CN101293628A - 一种三维微型模具的制造方法 - Google Patents

一种三维微型模具的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三维微型模具的制造方法，在各硅片上分别刻蚀出与待制造零件各层结构相应的图形，将质量百分比98％的H2SO4与质量百分比30％的H2O2按照体积比2～4∶1混合，采用此混合溶液对各硅片进行清洗，然后活化，再将活化后的硅片干燥，按层次迅速对准贴合，最后进行退火处理得到三维微型模具型腔。本发明能够制造出微米尺度的三维微型模具，具有精度高，成本低，柔性大的优点，适用于微齿轮轴、微阶梯轴、高深宽比三维微型结构等微机电系统(MEMS)器件模具的加工制造。

Description

一种三维微型模具的制造方法
技术领域
本发明涉及模具制造技术，特别是涉及三维微型模具的制造方法。
背景技术
现有技术将零件外形尺寸特征大小在1μm～10mm之间称为微型零件，随着微型零件的应用越来越广，特别是微机电系统(MEMS)、电子工业等领域的迅速发展，使得微型模具制造和微成形技术成为业界重点研究的对象。
目前微型模具的微细加工技术主要包括电化学微加工、激光加工技术和基于金属或非金属的精密机械加工，如微车削、磨削和铣削加工工艺。电化学等微细特种加工工艺相对复杂，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，但对于三维微型零件模具的加工仍然存在不足之处；激光加工主要包括准分子激光加工和飞秒激光加工，由于其激光聚焦的局限性，加工的微型模具相对深宽比较小；传统的微机械切削加工方法加工三维微小模具型腔，虽然工艺简便实用，不需要太大的投资就可以进行生产，但加工模具型腔尺寸较大、精度较低。
发明内容
本发明提供一种基于硅键合工艺的三维微型模具制造方法，能够制造出微米尺度的三维微型模具，具有精度高，成本低，柔性大的优点。
本发明提供的一种三维微型模具的制造方法，包括以下步骤：
(1)对待制造零件在垂直方向上进行分层，每层厚度为10微米～300微米；
(2)选择数量与待制造零件分层数相同的硅片，在各硅片上分别刻蚀出与待制造零件各层结构相应的图形；
(3)将质量百分比98％的H2SO4与质量百分比30％的H2O2按照体积比2～4∶1混合，采用此混合溶液对各硅片进行清洗；
(4)对各硅片进行活化；
(5)将活化后的硅片，按层次快速对准贴合；
(6)将贴合好的硅片放入退火炉内进行退火处理得到三维微型模具型腔。
本发明相比现有技术具有如下优点：本发明采用多层硅-硅直接键合方法，无需中介层辅助，键合强度高，可靠性好，而且随着温度升高，键合界面将出现熔融，键合强度进一步增加，因此利用本发明制备的硅模具可以承受较大的压力和较高的温度。同时，通过变换组合具有不同图形的硅片，同一批次硅片能够加工制造出大量形状复杂，高深宽比的三维微型硅模具，厚度方向可达几百微米甚至数毫米，精度高，工艺柔性大，成本低。
附图说明
图1为本发明一实施例制造的模具所针对的零件示意图；
图2为本发明一实施例刻蚀步骤示意图，图2(a)、图2(c)、图2(e)、图2(g)和图2(i)为减薄后的硅片示意图，2(b)、图2(d)、图2(f)、图2(h)和图2(j)为各硅片刻蚀后的截面效果示意图；
图3为本发明一实施例中两块硅片贴合截面效果示意图；
图4为本发明一实施例中制造出的模具截面效果示意图；
图5为本发明另一实施例中制造的模具所针对的零件示意图；
图6为本发明另一实施例中制造的模具截面效果示意图；
图7为第三实施例制造的模具所针对的零件示意图；
图8为第三实施例制造的模具截面效果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图进一步说明本发明。
实施例1：
图1示出了本实施例制造的模具所针对的待制造三维微型零件，将该零件在垂直方向上分为5层，选择5块标准硅片，将硅片减薄，图2(a)、图2(c)、图2(e)和图2(g)所示的硅片厚度为100μm，图2(i)所示的硅片厚度为300μm，采用体硅加工工艺在硅片上按顺序刻蚀出零件各层的外观图形，如图2(b)、图2(d)、图2(f)、图2(h)和图2(j)所示，图2(j)的硅片刻蚀有零件最底层的外观形状。
将刻蚀好的待键合样片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，在120℃温度条件下清洗20分钟；
将清洗后的硅片浸泡到氨基活化液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中进行一次活化，样片活化20分钟，反应温度为70℃；
再将硅片浸泡到盐酸基活化液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中进行二次活化，样片活化20分钟，反应温度为70℃；
将活化后的硅片吹干后，在室温下按照从上到下的顺序将其迅速贴合在一起，使之发生预键合，图3示出了图2(b)和图2(d)所示的硅片贴合截面效果示意图。
最后将预键合好的硅片放入退火炉中进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为15小时，得到模具型腔，如图4所示出。
实施例2：
图5为本实施例制造的模具所针对的零件，将该模具分为三层，制备步骤与实施例1大致相同，区别点在于：(1)采用H2SO4∶H2O2＝4∶1的清洗液清洗15分钟；(2)采用70％的HNO3进行活化，活化时间为20分钟，反应温度为70℃；(3)采用从下往上的顺序贴合；(4)退火时间为10小时，退火温度为450℃。图6为本实施例制造出的模具截面效果示意图。
实施例3：
图7为本实施例制造的模具所针对的零件，从结构上看可以分为三层，但由于此微型零件两端部分具有相对高的深宽比，在现有刻蚀技术无法刻透情况下，将其多分为两层，因此此零件共分五层，模具制备步骤与实施例1大致相同，区别点在于：(1)采用H2SO4∶H2O2＝3∶1的清洗液，在120℃温度条件下清洗10分钟；(2)采用70％的HNO3进行活化，活化是时间为20分钟，反应温度为70℃；(3)采用从下往上的顺序贴合；(4)退火时间为8小时，退火温度为500℃。图8为本实施例制造出的模具截面效果示意图。
本发明在具体实施中，可以将各硅片同时减薄、刻蚀、清洗、活化和贴合，也可以先对两硅片进行减薄、刻蚀、清洗、活化和贴合，然后再对其它硅片作相同处理，不论哪一种方式，实质上都是相同的，均在本发明要求保护的范围内。

Claims (3)

1、一种三维微型模具的制造方法，包括以下步骤：
(1)对待制造零件在垂直方向上进行分层，每层厚度为10微米～300微米；
(2)选择数量与待制造零件分层数相同的硅片，在各硅片上分别刻蚀出与待制造零件各层结构相应的图形；
(3)将质量百分比98％的H2SO4与质量百分比30％的H2O2按照体积比2～4∶1混合，采用此混合溶液对各硅片进行清洗；
(4)对各硅片进行活化；
(5)将活化后的硅片干燥，按层次快速对准贴合；
(6)将贴合好的硅片放入退火炉内进行退火处理得到三维微型模具型腔。
2、根据权利要求1所述的一种三维微型模具的制造方法，其特征在于，所述步骤(5)按照从上往下的顺序贴合。
3、根据权利要求1所述的一种三维微型模具的制造方法，其特征在于，所述步骤(6)的退火时间为8～15小时，退火温度为400～500℃。
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