微型模具加工技术

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1、微型模具加工技术李代兵蒋炳炎中南大学机电工程学院模具技术研究所随着微纳米科学技术的进步，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应用越来越广，进而推动了微细加工技术的快速发展。本文主要对目前各种微细加工技术作详细的介绍，并对微细加工技术未来的发展方向进行展望。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-MechanicalSystems）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

2、一体的微型机电系统。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。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。目前对微制品的概念还没有准确的

3、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。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%。微型模具加工难点微型模具并不一定指体积微小

4、，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。微型模具加工技术发展快速

5、种类繁多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。1.LIGA技术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。深度X射线刻

6、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。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。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

7、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。2.UV-LIGA技术昂贵的同步辐射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。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，

8、当曝光较厚的PMMA光刻