UV-LIGA—微細(xì)電火花加工組合制造技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、MEMS (Micro Electromechanical System)技術(shù)作為新興技術(shù)，受到學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和政府部門的極大重視，已經(jīng)在信息、精密機(jī)械、汽車、航空航天、生物醫(yī)藥和國防等領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用。微細(xì)加工是MEMS和Micro/Meso尺度結(jié)構(gòu)器件的實現(xiàn)基礎(chǔ)和技術(shù)關(guān)鍵。以具有優(yōu)越熱力學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性能的SU-8系列光刻膠為光敏材料、紫外光為曝光光源的UV-LIGA技術(shù)，是借用LIGA(德語：LIthograpie，Galvan

2、oformung，Abformung三詞縮寫，由X射線光刻、電鑄成型和塑鑄成型等三個主要工藝步驟組成)工藝思路，且制造成本低廉、工藝可控性好、易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)、膠模制作質(zhì)量高的新型高深寬比三維Micro/Meso結(jié)構(gòu)技術(shù)，是近年微細(xì)加工領(lǐng)域的研究熱點。微細(xì)電火花加工作為一種低成本、高材料選擇度的柔性非接觸式加工技術(shù)，在微制造中具有獨(dú)特的工藝優(yōu)勢，尤其在加工Micro/Meso尺度金屬結(jié)構(gòu)器件方面表現(xiàn)突出。整合UV-LIGA和MicroE

3、DM各自工藝優(yōu)點而形成UV-LIGA－MicroEDM組合加工技術(shù)以制造形狀復(fù)雜、材料性能優(yōu)越或特殊的Micro/Meso尺度結(jié)構(gòu)器件，是微細(xì)加工的創(chuàng)新性思路。 本文在國家自然科學(xué)基金(50375073)和兩項江蘇省自然科學(xué)基金(BK2002206、BK2004214)的資助下，圍繞UV-LIGA及其與微細(xì)電火花加工技術(shù)組合以制造Micro/Meso尺度金屬結(jié)構(gòu)器件的一些技術(shù)基礎(chǔ)和工藝關(guān)鍵進(jìn)行了探討與研究。全文共七章：

4、第一章概述了UV-LIGA及其與微細(xì)電火花組合加工的研究現(xiàn)狀、技術(shù)關(guān)鍵以及本文的研究內(nèi)容。 第二章描述了SU-8膠光刻各操作環(huán)節(jié)的工藝基礎(chǔ)和技術(shù)難點，以金屬基片上制備厚度100~200 膠模為對象，試驗研究并優(yōu)化了前烘、曝光、后烘等工藝環(huán)節(jié)的操作條件及工藝參數(shù)。相比硅基片SU-8膠光刻工藝，降低前后烘程度和適度提高曝光劑量，并輔助超聲振動去除膠中氣體、靜置、隨爐冷卻等措施，能大大改善膠模質(zhì)量。試驗研究并分析了超聲功率對不同特征類

5、型(陽型和陰型)膠模結(jié)構(gòu)顯影質(zhì)量的影響并優(yōu)選了各自適宜的功率大小，陽型結(jié)構(gòu)實施的超聲功率要比陰型結(jié)構(gòu)要低一定值。分析了不同金屬片(不銹鋼和銅)不同特征類型(陽型和陰型)膠模去膠的工藝特點，并開展了相應(yīng)試驗研究，用NMP去膠液作為去膠試劑，輔助加熱、溶液超聲振動攪拌、熱脹冷縮等措施，獲得較為理想的去膠效果。在此基礎(chǔ)上，制備出了輪廓清晰，表面質(zhì)量好，無明顯缺陷，與基底粘結(jié)性強(qiáng)的平面微線圈、微型流道、微型柔性探針和篩網(wǎng)等膠模。 第三章

6、在分析電沉積時電極過程液相傳質(zhì)方式及其作用規(guī)律的基礎(chǔ)上，探討了微細(xì)電鑄時物質(zhì)輸運(yùn)受限的影響因素，建立了微深槽類特征電沉積時液相傳質(zhì)的兩種數(shù)值分析模型(一維模型和二維模型)，分別描述多種物質(zhì)組分的擴(kuò)散、電離、電遷移和電沉積的動力學(xué)過程和單一物質(zhì)組分在強(qiáng)制對流、自然對流和擴(kuò)散等綜合作用下的物質(zhì)傳輸情況；并分別用Matlab軟件PDEtool工具箱和Fluent流體仿真軟件數(shù)值解算了分析模型，數(shù)值表征了UV-LIGA槽特征(槽內(nèi)溶液視為靜止)

7、電沉積時離子濃度、PH值等空間變化規(guī)律，以及不同傳質(zhì)模式單獨(dú)或復(fù)合作用時，槽內(nèi)(包括沉積面處)電解液的流場分布規(guī)律，并分析了它們對微細(xì)電鑄過程傳質(zhì)效果的影響。數(shù)值分析結(jié)果表明：單純的外部強(qiáng)制對流或擴(kuò)散傳質(zhì)作用無法滿足高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電沉積物質(zhì)輸運(yùn)量的要求；發(fā)揮并加強(qiáng)電沉積時浮力驅(qū)動自然對流的傳質(zhì)作用能大大增強(qiáng)微細(xì)電鑄的傳質(zhì)效果，外部強(qiáng)制對流和自然對流的協(xié)同傳質(zhì)作用是微細(xì)電鑄高效實施的重要保證；增大沉積面與體液間的溫度差一定程度上提高了物

8、質(zhì)綜合輸運(yùn)效果。 第四章概述了微細(xì)電鑄工藝基礎(chǔ)及研究進(jìn)展，從工藝實踐的角度分析了工藝優(yōu)化的途徑與措施，對比試驗研究了陰極水平放置和豎直放置對電鑄層形貌質(zhì)量的影響，研究結(jié)果證明浮力驅(qū)動自然對流是高深寬比微小結(jié)構(gòu)電鑄高效傳質(zhì)的關(guān)鍵性力量，試驗驗證了第三章數(shù)值分析結(jié)果的正確性。利用自行研制的微細(xì)電鑄裝置，單獨(dú)或綜合采用交替性給封閉電鑄槽抽進(jìn)氣（抽氣降低電鑄槽壓力，進(jìn)氣高速沖液攪拌）、熱梯度等工藝措施，對微細(xì)電鑄進(jìn)行了試驗研究。試驗結(jié)

9、果表明：采用陰極板水平放置、交替性給電鑄槽抽進(jìn)氣、熱梯度(25℃/60℃)等電沉積復(fù)合工藝措施，能明顯提高電鑄微小結(jié)構(gòu)件的形貌質(zhì)量，減少鑄件針孔、結(jié)瘤等缺陷。研究分析了溶液超聲攪拌對電鑄層形貌的影響，試驗結(jié)果顯示，適度功率大小的溶液超聲攪拌能明顯減少電鑄件針孔，提高鑄層平整性。 第五章分析了微細(xì)電火花加工的電極損耗機(jī)理，選擇了三種有增強(qiáng)電鑄銅電極抗電蝕性能潛勢的試驗方案，通過在硫酸銅基液中添加明膠、添加強(qiáng)耐電蝕性的石墨微粉和焦磷

10、酸鹽基液中添加納米稀土氧化物——氧化鑭組成新電解液，研究分析了基于這些電解液所電鑄的宏觀電極試樣的耐電蝕能力、形貌特征和顯微硬度等，并以耐電蝕能力為主要評價指標(biāo)依次優(yōu)選了上述三類試驗的工藝參數(shù)和操作條件。然后以各自優(yōu)選出的工藝參數(shù)和操作條件電鑄出微電極試樣，并進(jìn)行了電蝕性試驗，以進(jìn)一步分析它們的微細(xì)電鑄能力和“微觀”抗電蝕行為。試驗結(jié)果表明，利用焦磷酸鹽基液添加適量(1.5~2g/l)納米氧化鑭所組成的新電解液電鑄出的微電極試樣在微細(xì)電

11、火花加工中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗電蝕能力。 第六章分析了用UV-LIGA技術(shù)制備的工具電極微細(xì)電火花批量加工復(fù)雜形狀微小結(jié)構(gòu)器件的工藝特點。初步試驗研究了電極對面積和加工面積對微細(xì)電火花批量加工型腔類和型架類結(jié)構(gòu)時的加工精度、表面質(zhì)量、加工速度和電極損耗的影響。結(jié)果表明：在設(shè)定加工規(guī)準(zhǔn)的條件下，批量加工型腔類結(jié)構(gòu)的加工精度和表面質(zhì)量隨電極對面積的增大而提高，而批量加工型架類結(jié)構(gòu)的加工精度和表面質(zhì)量與電極對面積之間并沒有這種變化規(guī)律。電極