CN102277598B - 一种喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，是采用石蜡模板与导电基底紧密贴合后，在石蜡模板上的微小孔内注入光刻胶并风干，以在导电基底上制出微小柱状阵列，再将微小柱状阵列中各柱体的上端部加热软熔，采用强电场的电场力的作用，将微小柱状阵列中各柱体上端部产生变形，使各个柱体形成为下端部为直壁状、上端部为外扩的喇叭形的蘑菇状结构，冷却、硬化后，即形成喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模，本发明方法，工艺简单，操作简便，可以制造出具有布排密集、高度大的微细柱状阵列特征的芯模，可以在后续工艺中电铸制造出开孔率高、厚度大、孔形结构精度与一致性高、具有喇叭形孔截面特征的微小孔阵列。
Description
技术领域：
本发明涉及微小孔阵列电铸成形技术领域，尤其涉及一种喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法。
背景技术：
目前，具有微小孔阵列结构特征的零件，如打印机喷嘴、光纤连接器、电子显微镜的光栅网、化纤喷丝板、滤网、筛网等，在航空航天、精密仪器、化纤等领域有着广泛的应用。应用实践表明：孔轴向截面为喇叭形的微小孔阵列，具有强度高、易卸渣和清洗、不易堵塞、过滤周期和使用寿命长、易维护等优点。
目前，喇叭形微小孔阵列的制作主要有电解加工和电铸加工两种方法。由于受电流密度分布、杂散腐蚀、流场分布、电解液组分、温度等多种因素的综合影响，电解加工的孔形可控性较差，很难制造出高开孔率的、具有真正意义的喇叭形微小孔阵列。基于芯模的反拷复制原理来加工成形结构与零件的电铸技术，具有加工精度高、孔形不受限制、材料适用范围广且性能可控、易实现光滑孔壁等优势，是制造微小结构阵列的主要方法之一。高质量芯模的制造与成形是实施电铸工艺的前提和基础。
电铸加工是目前制备广泛用于纺织印染行业的、具有类喇叭孔形特征的印花圆（镍）网的主要工艺手段之一。其芯模制备的核心步骤为：在金属基底（如铜等）上压轧出微小凹坑；在凹坑中嵌入电绝缘性材料（如感光胶等）；电绝缘材料固化成形后，便形成了导电基底上规则布排有绝缘性圆突起或筋的电铸芯模。但是基于上述步骤的电铸芯模成形工艺，极难制备出高度和布排密度大、形状精度高的微细结构特征（如圆突起或筋等），从而使得基于这种芯模电铸成形的喇叭形网孔阵列制品普遍存在开孔率低、厚度较薄、孔形结构精度与一致性较差等不足。
如果能针对现有喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模制备方法的不足，提供了一种适合于制造具有高排布密度、高形状结构精度、高深宽比的微细蘑菇状结构特征的电铸芯模的制造方法，将大大提高喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造效率。
发明内容：
本发明的目的是提供一种喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，用于制造具有高排布密度、高形状结构精度、高深宽比的微细蘑菇状结构特征的电铸芯模，以便在后续工艺中能电铸制造开孔率高、厚度大、孔形结构精度与一致性高、具有喇叭形孔截面特征的微小孔阵列。
一种喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其中，具体包括如下步骤：
（a）将布有镂空的微小孔阵列的石蜡模板与导电基底紧密贴合，在黄光环境中用光刻胶填充石蜡模板上的微小孔阵列；然后，将光刻胶在室温下风干，之后，对贴合在一起的石蜡模板与导电基底进行加热，加热到可以融化石蜡而不影响光刻胶状态的温度，将热融化后的石蜡去除，便在导电基底上面形成微小柱状阵列；
（b）用温控系统对导电基底上微小柱状阵列的柱体上端部进行加热并保持第一设定时间，将微小柱状阵列中各柱体顶端以热熔化的方式进行倒圆角，之后，冷却至室温；
（c）将ITO导电玻璃平板电极放置于导电基底上各微小柱体顶端的上方， ITO导电玻璃平板电极设置为与导电基底平行；在ITO导电玻璃平板电极与导电基底之间的间隙充填满甘油，使用温控系统在ITO导电玻璃平板电极侧进行加热，使ITO导电玻璃平板电极与导电基底间隙内的平板侧到基底侧的温度形成从高到低的梯度分布，并保持第二设定时间，使微小柱状阵列中各个柱体占总高度的1/4～1/3长度的上端部软熔为粘流态，而微小柱状阵列中各个柱体的除前述上端部以下的其余部分仍为固态；
（d）将导电基底连接强电场驱动直流电源的正极，将ITO导电玻璃平板电极连接强电场驱动直流电源的负极，使导电基底与ITO导电玻璃平板电极之间形成强电场，微小柱状阵列中各个柱体软熔为粘流态的上端部在所述强电场的电场力作用下发生压缩变形，使各个柱体形成为下端部为直柱状、上端部为外扩的喇叭形的蘑菇状结构，之后，关掉所述的强电场驱动直流电源；
（e）将步骤d）中形成的蘑菇状结构的柱体于室温下冷却，使各柱体上软熔为粘流态的上端部硬化，之后，清洗掉甘油，便形成喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模。
所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其中：所述光刻胶为SU-8胶。
所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其中：所述光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯。
所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其中：所述ITO导电玻璃平板电极与步骤a）中导电基底上微小柱体顶端面之间的间隙范围为0.2～0.5mm。
所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其中：步骤d）中所述的强电场的电场强度范围为1800～3000V/cm。
所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其中：所述的石蜡模板是采用冲孔的方法在薄石蜡平板上冲出微小通孔阵列，以制作出石蜡模板。
所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其中：步骤（a）中“对贴合在一起的石蜡模板与导电基底进行加热，加热到可以融化石蜡而不影响光刻胶状态的温度”，所述的“温度”范围为50~55℃。
所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其中：步骤（b）中“用温控系统对导电基底上微小柱状阵列的柱体上端部进行加热并保持第一设定时间”，所述的加热温度为65℃~95℃，第一设定时间为60秒~120秒。
所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其中：步骤（c）中所述的“使用温控系统在ITO导电玻璃平板电极侧进行加热，使ITO导电玻璃平板电极与导电基底间隙内的平板侧到基底侧的温度形成从高到低的梯度分布，并保持第二设定时间”，温控系统控制平板电极保持的温度范围为100℃~150℃，温控系统控制导电基底保持的温度范围为20℃~30℃，第二设定时间为5~10分钟。
所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其中：所述的石蜡模板厚度为100~1000μm；镂空的微小孔阵列中的各微小孔为直径50~1000μm的直壁圆形通孔，两相邻微小孔孔壁之间的间距不小于100μm。
本发明采用上述技术方案后将达到如下的技术效果：
本发明的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，采用石蜡模板与导电基底紧密贴合后，在石蜡模板上的微小孔内注入光刻胶并风干，以在导电基底上制出微小柱状阵列，再将微小柱状阵列中各柱体的上端部加热软熔，采用强电场的电场力的作用，将微小柱状阵列中各柱体上端部产生变形，使各个柱体形成为下端部为直壁状、上端部为外扩的喇叭形的蘑菇状结构，冷却、硬化后，即形成喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模，本发明方法，工艺简单，操作简便，可以制造出具有布排密集、高度大的微细柱状阵列特征的芯模，可以在后续工艺中电铸制造出开孔率高、厚度大、孔形结构精度与一致性高、具有喇叭形孔截面特征的微小孔阵列。
附图说明：
图1为填充有光刻胶的微小孔阵列石蜡模板结构示意图；
图2为微小柱体阵列结构示意图；
图3为微小柱体顶面倒圆角后的阵列结构示意图；
图4为微小柱体电场力作用为吸引过程示意图；
图5为粘流态微小柱体受静电力变形原理图；
图6为制备而成的蘑菇状阵列芯模结构示意图；
图7为电铸成形后的喇叭形微小孔阵列结构示意图。
图中：1—导电基底，2—石蜡模板，3—微小柱体，4—微小柱体的倒圆角，5—软熔为粘流态部分，6—甘油，7—ITO导电玻璃平板电极，8—电源，9—电场力，10—电铸的网片。
具体实施方式：
本发明的一种喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，具体包括如下步骤：
（1）用冲孔的方法在薄石蜡平板上冲出微小通孔阵列，以制作出石蜡模板，将石蜡模板与平板状导电基底紧密贴合，在黄光环境中将微小孔阵列填充满光刻胶（如SU-8胶、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）等），光刻胶风干后，将石蜡模板加热（50~55℃）融化去除便形成微小柱状阵列；（2）将附有微小柱状阵列的导电基底置于自然对流恒温箱中，65℃~95℃（SU-8胶玻璃化转化温度约为55℃，SU-8胶在55℃时会由固态变为粘流态，升温软化，玻璃化是指超过55℃时由固态转化为粘流态；PMMA胶的玻璃化转化温度约在80~100℃）温度下保持60秒~120秒，使各微小柱体顶端面棱边角熔化，形成倒圆角状（倒圆角是为避免在后续静电吸引变形过程中电荷在棱边角处产生积聚效应，影响变形效果）；（3）将甘油均匀地涂布在导电基底上并完全覆盖住微小柱体阵列，然后将用ITO（氧化铟锡）导电玻璃制成的平板电极压放在甘油层上，平板电极与导电基底相平行，并使平板电极与步骤a）中微小柱阵列中柱体顶端的距离为0.2~0.5mm（平板电极与微小柱阵列中柱体顶端的距离是在步骤a）中通过一定位机构标定石蜡模板的上表面上方0.2~0.5mm位置处为平板电极下表面应在的位置处），控制温控系统使平板电极保持高温（100℃~150℃）、导电基底保持低温（20℃~30℃），从而使得处于平板电极与导电基底间隙内的甘油温度自平板电极侧到导电基底侧呈由高到低的梯度分布状态，5~10分钟后，微小柱状阵列中各个微柱体的上端部（高度约为柱体总高度的1/4～1/3）软熔为粘流态而其余部分仍为固态；（4）将导电基底、平板电极分别与强电场驱动直流电源的正、负极相连接，根据导电基底与平板电极之间两极间的间隙大小，调节强电场驱动直流电源的正、负极之间的电压值，由于导电基底、平板电极之间的间隙内充满了高介电常数的甘油，使得导电基底与平板电极之间形成1800～3000V/cm（电场强度E=V/L,V为极间电压值，L为间隙距离）的强电场，受强电场作用，光刻胶会发生极化现象，从而在微柱体体地顶端面聚集有大量感应电荷，感应电荷产生的电场力轴向作用于微小柱体顶部，迫使微小柱体处于粘流态的上端部发生变形，而微小柱体其余部分保持不变，从而使各微小柱体形成下端为直柱状、上端为喇叭形外扩的蘑菇状结构，关掉温控系统和电源；（5）将蘑菇状微小柱状阵列冷却至室温固化或硬化（若为PMMA，直接冷却到室温即可固化；若为SU-8胶，冷却到室温后，需再用紫外光照射曝光， 95℃烘烤20~60min后在冷却至室温硬化）后，清洗掉甘油，便形成喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模。
举出一种具体实施例，作进一步说明：
1. 用冲孔的方式在厚度为500μm的石蜡板上冲出直径为100μm、孔间距为500μm的直壁圆形通孔阵列，形成石蜡模板2，将石蜡模板2与导电基底1紧密贴合，用PMMA胶填充满孔阵列，见图1；室温下风干光刻胶后，每个小孔内的PMMA胶便形成一微小柱体3，在50℃温度的环境中融化去除石蜡，形成PMMA微小柱状阵列，见图2；
2. 将附有微小柱状阵列的导电基底1置于自然对流恒温箱中，100℃温度下保持85秒，使各微小柱体3顶端面棱边角熔化，形成倒圆角4，以避免在后续静电吸引变形过程中电荷在棱边角处产生积聚效应，影响变形效果，见图3；
3. 将甘油6均匀地涂布在导电基底1上并完全覆盖微小柱体3，然后把ITO平板电极7压放在甘油层6上，平板电极7与导电基底1相平行，见图4，使平板电极7与微小柱阵列顶端的距离为0.3mm，控制温控系统，使平板电极保持135℃，而导电基底保持20℃，从而使得处于平板电极与导电基底间隙内的甘油温度自平板电极侧到导电基底侧呈由高到低的梯度分布状态，约7分钟后，微小柱状阵列各个微柱体的上端部5（所述的“上端部”高度约为相应柱体总高度的1/4～1/3）软熔为粘流态，而柱体其余部分仍为固态；
4. 将导电基底1、平板电极7分别与强电场驱动直流电源8的正、负极相连接，见图4，调节强电场驱动直流电源8的正、负极间的电压值为200V，使得导电基底1和平板电极7间形成约2500V/cm的强电场，受强电场的作用，光刻胶会发生极化，使得微小柱体3顶端面聚集有大量感应电荷，感应电荷产生的电场力9轴向作用于微柱体体3顶部，见图5，迫使微小柱体3上处于粘流态的上端部5发生变形，而微小柱体3其余部分保持不变，从而使各微小柱体3形成下端为直柱状、上端为喇叭形外扩的蘑菇状结构，见图6，然后关掉温控系统和强电场驱动直流电源8；
将蘑菇状微柱状阵列冷却至室温固化后，清洗掉甘油，便形成喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模，图7为采用本发明的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模所制作的电铸网片10的结构示意图。
Claims (9)
1.一种喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（a）将布有镂空的微小孔阵列的石蜡模板与导电基底紧密贴合，在黄光环境中用光刻胶填充石蜡模板上的微小孔阵列；然后，将光刻胶在室温下风干，之后，对贴合在一起的石蜡模板与导电基底进行加热，加热到可以融化石蜡而不影响光刻胶状态的温度，将热融化后的石蜡去除，便在导电基底上面形成微小柱状阵列；
（b）用温控系统对导电基底上微小柱状阵列的柱体上端部进行加热并保持第一设定时间，将微小柱状阵列中各柱体顶端以热熔化的方式进行倒圆角，之后，冷却至室温；
（c）将ITO导电玻璃平板电极放置于导电基底上各微小柱体顶端的上方， ITO导电玻璃平板电极设置为与导电基底平行；在ITO导电玻璃平板电极与导电基底之间的间隙充填满甘油，使用温控系统在ITO导电玻璃平板电极侧进行加热，使ITO导电玻璃平板电极与导电基底间隙内的平板侧到基底侧的温度形成从高到低的梯度分布，并保持第二设定时间，使微小柱状阵列中各个柱体占总高度的1/4～1/3长度的上端部软熔为粘流态，而微小柱状阵列中各个柱体的除前述上端部以下的其余部分仍为固态；
（d）将导电基底连接强电场驱动直流电源的正极，将ITO导电玻璃平板电极连接强电场驱动直流电源的负极，使导电基底与ITO导电玻璃平板电极之间形成强电场，微小柱状阵列中各个柱体软熔为粘流态的上端部在所述强电场的电场力作用下发生压缩变形，使各个柱体形成为下端部为直柱状、上端部为外扩的喇叭形的蘑菇状结构，之后，关掉所述的强电场驱动直流电源；其中所述的强电场的电场强度范围为1800～3000V/cm；
（e）将步骤（d）中形成的蘑菇状结构的柱体于室温下冷却，使各柱体上软熔为粘流态的上端部硬化，之后，清洗掉甘油，便形成喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模。
2.根据权利要求1所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其特征在于：所述光刻胶为SU-8胶。
3.根据权利要求1所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其特征在于：所述光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯。
4.根据权利要求1或2或3所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其特征在于：所述ITO导电玻璃平板电极与步骤（a）中导电基底上微小柱体顶端面之间的间隙范围为0.2～0.5mm。
5.根据权利要求1或2或3所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其特征在于：所述的石蜡模板是采用冲孔的方法在薄石蜡平板上冲出微小通孔阵列，以制作出石蜡模板。
6.根据权利要求1或2或3所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其特征在于：步骤（a）中“对贴合在一起的石蜡模板与导电基底进行加热，加热到可以融化石蜡而不影响光刻胶状态的温度”，所述的“温度”范围为50~55℃。
7.根据权利要求1或2或3所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其特征在于：步骤（b）中“用温控系统对导电基底上微小柱状阵列的柱体上端部进行加热并保持第一设定时间”，所述的加热温度为65℃~95℃，第一设定时间为60秒~120秒。
8.根据权利要求1或2或3所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其特征在于：步骤（c）中所述的“使用温控系统在ITO导电玻璃平板电极侧进行加热，使ITO导电玻璃平板电极与导电基底间隙内的平板侧到基底侧的温度形成从高到低的梯度分布，并保持第二设定时间”，温控系统控制平板电极保持的温度范围为100℃~150℃，温控系统控制导电基底保持的温度范围为20℃~30℃，第二设定时间为5~10分钟。
9.根据权利要求1或2或3所述的喇叭形微小孔阵列电铸成形用芯模的制造方法，其特征在于：所述的石蜡模板厚度为100~1000μm；镂空的微小孔阵列中的各微小孔为直径50~1000μm的直壁圆形通孔，两相邻微小孔孔壁之间的间距不小于100μm。
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