制作微模具的微机械加工论文

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一、LIGA技术在微模具制作中的应用

（一）LIGA技术的原理

LIGA技术是利用较大功率同步加速器产生的X射线，经过X-ray光刻，光阻投影形成人工塑料微型结构，然后经过电铸制模形成金属模具，最后经过铸模复制形成所需的塑料产品。其工艺流程为：1、同步X-ray曝光光刻的条件有同步X射线和铜掩模板，铜掩模板由吸收体、掩膜支撑体、光刻胶和铜板基片组成，利用同步辐射X射线产生的二维图形投射到铜掩模板，吸收体吸收X射线的能量，转移到光刻胶上，通过控制单点光束的强度，刻蚀一定深宽比的三维图形。

2、光刻显影

利用光刻胶易被X射线降解的原理，即经过X射线曝光光刻胶的分子长键发生断裂，大分子变成小分子，然后将被曝光的光刻胶放到显影液中处理，被曝光降解的光刻胶的小分子溶解在显影液中，没有被曝光的光刻胶的大分子则不溶于显影液，因此形成了与掩膜图形一致的三维光刻胶微结构。

3、电铸制模

显影结束后，在三维光刻胶微结构的空隙中填充铜镍铁等金属，使三维光刻胶被金属完全覆盖，作为阳极，铜板基片作为阴极，然后施加电场。阳极金属在电场的作用下，剥离电子，以金属离子的形式进入电铸液，在电场作用下向阴极移动，当金属离子接触到阴极时，得到电子并附着在阴极上，沉积完毕后得到与光刻胶互补的金属结构。但显影后的三维光刻胶的电铸孔较深，空隙微小，受电铸液的表面张力影响较大，仅依靠重力电铸液很难全部流入微孔中，因此需要特殊的电铸工艺，保证电铸液顺利流入微孔的同时，电铸出来的微型结构无内应力。目前克服电铸液表面张力的办法有：采用脉冲电源，在电铸液中添加适量的表面抗张力剂，或利用超声波技术，增加电铸液金属离子的对流。

4、注塑复制

电铸结束后，形成了金属微结构，将其作为注塑的模板，采用模压成型、快速注塑成型等技术，脱模后得到需要的塑料结构，符合工业上大批量生产要求，降低成本。

（二）LIGA模具制作技术的特点及应用

1、LIGA加工模具的优点

取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等，可制造有较大深宽比的微结构；可制作复杂图形结构，精度高，加工精度可达0.1μm；可重复复制，符合工业上大批量生产要求，成本低。

2、LIGA加工模具的缺点

使用同步X射线仪，价格昂贵，加工成本高；对于含有曲面、斜面的微型模具加工难度大，且口小肚大的腔体难以进行光刻、电铸；高密度微尖阵列的微器件要求的光刻分辨率高，也难以加工。

3、LIGA加工微模具的应用

微米尺度的微齿轮、微传感器、微光学元件、微制动器等多种结构器件。

（三）LIGA加工模具的发展趋势

1、具有较强和较广泛为的材料加工，解决含有曲面、斜坡等难加工的模具技工技术，真正具备三维加工能力，使LIGA加工更加灵活多样；

2、加工设备成熟、更加智能化，简化加工工艺，提高加工效率，降低生产成本；

（四）准LIGA技术

准LIGA技术是指无需利用价格昂贵的同步X射线仪以及光刻胶，采用激光或紫外线代替同步X射线，对光敏材料（如SU-8负型胶）曝光，经过显影后形成微三维结构，然后经过电铸、去硅、铸塑成型，得到所需的微型模具。其优点为：工艺简单、成本低廉、加工周期短。

1、激光烧逐（Laster-LIGA）技术

采用一定波长的准分子激光器，直接消融光敏材料，无需经过曝光和显影，简化了制作流程，提高了制作效率，其精度也可达到微米级。

2、UV-LIGA技术

用深紫外光的深度曝光来取代LIGA工艺中的同步x射线深度曝光，它可以用于刻蚀适中厚度的光刻胶，节省成本。

3、DEM微模具制作技术

DEM技术是由上海交通大学和北京大学联合研发出的准LIGA技术，其原理是利用感应耦合等离子体设备，发出紫外光对氧化过的低阻硅片进行深层刻蚀，然后用ICP刻蚀机对硅深层的刻蚀，经过氧化得到三维光刻间隙，然后电铸得到金属微型机构，再使用氢氧化钾溶液将硅腐蚀掉，从而得到微复制模具，再经过压膜或注塑得到需要的塑料产品。优点：设备价格低、加工周期短、兼容性好、可操作性强、产业化强；缺点：由于硅是半导体，硅片导电能力差，很难做到直接在硅片上直接电铸，且加工深宽比不如LIGA技术。

二、细微加工微模具技术

1、精密机械加工技

精密机械加工微模具的方法起源于日本，利用精密的数控加工中心，通过把微型模具结构的图形，换算成数控代码，加工中心使用刀具加工成需要的产品。这种加工方法对加工材料有一定得选择性，同时加工的精度受限，一般不适合高精微模具的加工，但已成功地制作出尺寸在10-100μm的微小三维构件。

2、微细电火花模具加工技术

微细电火花加工的原理和普通电火花加工原理类似，当工件和工具电极相互靠近时，在电场作用下，击穿电解液，发生放电，产生瞬时高温经工件表面金属熔化、汽化，从而达到蚀去工件金属的目的。影响微模具的加工精度的原因很多，如工具电极的制作工艺和制作精度、微小能量放电电源间隔脉冲和放电时间、细微电极的微量伺服进给大小、加工状态的检测和反馈、系统的操作控制精度、加工工艺、操作技术等，电极尖端越细，电源放电的单脉冲能量越小、伺服进给量越小、传感器检测越灵敏，电火花的加工精度越高。目前微细电火花加工的最大难题是微细电极的加工，尤其是特殊形状的微细电极，加工微细电极的有效方法有单发放点微细电极成形法，反拷法加工微细陈列电极，原位孔微细电火花磨削法，LIGA制作微细电极。微细电火花可以进行二维和三维的加工，二维加工精度可以达到纳米尺度，采用专门的微细电火花铣削CAD/CAM体统，可以加工高精的三维自由曲面。在实际加工中，往往电极的损耗很大，严重地影响加工精度。因此合理地进行加工轨迹的规划并进行电极损耗的补偿，是提高微细三维结构电火花加工精度的核心技术。目前最新的微细电火花加工工艺有集束电极加工、近干式电火花加工、曲线孔点火花加工和超硬磨料砂轮电加工修整加工。

3、微细电解加工技术

微细电解加工是利用金属产生阳极溶解原理将工件加工成型的一种工艺方法。按原理分两类：基于阴极沉积原理的增材制造技术，如精密电铸、电刷镀等；基于阳极溶解原理的减材制造技术，如电解加工、电抛光等。加工过程都以离子形式进行，由于离子的尺寸非常微小，因此电化学制造技术的这种微去除方式使得它在微细制造领域，以至于纳米制造领域有着很大的发展潜能。微细电解加工的特点：加工范围广，不受材料物理性能的影响；无残余应力，没有飞边、毛刺，表面粗糙度可达0.2-1.6μm，表面质量好；工具无损耗。

4、微细电铸加工技术

工艺：设计制造铸模→导电层、分离层处理→电沉积金属→脱模和背衬处理。特点：极高的复制精度和重复精度；适用范围广，广泛用于具有精密、复杂内型面零件的制造；电铸制品性能的可控性强，通过改变金属种类、电铸液配方和工艺参数，或采取使用添加剂等措施，电铸制品的力学性能和物理性能可在很大范围内变化；成本低。设备投资较少，加工余量较小，废品可作为阳极材料重新使用，铸模和电铸液也可重复使用。局限性：铸层质量不稳定；由于电场分布极不均匀，导致铸层均匀性差；加工时间长，效率低；材料限制。

5、微细高能束流加工技术

微细高能束加工包括激光加工、电子束加工和离子束加工。

（1）激光加工技术

原理：利用激光能量密度高、方向性好的特点，将光能转变为热能来蚀除材料。特点：加工材料广泛；加工速度快；可以聚焦到微米尺度，可以进行高精模具的二维和三维加工；激光的位置可控性和过程可控性好，加工对象的材料、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工；将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成，组成激光快速成型技术。

（2）电子束加工微模具技术

原理：利用电子的高速运动冲击工件，使动能转变为热能加工材料。特点：束径小、能量密度高，适合精微加工生产效率高，适用材料广泛；加工过程快，工件变形小；无加工污染，自动化程度高；真空环境工作，价格昂贵。用途：穿孔、刻槽、焊接、镀膜和光刻等领域。

（3）离子束加工技术

原理：在真空条件下，将具有一定速度的离子束投射到材料表面，产生离子的溅射效应或注入效应。溅射效应是高速粒子把工件的原子撞击出来，注入效应是从靶材溅射出来的粒子吸附到工件表面。特点：真空环境，加工范围广，加工效率高，精度可控，零件变形小，加工污染小。用途:刻蚀、研磨、抛光、剥离以及穿孔、切割等,适用于微细模具的表面加工和二维加工。小结综合各种微机械加工技术的优点和不足，根据微细模具的精度要求，选择成本最低，用时最小的加工方法。随着微电子机械技术的发展，微模具的微机械的加工精度更高、成本更低、产品结构更复杂。

作者：李静单位：晋中职业技术学院