻糍力、决定毙裁胶愿黢鲍浮度帮热稳定瞧等糕糕特性,蠢盈酉菇 被显影液分解;三为光活性化龠物,由于它对特殊光线具有敏感性,所以被称为感光 裁( s e n s i t i z e r ) ,在帮入罄必线产生及痤之蘸,霹菸鼷显影液艇撼脂翡分解,艨戬又 被称为抑制荆( i n h i b i t o r ) ,但光刻胶且曝光艏,发懋光化学反应的感光剂会快速的 基于准l i g a 技术的微型齿轮型腔电铸工艺研究及模具设计 与显影液发生反应而使曝光区域溶解,使得所需图形显现出来。正胶曝光前是一种难 溶的物质,而曝光后却分裂成可溶的小分子,很容易溶解在溶剂中。 负胶也是由溶剂、高分子聚合物( p o l y m e r ) 及光始剂( p h o t o i n i t i a t o r ) 组成,是 一种可溶物质,但是曝光后相互交联( 0 0 r $ 8l i n k e r ) 变成难溶的物质。 简单来说正胶就是被光照射的部分可以被显影液去除掉,而未曝光的光刻胶则不 会被显影液去除。而负胶则相反,被光照射的部分不会被显影液去除,而其余不被光 所照射的区域将会被显影液所去除。 2 4 1s u 一8 胶简介 本试验采用s u 一8 胶进行光刻试验,s u 一8 胶是一种基于e p o ns u 一8 树脂的负 性、环氧型、近紫外光刻胶,由i b m 公司首先将其作为厚膜光刻胶进行研究。s u 一 8 负性光刻胶是一种具有大深宽比的厚膜、超厚膜光刻胶,主要用于微机电系统及其 它厚膜光刻胶应用领域,例如微传感器和微转动系统等。 由于该光刻胶采用环氧酚醛树脂为成膜材料,它的粘附性明显优于其它厚胶。对 电子柬、近紫外线及3 5 0 4 0 0 n m 紫外线敏感。使用该胶能替代昂贵的x 射线l i g a 工艺技术,使微机电系统的制作成本降低。它对紫外线具有低光学吸收特性,即使膜 厚高达1 0 0 0 um ,所得图形边缘仍近乎垂直深宽比大于2 0 = l 。该胶经1 0 0 以上 固化后,已交联的s u 一8 胶具有良好的抗蚀性,热稳定性太于2 0 0 ,因而可在高温、 腐蚀性工艺中使用,例如能在高温下抵御p h = 1 3 的强碱性电镀液。同时s u 一8 胶成 膜材料具有良好的物理及光塑化特性,自身也可以制作微型零件。 s u 一8 胶专用显影液是环保安全性显影液,适用于浸入或喷淋式显影。已交联的 s u 一8 胶在显影荆中近于不溶,因此显影时间从3 0 分至1 小时也不会对图形造成损 害,一般无需漂洗。s u 一8 改进的专用去胶剂在去除高度交联胶膜的效果上已经有很 大的改善。 2 4 2s u 一8 胶的光刻机理 s u 一8 胶由一种具有多官能团的、高度支化的聚合物环氧树脂和少量光引发剂溶 于有机溶剂中构成的。环氧树脂由双酚a 酚醛甘油醚组成,其理想结构如式2 一l 所 示: 1 2 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 - 1 ) 这里说“理想结构”是因为实际上各s u 一8 胶分子在大小和构造上都存在很大差 异,但其典型的分子结构如式2 1 所示。另外平均一个分子中包含8 个环氧基,因此 名称中包含“8 ”。 ( 1 ) s u 一8 光引发剂:s u 一8 光刻胶含有一种只占环氧树脂质量少量百分比的 光引发荆,由三苯基硫盐组成。光引发剂一旦吸收了光子就立刻发生光化学反应,生 成一种强酸并附带其他产物。其反应可用式2 2 描述: 馈婀 l i g h t h ? a - + s i d e p r o d u c t s ( a c i d ) ( 2 2 ) ( 2 ) s u 一8 胶光成像机理:s u 一8 光刻胶一旦吸收了光,在固体光刻胶膜中就会 发生光化学反应,生成上式中的强酸h a ,因此只有直接受光照的光刻胶区域才会生 成这种酸。h _ a 的作用是在中烘过程中作为酸催化剂促进交联反应的
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