高强宽比微结构热压印成型过程的数值模拟

高强宽比微结构热压印成型过程的数值模拟

0抗粘层、模具温度及脱色方向误差对成型质量的影响该聚合物的热压形成方法是一种低成本低、效率高、操作简单的微纳米结构。它是微纳米结构加工的主要技术。由于聚合物与模具间热膨胀系数(Coefficientofthermalexpansion,CTE)的不同,冷却到脱模温度时相互之间会出现较大的热应力,同时模具和聚合物之间较大的表面自由能所产生的粘附效应加剧了微结构脱模时出现缺陷的风险。这使得脱模过程成为决定热压印成型质量的一个关键阶段。目前关于脱模缺陷的研究主要围绕着抗粘层的效果与寿命、脱模力的测量等方面展开。GUO等通过在Ni模上附着聚四氟乙烯(Polytetra区性fluoroethylene,PTFE)的抗粘层以降低模具和聚合物相互作用的表面自由能,试验结果表明该方法能够有效地改善脱模后的表面质量。YOSHIHIKO等研究发现当图案深宽比小于3时,附着抗粘层可明显提高压印成品表面质量,但对高深宽比结构而言,抗粘层的效果并不明显。WORGULL等对脱模应力进行了模拟并设计了脱模力测量装置。高深宽比微结构的加工对脱模条件的要求更为苛刻,微小的脱模方向偏差都可能会损害微结构,关于脱模方向误差的影响迄今为止尚无相关报道。本文采用有限元模拟了脱模过程,详细分析了抗粘层、脱模温度及脱模方向误差对脱模质量的影响。为了避免脱模方向误差设计了新型的气动脱模机构,并通过试验对其脱模效果进行了验证。1tg模型模拟法聚合物微热压成型原理如图1所示。热压印装置抽取真空后将聚合物基片加热到Tg(玻璃态转化温度)以上,通过在模具上施加一定的压力,并保持一定的时间,即可在聚合物基片上压制出与阳模凹凸互补的微结构。然后在加压的条件下,将模具和刻有微结构的基片一起冷却后释放真空并脱模,即可得到所需的微结构。1.1接触约束无约束条件的求解脱模过程是一个典型的接触问题,可描述为求解区域内位移场U,使系统的势能∏(U)在接触边界条件的约束下达到最小式中U——系统节点位移矩阵k——系统刚度矩阵G——约束接触约束算法就是通过对接触边界约束条件的适当处理,将式(1)所示的约束优化问题转化为无约束优化问题求解。根据无约束优化方法的不同,主要可分为罚函数方法和Lagrange乘子法等。为了便于高效率的数值计算,通常采用增广Lagrange乘子法方法进行求解。Lagrange乘子法通过引入乘子λ,定义接触势能为式(1)的约束最小化问题便可以转化为无约束最小化问题为改进迭代效果,增广Lagrange乘子法通过在修正势能泛函式(3)中增加一惩罚项式中EP——罚因子将g(U)进行一阶Taylor展开可得式中g0——固定约束G——约束对位移的梯度将式(3)、(5)联立,可得接触系统的控制方程为1.2接触对的模拟为了实现脱模应力的模拟,需要首先计算热—结构耦合所造成的热应力。然后在热应力场的基础上,施加模具和聚合物间的相对位移约束,以进行非线性接触迭代分析。整个模拟过程的边界条件如图2所示,对模具底部施加垂直方向的固定约束,图2中θ为脱模偏角。在计算热应力时为了降低运算量,对模具和聚合物的左边界采用对称边界条件,为了更接近于脱模前的真实情况,模具及聚合物上已撤消了压印力,因而其接触表面可能存在一定的滑移,故而只在聚合物下表面施加y方向约束。为了模拟这一情况采用有限元分析软件ANSYS中的非线性接触分析功能,将接触表面视为一对接触对。模具由于相对硬度较高作为目标面,而聚合物作为接触面,采用2D面—面接触单元附着于模具和聚合物的接触面上。开始脱模时,在y方向对聚合物施加一个微结构高度的位移。考虑到手动脱模时其方向不一定和y方向垂直,故对x方向也施加一个位移,该位移大小和脱模方向有关。为了便于分析参数变化对脱模力造成的影响,使用ANSYS参数化语言(ANSYSparametricdesignlanguage,APDL)编写了模拟用的命令流文件,修改其中的一些参数后,重新读入命令流文件即可完成整个分析过程。1.3pmma材料属性模拟选用Ni作为模具材料,聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)作为基片,在脱模阶段可将PMMA视为弹性材料,其材料属性见下表。根据ZHANG等的试验结果,Ni和PMMA间等效摩擦因数约为0.4,而在Ni上附着了抗粘层PTFE后其和PMMA间的摩擦因数约为0.1。在所有模拟中使用的压印温度为125℃,微结构高度为60μm,微结构的深宽比为3,聚合物基片厚度为50μm。2自动脱色和动手脱色主要是对比影响脱模应力的因素主要有脱模温度Td、模具与聚合物间的摩擦因数μ、模具和聚合物间热膨胀系数的差值等。而自动脱模和手动脱模主要的区别在于,手动脱模时其脱模方向容易出现一个角度偏差。为了便于表示脱模应力在不同阶段的分布,以微结构高度H的1/10作为长度单位,将脱模时模具和聚合物相对位移ΔH表示为该长度单位下量纲一值,即D=10×△H/H。2.1格兰克氏原螯虾模具参数对模具应力的影响图3显示了不同阶段脱模应力分布。从图3中可以看出,微结构底部一直存在应力集中。因而该部位是脱模时最容易损伤的位置,通常会造成微结构的颈缩现象。如果脱模应力过大以至于超过了聚合物的强度极限,微结构的颈缩现象将会加剧,甚至直接发生连根拔起。另外在脱模的最后阶段微结构有一种要摆脱模具的束缚,收缩回原状的趋势,这时微结构的表面容易被刮伤出现摩擦学中所谓的“犁沟”现象(图4)。为了比较有无抗粘层对脱模效果的影响,对摩擦因数对脱模应力的影响进行了模拟,如图5所示。图5中可以看出随着脱模距离的增大,聚合物受到的脱模应力近乎呈线性减小。在脱模开始阶段摩擦因数对脱模应力的影响较大,脱模后期摩擦因数的影响几乎消失。当μ从0.4降低至0.1时,在脱模的初始阶段(D=1处)最大脱模应力从38.5MPa降至29.5MPa,降幅为23.9%。如果按照库仑摩擦理论,其应力和摩擦因数成正比,脱模应力的降幅应达75%。这种貌似矛盾现象的产生,主要是由于脱模应力不仅仅是由模具和聚合物间的摩擦力所造成的,其更大的部分是由于聚合物的收缩被模具抑制所产生的热应力。这一点可以从脱模后期,摩擦因数的改变几乎对脱模应力没有影响而得到证实。图6显示的是脱模温度对脱模应力的影响,图6中可以看出脱模温度的变化对脱模应力有着更大的影响,提高脱模温度可以显著降低脱模时的应力。脱模温度从室温(20℃)提高到60℃时,最大脱模应力从55.9MPa降至33.1MPa,降幅达40.8%。理论上脱模温度越高越有利于降低脱模应力,但脱模温度过高时聚合物容易变形,虽然脱模应力降低了,却更容易形成脱模缺陷。对于玻璃态转化温度约为105℃的PMMA而言,由于其强度极限约为40MPa,故脱模温度需要控制在40℃以上,通常选择在50～60℃之间,超过80℃后试验中便发现脱模质量难以控制。2.2模具角度偏差对微结构倾斜的影响在手动脱模过程中脱模方向很难保证垂直,脱模方向和垂直方向存在5°偏差时,不同阶段脱模应力分布如图7所示。从图7中可以看出5°的偏差使得聚合物应力出现大于100MPa的应力集中,聚合物将会出现塑性变形,甚至断裂破坏。在脱模到最后阶段(D=8)时,微结构内部应力集中达到190MPa,出现比较大的倾斜,倾斜容易以塑性变形的形式固定下来,形成微结构倾斜缺陷(图8)。为了评估脱模方向偏差所造成的危害,对不同角度偏差的脱模情况进行了模拟。图9显示了脱模倾角变化对脱模应力的影响。从图9中可以看出随着脱模角度偏差的增大,脱模应力急剧增大,其最大应力均在微结构倾斜程度最大时出现(D=8)。模拟结果显示无论是否存在抗粘层(μ=0.4时无抗粘层,μ=0.1表示使用了PTFE抗粘层),微小脱模方向误差都会造成巨大的应力集中,使得微结构出现倾斜甚至断裂。因而必须要采取措施确保脱模时不出现方向偏差,以保证脱模质量。3设备和测试3.1致热/致冷装置常规的脱模机构(图10)是将聚合物的两边夹住,然后拉住模具往上运动,达到分离的效果。这种结构由于聚合物材料中心部位缺少约束,易造成脱模时微结构中心凸起,引起翘曲变形,同时中心部位微结构也会由于脱模方向不垂直而引入侧向应力。为了降低自动脱模时微结构变形,设计了一种新型的气动脱模装置如图11所示,其原理就是通过进气口注入气体(如氮气),通过气体的压力推动聚合物和模具的分离。由于流体的等压性,可以确保脱模时模具和聚合物受到均匀的压力,不发生传统脱模机构中出现的翘曲变形现象。同时气体分子还可以凭借气压作用,渗透到模具和聚合物作用表面,从而有效地降低模具和聚合物间的粘附作用。该装置还可独立地作为对脱模后微结构翘曲变形的矫正装置及微结构脱模后降低表面粗糙度的回火装置。由于热压时升降温过程频繁,需要高效的升降温系统,为此我们利用致热/致冷可由电源正负切换而相互转换的帕尔帖效应自行设计了基于帕尔帖原理的升降温系统该系统从20℃升到140℃不超过2min,从140℃降到20℃小于1.5min。采用液压方式施加压印力,温度、真空度及压印的控制均采用可编程控制器(Programmablelogiccontroller,PLC)实现,为了方便设定各个控制参数,采用个人计算机进行人机交互。图12为自制的热压成型装置。3.2ni模具的制备为了验证所设计的脱模装置的脱模效果,对高深宽比结构进行了热压试验研究。模具采用微电铸法制得的Ni模具,聚合物选用PMMA,采用数控机床将其切割成30mm×30mm×1mm尺寸的方块用于压印及脱模研究。图13即为采用自动脱模装置,在te=125℃,pe=3MPa,td=50℃,真空压强为-0.09MPa的条件下制得的深宽比约为3.3的高质量的微结构电镜扫描图。4u2004模具过程分析(1)随着微纳米技术的发展,热压印成型必然会获得更广泛的应用,也必将对其成型质量提出更高的要求。对于高深宽比结构而言,脱模过程对成品质量有着决定性影响。(2)采用有限元对热压印中的脱模过程进行了数值模拟,分析了脱模温度、有无抗粘层及脱模方向误差对脱模质量的影响。对于使