CN102161032A - 厚胶膜精密整平装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厚胶膜精密整平装置，包括底座（1）和数显单元，底座（1）上后部设置的立柱组件（5），底座（1）内设有顶部凸出于底座（1）上表面的承片单元（9），立柱组件（5）前侧设有竖向进给单元（4），竖向进给单元（4）上设有前端伸到承片单元（9）正上方的横梁（6），横梁（6）上设有横向进给单元（7），横向进给单元（7）下部设有胶膜刮平单元（8），胶膜刮平单元（8）上设有气嘴（10）。本发明所述装置结构简单紧凑、制造成本低、工作效率高、实用性强，能较好地解决厚胶膜表面不平整、胶膜厚度难以精确控制的问题。

Description

厚胶膜精密整平装置

技术领域

本发明属于精密机械，特别涉及一种厚胶膜精密整平装置。

背景技术

微细尺度零部件（如微流道、微探针、微反应池等）和微细尺度金属模具（如微齿轮模具等）在微机械、航空航天、医药、仪器仪表等领域有着广泛而又关键性应用，而其高质量制造一直是微细与精密制造界的技术难点之一。LIGA（德文Lithographie，Galanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写）、UV(紫外光)-LIGA和Laser（激光）-LIGA等技术是目前承载这些微结构与零件、微模具制造任务的主要支撑技术。它们共同的工艺特征是：需要采用厚胶(如PMMA（聚甲基丙烯酸树脂）、SU-8胶或AZ胶等)来制备厚胶模。但是由于这些厚胶的粘度很高，经过匀胶或摊胶、前烘等工艺环节后，胶膜表面常因存在褶皱、气泡等缺陷而凹凸不平，且厚度极为不均，如200μm厚胶膜的高低不平度甚至超过100μm。上述胶膜缺陷的存在导致在后续的曝光环节因胶膜与掩模板之间存在很大的间隙而出现严重的衍射现象，造成胶模结构图形严重失真、微结构零部件的几何尺寸精度差甚至完全报废。厚胶膜表面多种缺陷共存及胶膜厚度不均的问题一直是困扰厚胶应用界的棘手难题之一。目前，解决的办法主要还是只能通过优化匀/摊胶的工艺条件和参数控制胶膜的表面缺陷和不平度，但远不能满足应用要求。也有人尝试采用医用生理切片机精密铣切配合烘烤的方式来整平厚胶膜（参见文献“张晔，陈迪，潘欣欣，等. UV-LIGA双层微齿轮加工工艺研究.微细加工技术，2005，(4):69-75.”），且获得了较好的胶膜整平质量，但因设备极其昂贵、切削效率较低，难以推广应用。目前国内外尚无成本低、实用性强、工作高效的厚胶专用精密整平装置。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足，提供一种成本低、加工效率高、能有效解决胶膜表面不平整且厚度难以精确控制等问题的厚胶膜精密整平装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：厚胶膜精密整平装置，包括底座1和数显单元，底座1上后部设置的立柱组件5，底座1内设有顶部凸出于底座1上表面的承片单元9，立柱组件5前侧设有竖向进给单元4，竖向进给单元4上设有前端伸到承片单元9正上方的横梁6，横梁6上设有横向进给单元7，横向进给单元7下部设有胶膜刮平单元8，胶膜刮平单元8上设有气嘴10。

所述立柱组件5包括下端与底座1固定连接的立杆5-2和设在立杆5-2上端并向前伸的顶梁5-1，立杆5-2前侧竖向设有双V型导轨4-6；竖向进给单元4包括与竖向V型导轨4-6滑动配合的竖向滑块4-5、设在顶梁5-1上的上轴承组件4-3和设在立杆5-2前侧下部且与上轴承组件4-3上下同轴的下轴承组件4-7，上轴承组件4-3和下轴承组件4-7之间转动设有竖向精密丝杠4-2，竖向滑块4-5前端与横梁6后端固定连接，横梁6后部通过其内竖向设置的滚珠螺母4-1与竖向精密丝杠4-2螺接配合，竖向精密丝杠4-2上端设有竖向驱动部件4-4，竖向精密丝杠4-2的下端连接有电磁离合器4-8，电磁离合器4-8后部与立杆5-2固定连接。

所述横梁6前部为方形中空结构，横梁6的中空部分左右两侧分别设有一个横向V型导轨7-4；横向进给单元7包括与两横向V型导轨7-4滑动配合的横向滑块7-3、设在横梁6的中空部分前侧的前轴承组件7-1和设在横梁6的中空部分后侧且与前轴承组件7-1前后同轴的后轴承组件7-7，前轴承组件7-1和后轴承组件7-7之间转动设有横向精密丝杠7-2，横向精密丝杠7-2穿设在横向滑块7-3并与横向滑块7-3螺接配合，横梁6左侧或右侧设有横向驱动部件7-6，横向驱动部件7-6通过精密锥齿轮副7-5与横向精密丝杠7-2后端传动连接。

所述胶膜刮平单元8包括设在横向进给单元7下部的T形刀架8-2和刀架8-2上设置的刀片8-1，刀片8-1的刀刃朝下设置，刀架8-2前端设有扁平状喷口朝下的气嘴10，气嘴10的喷口下端高于刀片8-1的刀刃下端。

所述承片单元9包括竖直设置在底座1内的龙门支架9-9、承片轴承组件9-1和动力输出轴朝上电动机9-8，龙门支架9-9上部与承片轴承组件9-1之间竖直转动设有一根上端伸出龙门支架9-9上部的空心轴9-2，空心轴9-2上设有从动皮带轮9-3和通过卡销9-4传动连接的承片台9-5，从动皮带轮9-3位于龙门支架9-9内，承片台9-5设在空心轴9-2上端且凸出于底座1上表面，电动机9-8的动力输出轴上设有主动皮带轮9-6，主动皮带轮9-6通过同步齿形带9-7与从动皮带轮9-3传动连接，承片轴承组件9-1侧部设有通过空心轴9-2与承片台9-5连通的排气口9-1-1。

所述数显单元由设在底座1上的显示器3、立杆5-2左侧或右侧设置的竖向光栅尺3-1和横梁6左侧或右侧设置的横向光栅尺3-2组成。

所述底座1上表面于承片台9-5外部设有同轴的切削盘2。

所述刀片8-1前角为7～15°，后角为15～25°，刀片8-1的刀刃与承片台9-5轴线垂直相交。

所述承片台9-5包括下部空心结构的转轴17和上部的圆形平台11，转轴17侧部开设有与卡销9-4配合的卡槽12，平台11上由中心向外等距开有不同直径的环形槽13，平台11在直径方向开设有一条直槽14将所有环形槽13切断为对称的两部分，平台11中心设有与空心轴9-2连通的通孔15，平台11上表面一侧设有一块作为基片的定位基准和防止基片扭转的扇形凸起16，扇形凸起16的弧线与平台11边缘重合，扇形凸起16高度为200~300μm。

所述切屑盘2边缘高度高于平台11上表面10～15mm，切屑盘2直径为130～350mm。

采用上述技术方案，将匀胶前烘后的基片放置在承片单元9上，利用数显单元的测量反馈竖向进给单元4和横向进给单元7工作状态的功能，控制竖向驱动部件4-4和横向驱动部件7-6的步进电机转动，分别带动竖向精密丝杠4-2和横向精密丝杠7-2旋转，进而带动竖向滑块4-5在竖向V型导轨4-6上竖向滑动，横向滑块7-3在横向V型导轨7-4上前后滑动，实现胶膜刮平单元8在竖直和前后方向的进给运动，由固定在横向滑块7-3上的刀片8-1将胶膜刮平，刮削的同时从气嘴10中喷出的气体（空气或氮气）则将刮削下来的光刻胶吹下基片，完成胶膜表面的精密整平。竖向进给单元4的竖向驱动部件4-4的步进电机工作时，电磁离合器4-8处于分离状态，当竖向驱动部件4-4的步进电机停止时，电磁离合器4-8立即闭合，电磁离合器4-8的作用是防止竖向驱动部件4-4的步进电机断电时滚珠螺母4-1在横梁6的自重作用下沿竖向精密丝杠4-2反转，造成横梁6下滑的情况发生。

本发明具有如下优点：

（1）结构简单紧凑。本发明所述的装置采用单立杆5-2和横梁6的“T”型布局，竖直方向进给运动部件集成在立杆5-2上，横向进给运动部件集成在横梁6上，整个装置结构简单紧凑。

（2）工作过程高效。利用本发明所述装置，采用其专用刀具以刮削方式可一次性快速整平厚胶膜，且整个工作过程直接由设定程序驱动自动完成，工作效率高；横向、竖直进给行程定量精密可控，工作过程精度高。

（3）制造成本低。本发明所述装置大多数零部件（如V型导轨、锥齿轮、精密滚珠丝杠副等）均可采用标准件，降低了制造成本。

（4）实用性强，能一机两用。本发明所述装置还可单独作匀胶机使用，实现了匀胶和胶膜精密整平两种功能的统一，做到了一机两用，实用性强。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明当中竖向进给单元的结构示意图；

图3是本发明当中横向进给单元的结构示意图；

图4是本发明当中胶膜削平单元和气嘴的结构示意图；

图5是本发明当中承片单元的结构示意图；

图6是本发明当中承片台的结构示意图；

图7是本发明当中刀片的结构示意图。

具体实施方式

如图1～图7所示，本发明的厚胶膜精密整平装置，包括底座1和数显单元，底座1上后部设置的立柱组件5，底座1内设有顶部凸出于底座1上表面的承片单元9，立柱组件5前侧设有进给精度为1μm的竖向进给单元4，竖向进给单元4上设有前端伸到承片单元9正上方的横梁6，横梁6上设有进给精度为10μm的横向进给单元7，横向进给单元7下部设有胶膜刮平单元8，胶膜刮平单元8上设有气嘴10。

立柱组件5包括下端与底座1固定连接的立杆5-2和设在立杆5-2上端并向前伸的顶梁5-1，立杆5-2前侧竖向设有双V型导轨4-6；竖向进给单元4包括与竖向V型导轨4-6滑动配合的竖向滑块4-5、设在顶梁5-1上的上轴承组件4-3和设在立杆5-2前侧下部且与上轴承组件4-3上下同轴的下轴承组件4-7，上轴承组件4-3和下轴承组件4-7之间转动设有竖向精密丝杠4-2，竖向滑块4-5前端与横梁6后端固定连接，横梁6后部通过其内竖向设置的滚珠螺母4-1与竖向精密丝杠4-2螺接配合，竖向精密丝杠4-2上端设有竖向驱动部件4-4，竖向精密丝杠4-2的下端连接有电磁离合器4-8，电磁离合器4-8后部与立杆5-2固定连接。

横梁6前部为方形中空结构，横梁6的中空部分左右两侧分别设有一个横向V型导轨7-4；横向进给单元7包括与两横向V型导轨7-4滑动配合的横向滑块7-3、设在横梁6的中空部分前侧的前轴承组件7-1和设在横梁6的中空部分后侧且与前轴承组件7-1前后同轴的后轴承组件7-7，前轴承组件7-1和后轴承组件7-7之间转动设有横向精密丝杠7-2，横向精密丝杠7-2穿设在横向滑块7-3并与横向滑块7-3螺接配合，横梁6左侧或右侧设有横向驱动部件7-6，横向驱动部件7-6通过精密锥齿轮副7-5与横向精密丝杠7-2后端传动连接。竖向驱动部件4-4和横向驱动部件7-6的步进电机转速可调范围大。

胶膜刮平单元8包括设在横向进给单元7下部的T形刀架8-2和刀架8-2上设置的刀片8-1，刀片8-1的刀刃朝下设置，刀架8-2前端设有扁平状喷口朝下的气嘴10，气嘴10的喷口下端高于刀片8-1的刀刃下端。刀片8-1前角A为7～15°，后角B为15～25°，T形刀架8-2下有一处台阶定位面用来定位刀片8-1，保证刀片8-1的刀刃与承片台9-5轴线垂直相交。

承片单元9包括竖直设置在底座1内的龙门支架9-9、承片轴承组件9-1（采用机械式动密封或磁致动密封）和动力输出轴朝上电动机9-8，龙门支架9-9上部与承片轴承组件9-1之间竖直转动设有一根上端伸出龙门支架9-9上部的空心轴9-2，空心轴9-2与龙门支架9-9之间设有轴承，空心轴9-2上设有从动皮带轮9-3和通过卡销9-4传动连接的承片台9-5，从动皮带轮9-3位于龙门支架9-9内，承片台9-5设在空心轴9-2上端且凸出于底座1上表面，电动机9-8的动力输出轴上设有主动皮带轮9-6，主动皮带轮9-6通过同步齿形带9-7与从动皮带轮9-3传动连接，承片轴承组件9-1侧部设有通过空心轴9-2与承片台9-5连通的排气口9-1-1。

承片台9-5适用于放置有定位基准的基片，承片台9-5包括下部空心结构的转轴17和上部的圆形平台11，转轴17侧部开设有与卡销9-4配合的卡槽12，平台11上由中心向外等距开有不同直径的环形槽13，平台11在直径方向开设有一条直槽14将所有环形槽13切断为对称的两部分，平台11中心设有与空心轴9-2连通的通孔15，平台11上表面一侧设有一块作为基片的定位基准和防止基片扭转的扇形凸起16，扇形凸起16的弧线与平台11边缘重合，扇形凸起16高度为200~300μm。横向进给单元7的横向滑块7-3向前的最大进给位置可以超过承片台9-5的中心。

底座1上表面于承片台9-5外部设有同轴的切削盘2，切屑盘2边缘高度高于平台11上表面10～15mm，切屑盘2直径为130～350mm。

数显单元由设在底座1上的显示器3、立杆5-2左侧或右侧设置的竖向光栅尺3-1和横梁6左侧或右侧设置的横向光栅尺3-2组成。

参照图2，竖向进给单元4工作时，启动竖向驱动部件4-4的步进电机，此时位于竖向精密丝杠4-2下端的电磁离合器4-8处于分离状态，步进电机通过联轴器带动竖向精密丝杠4-2旋转一定角度，滚珠螺母4-1沿竖向精密丝杠4-2上下移动，通过横梁6带动竖向滑块4-5沿V型导轨4-6上下运动。步进电机断电时，电磁离合器4-8迅速闭合，从而使竖向精密丝杠4-2不能在横梁6的自重作用下反转，使横梁6保持准确的位置。

参照图3，横向进给单元7工作时，横向驱动部件7-6的步进电机通过联轴器带动精密锥齿轮副7-5旋转一定角度，从而带动横向精密丝杠7-2旋转，横向精密丝杠7-2的旋转带动底部固定有刀架8-2的横向滑块7-3沿两横向V型导轨7-4前后滑动，实现刀架8-2的横向运动。

参照图4，胶膜刮平单元8和气嘴10工作时，基片以承片台9-5的扇形凸起16作为定位基准放置在承片台9-5上，气泵为气嘴10提供空气（或氮气）动力，真空泵与排气口9-1-1连接进行抽气，因负压基片被吸附在承片台9-5上，电动机9-8通过主动皮带轮9-6、同步齿形带9-7、从动皮带轮9-3、空心轴9-2带动承片台9-5旋转，固定在横向滑块7-3上的刀架8-2在横向进给单元7的进给作用下，从基片边缘向基片中心进给，固定在刀架8-2上的刀片8-1将厚胶膜削平，气泵中的高压气体经过气嘴10将切屑吹下基片。

本发明在工作使用时，先将匀胶并前烘后的基片通过承片台9-5上的定位基准定位放置在承片台9-5上，基片因负压被吸附在承片台9-5上，然后以承片台9-5的圆形平台11的上表面和侧面分别作对刀的竖向基准和横向基准，结合数显单元的竖向光栅尺3-1和横向光栅尺3-2在显示器3上显示的测量反馈信息，控制竖向驱动部件4-4和横向驱动部件7-5的步进电机转动，完成对刀。然后利用基准确定竖直方向刮削进给量和横向进给量，横向进给量要稍大于基片半径。然后打开气嘴10开关，气嘴10喷出气体（空气或氮气）。单次刮削运动时，横向驱动部件7-6带动锥齿轮副7-5运转从而带动横向精密丝杠7-2旋转，旋转的横向精密丝杠7-2带动底部固定有刀架8-2的横向滑块7-3沿两横向V型导轨7-4向前滑动，使刀架8-2上的刀片8-1由基片边缘向基片中心进给，利用刀片8-1刮削厚胶膜，气嘴10中喷出的高压气体将切屑吹下基片。当刀片8-1经过基片中心后竖向驱动部件4的步进电机反转将横梁6沿V型导轨升高，然后横向驱动部件7-5的步进电机快速反转，刀片8-1快速退回到基片外，实现退刀。然后竖向驱动部件4-4的步进电机转动相应角度，带动竖向精密丝杠4-2旋转相应角度从而使横梁6沿V型导轨4-6向下相对上次刮削滑动单次刮削进给量，刀片8-1再次横向进给，再次刮削胶膜。检查经刮削并后烘后的胶膜表面质量及厚度均匀性，若不满足要求，重复上述过程直至满足要求。

本发明所述装置还可单独作匀胶机使用，将横梁6升起后，通过承片台9-5上的定位基准定位，将涂有厚胶的基片放置在承片台9-5上，基片因负压被吸附在承片台9-5上。设定好承片单元9的电动机9-8的速度调整过程（启动、升速、匀速、降速），电动机9-8在程序的控制下调整转速直至停止，关闭负压开关，取下基片，完成匀胶。

Claims (10)

1.厚胶膜精密整平装置，其特征在于：包括底座（1）和数显单元，底座（1）上后部设置的立柱组件（5），底座（1）内设有顶部凸出于底座（1）上表面的承片单元（9），立柱组件（5）前侧设有竖向进给单元（4），竖向进给单元（4）上设有前端伸到承片单元（9）正上方的横梁（6），横梁（6）上设有横向进给单元（7），横向进给单元（7）下部设有胶膜刮平单元（8），胶膜刮平单元（8）上设有气嘴（10）。

2.根据权利要求1所述的厚胶膜精密整平装置，其特征在于：所述立柱组件（5）包括下端与底座（1）固定连接的立杆（5-2）和设在立杆（5-2）上端并向前伸的顶梁（5-1），立杆（5-2）前侧竖向设有双V型导轨（4-6）；竖向进给单元（4）包括与竖向V型导轨（4-6）滑动配合的竖向滑块（4-5）、设在顶梁（5-1）上的上轴承组件（4-3）和设在立杆（5-2）前侧下部且与上轴承组件（4-3）上下同轴的下轴承组件（4-7），上轴承组件（4-3）和下轴承组件（4-7）之间转动设有竖向精密丝杠（4-2），竖向滑块（4-5）前端与横梁（6）后端固定连接，横梁（6）后部通过其内竖向设置的滚珠螺母（4-1）与竖向精密丝杠（4-2）螺接配合，竖向精密丝杠（4-2）上端设有竖向驱动部件（4-4），竖向精密丝杠（4-2）的下端连接有电磁离合器（4-8），电磁离合器（4-8）后部与立杆（5-2）固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的厚胶膜精密整平装置，其特征在于：所述横梁（6）前部为方形中空结构，横梁（6）的中空部分左右两侧分别设有一个横向V型导轨（7-4）；横向进给单元（7）包括与两横向V型导轨（7-4）滑动配合的横向滑块（7-3）、设在横梁（6）的中空部分前侧的前轴承组件（7-1）和设在横梁（6）的中空部分后侧且与前轴承组件（7-1）前后同轴的后轴承组件（7-7），前轴承组件（7-1）和后轴承组件（7-7）之间转动设有横向精密丝杠（7-2），横向精密丝杠（7-2）穿设在横向滑块（7-3）并与横向滑块（7-3）螺接配合，横梁（6）左侧或右侧设有横向驱动部件（7-6），横向驱动部件（7-6）通过精密锥齿轮副（7-5）与横向精密丝杠（7-2）后端传动连接。

4.根据权利要求3所述的厚胶膜精密整平装置，其特征在于：所述胶膜刮平单元（8）包括设在横向进给单元（7）下部的T形刀架（8-2）和刀架（8-2）上设置的刀片（8-1），刀片（8-1）的刀刃朝下设置，刀架（8-2）前端设有扁平状喷口朝下的气嘴（10），气嘴（10）的喷口下端高于刀片（8-1）的刀刃下端。

5.根据权利要求4所述的厚胶膜精密整平装置，其特征在于：所述承片单元（9）包括竖直设置在底座（1）内的龙门支架（9-9）、承片轴承组件（9-1）和动力输出轴朝上电动机（9-8），龙门支架（9-9）上部与承片轴承组件（9-1）之间竖直转动设有一根上端伸出龙门支架（9-9）上部的空心轴（9-2），空心轴（9-2）上设有从动皮带轮（9-3）和通过卡销（9-4）传动连接的承片台（9-5），从动皮带轮（9-3）位于龙门支架（9-9）内，承片台（9-5）设在空心轴（9-2）上端且凸出于底座（1）上表面，电动机（9-8）的动力输出轴上设有主动皮带轮（9-6），主动皮带轮（9-6）通过同步齿形带（9-7）与从动皮带轮（9-3）传动连接，承片轴承组件（9-1）侧部设有通过空心轴（9-2）与承片台（9-5）连通的排气口（9-1-1）。

6.根据权利要求5所述的厚胶膜精密整平装置，其特征在于：所述数显单元由设在底座（1）上的显示器（3）、立杆（5-2）左侧或右侧设置的竖向光栅尺（3-1）和横梁（6）左侧或右侧设置的横向光栅尺（3-2）组成。

7.根据权利要求6所述的厚胶膜精密整平装置，其特征在于：所述底座（1）上表面于承片台（9-5）外部设有同轴的切削盘（2）。

8.根据权利要求7所述的厚胶膜精密整平装置，其特征在于：所述刀片（8-1）前角为7～15°，后角为15～25°，刀片（8-1）的刀刃与承片台（9-5）轴线垂直相交。

9.根据权利要求8所述的厚胶膜精密整平装置，其特征在于：所述承片台（9-5）包括下部空心结构的转轴（17）和上部的圆形平台（11），转轴（17）侧部开设有与卡销（9-4）配合的卡槽（12），平台（11）上由中心向外等距开有不同直径的环形槽（13），平台（11）在直径方向开设有一条直槽（14）将所有环形槽（13）切断为对称的两部分，平台（11）中心设有与空心轴（9-2）连通的通孔（15），平台（11）上表面一侧设有一块作为基片的定位基准和防止基片扭转的扇形凸起（16），扇形凸起（16）的弧线与平台（11）边缘重合，扇形凸起（16）高度为200~300μm。

10.根据权利要求9所述的厚胶膜精密整平装置，其特征在于：所述切屑盘（2）边缘高度高于平台（11）上表面10～15mm，切屑盘（2）直径为130～350mm。

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