微型模具加工技术

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作者：中南大学机电工程学院 李代兵 蒋炳炎    来源：CMJ 中国机械与金属
G0 z) ]& y微型制件、微型模具的应用技术与市场前景
随着微纳米科技的进步，产品不断向微型化方向发展，特徵尺寸为微米级的微机电系统受到了人们的高度重视。微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems）技术是集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源於一体的微型机电系统。

MEMS包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，是在融合多种微细加工技术、并在应用现代信息技术最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS为美国叫法，在日本被称为微机械，在欧洲则被称作微系统。 www.3dportal.cn! u5 [! s# Q  H8 i+ z  `
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近几年，MEMS已相继应用於精密机械、光电通讯、影像传输、生化医疗、信息储存等领域，如微齿轮、插头式光纤连接器、医学用微量泵、导光板、微透镜、内窥镜零件、微流控芯片、细胞培养用微型容器，以及旋转传感器中的衍射光栅等(图1)，其广泛应用值得期待。

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图1 具有微结构的制品 A为微齿轮，B为微透镜，C为导光板

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目前对微制品的概念还没有准确的定义，从微注塑成形的角度，给出了微型制品的含义，即微型制品应具有以下特徵：整体结构尺寸微小，通常其单件重量仅为几毫克；具有表面微小结构，即制品总体尺寸仍为普通尺寸，但其局部细微结构的尺度为微米量级；微型精密零件，是指制品尺寸为任意的，但应有微米量级的尺寸精度。

如果在尺寸和制造精度上加以限定，即微型模具拥有以下几个特徵：成形制件体积达到1立方毫米；微观尺寸从几微米到几百微米；模具表面粗糙度在0.1μm以下；模具制造精度从1μm到0.1μm。 www.3dportal.cn& F4 L7 d" o5 o
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预计从2010年开始，中国MEMS巿场增速将加快，2011年的增速有望达29.2%。
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微型模具加工难点 三维网技术论坛' b1 S& o. w2 ~! l: J) r

微型模具并不一定指体积微小，传统的体积大但具有微结构特徵的模具也称作微型模具。微型模具的制造难点在於微小型腔或微小凸凹结构加工，而模具其它结构件的制造与普通模具基本一致。

微小型腔的成形可在一个小体积的金属块上加工，然後把金属块作为一个镶块嵌入模板并进行整体组装，这不仅便於微小型腔的微细加工和镶块的更换，且能提高模具整体寿命。

传统的机械式加工方法不能加工尺寸太小或者微结构尺寸太小的微型模具，尺寸精度和表面粗糙度都达不到微型模具的设计要求。现在发展起来的光刻技术虽然能实现尺寸小精度高的要求，但光刻技术因其制造费用昂贵、加工周期长，工艺流程复杂等缺陷而限制了其广泛应用。

微型模具加工技术经过近几年快速发展，种类比较繁多。按其加工原理不同可分为三大类：

光制作技术，如LIGA技术、UV-LIGA技术、电子束光刻技术、激光加工技术；

腐蚀技术，如刻蚀技术；

微机械加工技术，如微细车削、微细铣削、微细磨削、微细电火花等传统加工法。

光制作技术主要应用於具有微米级微结构的零件加工，加工精度达10nm以下；微机械加工技术应用於具毫米级微结构的零件加工，加工精度100nm以下。 $ B; x: a1 }. C6 F5 C# l" _' S
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1.LIGA技术 三维网技术论坛8 F9 M5 A- a3 R+ X3 Z1 s! c2 s
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LIGA技术是近年来发展起来的新型光制作技术，名称源於德文，意指为深度X射线刻蚀、电铸成型和塑料铸模等技术的完美结合。其主要工艺流程如下。
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深度X射线刻蚀:利用同步辐射X射线在几百微米厚的光刻胶上刻蚀出较大高宽比的光刻胶图形，高宽比一般达到100。 三维网技术论坛9 a5 o8 Q, H3 ^

电铸成型及制模：将金属从电极上沉积在底板的光刻胶图形的空隙里，直至金属填满整个光刻胶的图形空隙为止。实际上，这一过程是将光刻胶图形转化为相反结构的金属图形。此金属结构可作为最终产品，也可以作为批量复制的模具。

注模复制：将去掉基板和光刻胶的金属模壳附上带有注入孔的金属板，从注入孔向型腔中注入塑料，冷却後去掉模壳。在金属板上留下一个塑料结构，此塑料结构作为微制品。 三维网技术论坛! K8 n, s  I/ Y9 R# E2 `) P2 ~

与传统的其它微细加工技术相比，LIGA技术有许多优点：精度高，能达到亚微米级；可以得到高的深宽比结构，达几百以上

沿高度方向的直线性和垂直度非常好；

适用於多种材料，如金属，陶瓷和聚合物。

其缺点则是：需使用昂贵的同步辐射X射线，成本高；

得到的形状是柱状，难以加工曲面和斜面的微器件；

不能生成口小肚大的腔体。 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江% [% |2 A! w; a* v' n
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2.UV-LIGA技术 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江6 J0 J! W" F: C- S

昂贵的同步辐射X射线限制了LIGA技术的应用。而采用与其相似的工艺原理，探索低成本高深宽比的准LIGA技术应运而生，衍生出UV-LIGA技术、Laser-LIGA技术和Dem技术等。
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适於中厚度的光刻胶的UV-LIGA技术已得到广泛应用，其技术实质是用深紫外光的深度曝光来替代LIGA技术的同步辐射X射线深度曝光。相比X射线，深紫外线的曝光深度要低很多，当曝光较厚的PMMA光刻胶(大於4μm)时需要采用多次曝光、多次显影的方法来实现。现在IBM公司研发出一种新型的负深紫外线光刻胶SU-8，能减少曝光次数，得到较好的曝光效果。下为该技术的主要工艺流程。

 
深度紫外线曝光：利用紫外线在SU-8光刻胶上刻蚀出光刻胶图形。
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电铸成型及制模：将金属从电极上沉积在底板的光刻胶图形的空隙里，直至金属填满整个光刻胶的图形空隙为止，此金属结构作为批量复制的模具。 三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa; u8 Z, f# n, {; `  w3 h& W- D" G: D

注模复制：用注塑成形方法在金属结构上复制出与金属微结构相反的塑料微结构制品。
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表1 LIGA技术与UV-LIGA技术特点比较

1 [# b8 Q9 R: ?' \三维网技术论坛据表1，UV-LIGA技术和LIGA技术相比，具有加工成本低、周期短的优势，但在加工深度、深宽比和侧壁垂直度等参数方面存在不足。对於型腔侧壁垂直度及深宽比要求不是很高时，它完全可以取代LIGA技术。 三维网技术论坛) ^% t' ]$ X, J! ^: U0 X
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目前，UV-LIGA技术在型腔深度小於100μm的模具制作中取得成功的应用，逐步替代以往的传统机械加工方法。

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3.电子束光刻技术 三维网技术论坛0 Y( o$ W8 ?* [. X+ }
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电子束光刻技术是利用电子束作用在光刻胶上形成微纳结构的一种加工技术。
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它需要一个产生电子束的曝光机，目前曝光机主要有两种类型：直写式和投影式。

直写式曝光机将聚集的电子束直接打在表面涂有光刻胶的衬底上，不需要光学光刻工艺中昂贵的掩膜。而随着直写式电子束曝光机的小型化，直写式光刻技术在科研中的应用将越来越广泛。但是其局限性在於，电子束是扫描成像型的，生产率极低，远未达到光学光刻所能达到的40-100片/小时的生产率，很难适用於大规模批量生产。正因为如此，电子束光刻一般用於制作高精度掩膜。

4.刻蚀技术 三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa7 z6 b  S! Y" R7 t
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   所谓刻蚀技术就是用化学或者物理的方法有选择的从基片表面除去不需要材料的过程。其从机理上分为湿法和干法两类。

湿法刻蚀是将硅片浸泡在可与被刻蚀薄膜进行反应的溶液中，用化学方法除去不需要部分的薄膜。 www.3dportal.cn  W& v# r& r; d( D

   7干法刻蚀是将被加工的基片置於等离子体中，在带有腐蚀性，具有一定能量粒子的轰击下，反应生成气态物质，去除被刻蚀薄膜，此种方法一般具有各向异性。（此法如何保证需要的部分不被腐蚀？） 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江. }; Y- a0 e# \8 X4 F8 h2 q

   干法刻蚀的种类较多，根据其作用机理可分为物理刻蚀，化学刻蚀，物理-化学刻蚀三类。在干法刻蚀中，物理溅射作用越大，侧向刻蚀越小，各向异性越好，但是其选择性差，刻蚀速率低，对基片损伤大。干法刻蚀可以分为等离子体刻蚀，反应离子刻蚀，溅射刻蚀，离子束刻蚀，反应离子束刻蚀等。 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江4 c# O( l' O' J% @7 |
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5.微细车削 www.3dportal.cn" m6 r4 }5 h

o微细车削是加工回转类零件的有效方法。加工微型零件时要求有合理的微型化车床、状态监测系统、高速高回转精度主轴、高分辨率的伺服进给系统，且刀刃足够小、硬度足够高的车刀。相比普通车削，微细车削的车床和刀具更小，当然工件也更小。

日本通产省工业技术院在1996年研制出世界首台微型车床。该车床长32mm宽25mm高30.5mm，重仅100g；主轴电机额定功率1.5W，转速10000rpm。用其切割黄铜，进给方向的表面粗糙度Rz1.5μm，加工工件圆度2.5μm，加工出的最小外圆直径60μm。
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日本金泽大学研制的一套微细车削系统，包括微细车床，控制单元，光学显微系统和监视器。机器长200mm，主轴功率0.5W，转速3000-15000rpm连续可调；径向跳动1μm以内；装夹工件直径0.3mm；XYZ轴的进给分辨率4nm；切削力通过一个具有三方向的力学传感器来监测，以提高基层的进给精度。 三维网技术论坛3 B/ I6 N8 y4 X( p
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使用原子力显微镜上的金刚石探针尖作车刀，在直径0.3mm的黄铜丝毛坯上加工出直径10μm的外圆柱面，还加工了长120μm、螺距12.5μm的丝杆。
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图2 微型车床

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6.微细铣削
微细铣削技术主要是采用直径几十微米至一毫米的微型立铣刀，在常规尺寸的超精密机床上进行微细加工。
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由於这些机床主要用於加工精度很高的非微小几何尺寸零件，通常需要昂贵的设计和制造工艺来达到期望精度，而对於微小零件，则缺少必要的柔性，且成本高，效率低。研发制造一种微型化的铣削加工设备迫在眉睫，它具有节省空间，节省能源，易於重组，成本低等优点。 www.3dportal.cn: ~( E" g2 Z& r# w  ]" L  |

目前国内对微细铣削加工的研究主要集中在加工表面质量，铣削力，铣刀的磨损和寿命，铣削状态和对微小零件的加工能力等方面。 www.3dportal.cn0 ]; n+ s2 c3 ?, B% [
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哈尔滨工业大学精密工程研究所研制了国内首台微小型卧式铣床，尺寸为300mm×150mm×165mm，主轴最高转速为14000r/min，驱动系统分辨率为0.1μm。实现了在硬铝LY12上铣削尺寸为700μm×40μm和500μm×20μm的薄壁结构；在两块尺寸为12mm×8mm和8mm×5mm的有机玻璃材料上进行了人脸曲面的数控加工。
近日，哈工大又成功研制一台三轴微小型立式铣床。其尺寸为300mm×300mm×290mm，主轴最高转速16000r/min，最大径向跳动1μm，驱动系统重复定位精度0.25μm，速度范围1μm~250mm/s，全闭环控制，分辨率0.1μm。它使用0.2mm的微型立铣刀，可在70μm厚的小薄钢片上加工一个微型槽。

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图 3 微型立式铣床

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7.微细磨削 www.3dportal.cn2 F; e2 S6 ^/ j
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微细磨削加工是将砂轮和砂带表面的磨粒近似看成刀刃，整个砂轮可以看作刀具。磨削加工微器件时需注意以下问题：磨粒在高速高压高温情况下会变钝；磨粒在高速情况下会脱落。 三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa# J$ z3 @2 m0 d/ q9 e/ {1 h

磨削加工专门用於硬而脆的材料，磨削加工中磨轮的切削刃保持锋利状态是加工中的关键，利用ELID（在线电解修整砂轮）技术在磨削加工过程中进行磨轮的微细修整是行之有效的方法。另外选用硬度高，耐高温，耐磨的磨粒材料会减缓磨粒变钝和脱落情况。

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8.微细电火花加工 0 U" b& \! d# m) u+ B& D
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微细电火花加工原理和普通电火花加工原理基本相同，都是基於在绝缘的工作液中通过电极和工件之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的材料，以达到对零件尺寸，形状及表面质量预定的加工要求。 三维网技术论坛5 X* F. i" R& D; m! Q: L+ n
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微细电火花加工具有低应力，无毛刺，可加工高硬度材料等优点，在微细加工领域中被广泛的采用，已成为该领域一个重要的发展方向。
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实现微细电火花加工的关键在於微小电极的制作，微小能量放电电源，工具电极的微量伺服进给，加工状态监测，系统控制及加工工艺方法等。 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江& z0 x) x% f( L) t: A: I" s$ S5 u

日本东京大学Masuzawa T等人在电火花反拷加工的基础上，利用线状电极替代反拷模块研制成功的线电极电火花磨削技术成功解决了微细电极的制作，使微细电火花加工进入实用性阶段，成为微细加工领域的热点。 www.3dportal.cn% e+ B% H2 R6 J# z" A+ t0 F

综合比较以上八种微细加工技术，单从加工精度，表面粗糙度等方面来考虑，LIGA技术最好，其余光刻技术次之，微机械加工技术最差。各种加工方法由於其加工原理的局限性，都有其适合加工的微结构形状。比如，

LIGA技术只能加工柱状的微结构；

微细车削适合加工回转类零件；

微细磨削适合加工沟槽类微结构等。三维网技术论坛& a- F5 Z, R& E- f' b4 o( N1 F; a
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表2 几种微细加工技术的比较

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对於微结构的加工精度，并不是精度越高越好，还要考虑价格、周期等因素。总的来说，能满足要求且价格低周期短寿命长的加工方法才是最好的方法。几种微细加工技术比较见表2。 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江: T: j. `; J: V! X) {2 t械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江6 F/ A- L$ N& L. p8 e2 o9 n

LIGA技术在型芯镶块加工中起到了关键作用，一些难以实现的小尺度、高精度，高深宽比的型芯镶块已成功采用该技术。
中南大学机电工程学院模具技术研究所沈龙江博士在加工微透镜阵列模具型芯镶块时便采用了该技术(图4)。首先根据微透镜阵列形状设计其型芯镶块，由於在微透镜阵列的注射成型中要通过优化工艺参数将制品的收缩率降到接近於零，才能保证制品精度和质量，同时还要考虑实验中制品收缩的不确定性和模芯制造的经济性。

图4 LIGA技术制作的微圆柱阵列模芯镶件
a. 镍模芯镶件 b.200μm微圆柱阵列显微照片

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此处所讲的模芯镶件的设计不考虑制品的收缩，按1:1的比例设计型腔。设计时，还要综合考虑型芯镶块安装的滑动结构设计和将要使用的加工技术。 ( U+ q$ ^$ a- P/ v7 O

前景展望 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江2 z1 A2 ~. `& B& x& {& k+ @6 p
随着微机电系统领域对微型制件需求量的不断增长和质量要求的不断提高，微型模具加工技术也在不断发展和完善，以满足微型制件的要求。 www.3dportal.cn' |4 V( C' a7 I0 x  H. O* e

传统的微细加工方法加工三维微小模具型腔，虽然工艺简单实用，而且不需要太大的投资，但其加工型腔尺寸太大，精度太低；电化学等特种加工工艺虽然相对复杂，但在难切削材料，复杂型面和低刚度材料的模具型腔加工中，具有不可替代的优势；以LIGA技术和UV-LIGA技术为代表的光加工技术，工艺最为复杂，但其加工精度最高，可达到的深宽比最大，模具型腔尺寸最小，是最具发展前途的微型模具加工方法。
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为了适应微制品零件更多的要求，进一步研究工作除了在微机械切削加工方面不断降低零件的加工尺寸，提高加工精度外，还应不断开发新的特种加工技术和光加工技术。