一种微模具的复合加工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微细加工技术领域，具体涉及一种微模具的复合加工方法。
【背景技术】
[0002]随着现代科学技术的发展，微小型化已成为产品发展的主要趋势。目前，半导体工业、光纤通信、航空航天、生物工程以及医疗行业等领域对于微小型产品的需求越来越大，对于其结构和功能的复杂程度及可靠性要求也越来越高。因此，通过微细加工技术制作微模具，再由微模具成型制备微小产品，具有批量生产，经济可靠等优点，是大规模制备微小型产品的重要发展方向。
[0003]其中，微模具是技术的核心，其表面粗糙度和加工精度直接决定成型零件的质量，而微模具的生产成本和使用寿命也是影响其大批量生产的关键因素。目前微模具的制备方法有如下几种:
[0004]1.等离子体刻蚀，利用MEMS工艺，通过光刻和等离子体刻蚀实现微纳结构的制备，具有高精度，批量化等优势。根据基底材料的不同可分为硅基和非硅基微模具制备，对于硅基微模具来说，硅是一种硬脆性材料，容易出现疲劳损伤而引起破损，这会严重影响硅基微模具的使用寿命；而非硅基微模具以金属钨为代表，其硬度高，强度大，适合作为微模具材料，但是在钨刻蚀过程中，侧壁形貌受刻蚀参数的影响很大，而且当刻蚀较深时，底面粗糙度难以保证，这些都制约着等离子体刻蚀技术在微模具制备中的应用。
[0005]2.准LIGA技术，由于LIGA工艺所使用的同步X射线非常昂贵，准LIGA技术采用激光或者紫外线曝光，显影后通过电铸得到微模具，其优点是可以制备高深宽比的复杂形状。但是，受电铸材料的限制，这种方法制备的微模具材料以铜和镍为主，同时由于电铸工艺自身的限制和电场的非均匀分布，电铸得到的结构相比热加工的金属体材料更为疏松，并且难以避免空洞等缺陷。
[0006]3.精密机械加工，机械切削加工可以获得高质量的加工表面，其粗糙度可以达到几个纳米，但是与基于光刻工艺的等离子体刻蚀和准LIGA技术相比，精密机械加工的特征尺寸有限，而且加工微米级特征尺寸机床的价格极其昂贵，同时加工效率很低。此外，受刀具的限制，在加工图形的弯折处会存在R角，无法形成尖锐的过渡(附图8所示)，其最小半径只能达到四五十微米，不能满足微细加工的要求。
[0007]4.微细电火花加工技术，利用工具电极和工件之间的脉冲性火花放电来蚀除材料，实现图形从电极到工件的互补转移，适用于各种高硬度，高耐磨性和抗腐蚀性的难加工材料(如模具钢，硬质合金等)。其中，微细工具电极的制备是关键，据报道，基于钨刻蚀电极的微细电火花加工技术可以制备复杂形状的微模具，同时，这种方法可以解决精密机械加工中出现的特征尺寸限制和R角问题，将R角半径减小到微米级，但由于微细电火花加工表面是由无数电蚀小凹坑组成，其表面粗糙度最小只能达到百纳米级，对于后续使用该模具成型的产品，如微流控芯片来说，较高的表面粗糙度将严重影响产品的键合封接和检测。
【发明内容】
[0008]针对以上各种问题，本发明提出一种微模具的复合加工方法，该方法可以制备具有高质量表面的微模具。
[0009]本发明采用的技术方案如下:
[0010]—种微模具的复合加工方法，其步骤包括:
[0011]I)对于微模具图形的外围区域，采用机械切削加工方式，去除多余材料，并定义图形区域轮廓，实现高质量的加工表面；
[0012]2)对于微模具图形区域，利用钨工具电极，采用微细电火花加工方式，实现图形的精确转移，保证加工精度和效率。
[0013]进一步地，步骤I)首先利用机械铣削加工快速去除微模具图形外围的多余材料，然后进行机械磨削加工以提高表面质量。
[0014]进一步地，在步骤I)进行机械切削加工的同时，利用等离子体刻蚀技术制备与微模具图形互补的钨微细电极，通过机械切削加工与钨微细电极制备工艺同时进行来缩短微模具的制备周期。
[0015]进一步地，步骤2)采用等离子体刻蚀技术制备所述钨工具电极，其步骤如下:
[0016]a)在钨基片表面溅射硬掩膜；
[0017]b)在硬掩膜上涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光和显影，完成光刻胶的图形化；
[0018]c)将光刻胶作为掩膜，对硬掩膜进行干法刻蚀，实现掩膜图形化的转移；
[0019]d)去除硬掩膜上的光刻胶，采用等离子体深刻蚀方法(DRIE)进行钨电极的深刻蚀；
[0020]e)去除硬掩膜，得到钨微细电极。
[0021]进一步地，步骤2)在进行微细电火花加工之后，利用研磨的方式来提高微细电火花加工区域的表面质量。
[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
[0023]1.该技术结合精密机械加工和微细电火花加工的技术优势，既能获得高质量的加工表面，又可以制备微米级的复杂微结构，并且减小R角半径(如图8所示)，从而实现高质量微模具的制备。
[0024]2.该复合加工方法可并行加工任意高硬度，高耐磨性的导电材料，如模具钢，硬质合金等，这些材料可以大大提高微模具的使用寿命，降低批量化生产的成本。
[0025]3.由于微细电火花加工的自身特点，其制备的微模具结构呈现正倾角，从而形成良好的拔模角，有利于后续成型加工(如注塑，压印等)中的脱模过程。
[0026]4.机械加工过程和MEMS工艺制备钨电极分开，避免两种工艺不兼容造成的交叉污染，影响微模具加工质量。另外，两种工艺同时进行，可缩短微模具的制备周期，提高生产效率。
[0027]5.采用机械切削加工方式去除微模具图形外围多余材料，能够减小后续微细电火花的放电面积，避免过多电蚀产物的集聚，提高放电过程的稳定性，保证微细电火花加工的尺寸精度和表面质量，同时放电面积减小，可以缩短微细电火花加工时间，提高加工效率，满足快速的市场响应。
【附图说明】
[0028]图1.表面抛光的模具钢工件不意图；
[0029]图2.机械铣削加工后的微模具示意图；
[0030]图3.机械磨削加工后的微模具示意图；
[0031]图4.金属妈微细电火花工具电极不意图；
[0032]图5.工具和工件电极微通道区域的对准示意图；
[0033]图6.微细电火花加工过程示意图；
[0034]图7.微流控芯片I旲具不意图；
[0035]图8.精密机械加工R角的俯视示意图。
[0036]说明:图中标注