CN104191053A - 一种微细电解阴极活动模板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微细电解阴极活动模板的制备方法，其包括以下步骤：选择光滑平整无裂纹且厚度均匀的金属薄片作为模板基体；对模板基体进行预处理，清洁表面杂质、优化粗糙度轮廓；使用物理气相沉积方法在模板基体表面沉积一层均匀的膜状绝缘层；使用激光微细加工技术依据所需织构图案将带绝缘层金属薄片加工出多个镂空图形。活动模板应用于微细电解加工时，其绝缘面与工件贴合，对工件无需加工部分起保护作用，在工件刻蚀出与镂空图案相仿的织构。在模板表面均匀沉积的绝缘层与基底的结合力更强，使模板重复使用率高；绝缘层更薄，缩小阴阳极的距离，改善流场，增强传质，提高电解加工定域性，可刻蚀出更微细的图案，具有纳尺度织构加工潜力。

Description

一种微细电解阴极活动模板的制备方法

技术领域

本发明涉及电解加工技术，尤其涉及一种用于加工表面微织构的电解阴极活动模板的制备方法。

背景技术

微细电解阴极活动模板用于通过电解蚀刻的加工方法在金属零件的表面加工大面积微织构。微织构是微小的表面织构。表面织构(Surface texture)是指物体表面具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的阵列。具有微纳米尺度微观织构的表面在表面能、光学特性、仿生特性、机械特性、流体动力学特性及摩擦磨损性能等方面与光滑表面表现出截然不同的特点，这为众多学科研究注入了新的活力，并且在许多工程领域展示出巨大的应用潜力。

微细加工或微小件加工是指对小型工件进行的加工。微细加工通常用在医疗器械领域和电子领域。由微细加工工艺生产的零件通常需要用显微镜来观察。微细加工一般在专门进行微小件或精密加工的车间进行。

所谓表面织构技术，就是利用物理、化学或机械的方法人为地在物体表面加工出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的阵列等。目前，微纳织构的加工技术主要有激光加工、磨料气射流加工、电火花加工、电解加工、聚焦离子束加工、微细铣削等。而每一种加工技术都有其独特的优点，也有其局限性。激光加工、聚焦离子束加工和微细铣削均为逐点加工法，而表面织构表面通常需要数千到数万个微小凹坑、凹痕或凸包，所以存在加工效率低的问题。另外，微细铣削等机械加工方法和电火花、激光等通过高热熔化去除材料的加工技术加工后一般都存在“翻边”现象，需要二次加工。而电解加工是利用金属材料在电解液中的电化学阳极溶解原理来将工件加工成形的一种特种加工工艺，阳极的电化学溶解是以离子的形式进行的，具有工具无损耗，无残余应力等特点。

掩膜电解加工是微细织构的微细电解加工技术中的一种，通过光刻工艺制作掩膜将阳极表面非加工区域保护起来而暴露加工区域，再基于阳极溶解原理加工出所设计图案。活动模板微细电解加工属于掩膜电解加工的特殊形式，其掩膜设于模板，具有掩膜的模板可重复使用，工件需要加工的表面不必再经过涂胶、曝光、显影及去胶步骤，从而大幅缩短加工时间。

目前，活动模板的制作方法主要有两种：一种是以覆铜柔性PCB板作为基底，利用机械钻孔在PCB板上加工出镂空圆点,其中薄铜层作为导电层，而基板作为绝缘层；另一种是利用光刻工艺，在薄金属片上经过涂胶、曝光、显影、电解的方法做出活动模板，其中薄金属片作为导电层，光刻胶作为绝缘层，在活动模板涂胶，可以重复使用，避免频繁地在每个工件涂胶。覆铜PCB板作为掩膜活动模板时，受限于PCB板具有一定厚度，无法加工比较微细精致的图案，只能加工尺寸较大的图案，采用机械钻孔方法受制于刀具尺寸，所加工出的模板图案相对较大且形状单一，无法满足特征尺寸较小图案复杂的微织构的加工要求。通过金属片涂胶制作的掩膜活动模板，光刻技术制作模板图案的工艺相对繁复，而且以光刻胶作为绝缘层，绝缘层与基底的结合力较差，使用过程中容易剥落，具有重复利用率低，寿命短的缺点。因此，现有的活动掩膜板存在图案尺寸大，重复利用率低，绝缘层厚度大的缺点，制约微织构向更微小尺度发展。

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种重复利用率高并且加工织构图案尺寸小而且绝缘层厚度小便于微织构向更微小尺度发展的微细电解阴极活动模板的制备方法。

为了克服现有技术不足，本发明采用的技术方案是：一种微细电解阴极活动模板的制备方法，所述微细电解阴极活动模板用于加工表面微织构，该方法包括以下步骤：

S1、选择光滑平整无裂纹且厚度均匀的金属薄片作为模板基体；

S2、对作为模板基体的金属薄片进行预处理，清洁金属薄片表面杂质、优化粗糙度轮廓；

S3、使用物理气相沉积方法在模板基体表面沉积一层均匀的膜状绝缘层；

S4、使用激光微细加工技术依据织构图案将带绝缘层金属薄片加工出镂空图形； 

S5、重复步骤S4在金属薄片雕刻多个随机排列或规则排列的镂空图形。

作为本发明微细电解阴极活动模板的制备方法的技术方案的一种改进，所述绝缘层厚度为0.05~30微米。

本发明的有益效果是：使用物理气相沉积方法在模板基体表面沉积一层均匀的膜状绝缘层，使得绝缘层具有很好的均匀性并与基底形成较强的结合力，使得绝缘层不易剥落使得重复使用率高从而提高使用寿命。活动模板应用于微细电解加工时，模板绝缘面与工件阳极贴合，金属薄片作为工具阴极，绝缘层使电极系统阳极阴极不被短路，其带有镂空图案的掩模板对阳极表面无需加工部分起到保护作用，最终利用电化学刻蚀原理在阳极工件上刻蚀出与镂空图案相仿的织构。使用PVD（物理气相沉积）涂层使绝缘层厚度减小而更薄，从而缩小微细电解加工中阴阳极的距离，改善流场，提高加工定域性，可以刻蚀出更微细的图案，进一步提高模板的微细加工能力。

附图说明

图1是本发明实施例中的微细电解阴极活动模板的截面结构示意图。

图2是本发明实施例中的微细电解阴极活动模板的电解加工应用结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式进行具体描述。

参考图1、图2所示的活动模板结构图，本发明一种微细电解阴极活动模板的制备方法，所述微细电解阴极活动模板用于加工表面微织构，该方法包括以下步骤：S1、选择光滑平整无裂纹且厚度均匀的金属薄片11作为模板基体；S2、对作为模板基体的金属薄片11进行预处理，清洁金属薄片表面、优化粗糙度轮廓、通过氮化清除表层；S3、使用物理气相沉积方法在模板基体表面沉积一层均匀的膜状绝缘层12，使得绝缘层12具有很好的均匀性并与基底形成较强的结合力；绝缘层12不易剥落使得重复使用率高从而提高使用寿命；使用PVD（物理气相沉积）涂层使绝缘层12厚度减小而更薄，从而缩小微细电解加工中阴阳极的距离，改善流场，提高加工定域性，可以刻蚀出更微细的图案，进一步提高模板的微细加工能力；S4、使用激光微细加工技术依据织构图案将带绝缘层的金属薄片剔除材料形成镂空图形作为电解加工模板，镂空部分16作为非保护区域用于电解加工，模板绝缘面与工件15贴合，置于电解池中并接通电源18便可以进行电解加工，通过激光微细加工技术可以加工出尺寸更微细，图案形状更加丰富的活动模板；S5、重复步骤S4在带绝缘层金属薄片上加工出多个随机排列或规则排列的镂空图形，这样就可以重复使用上述微细电解阴极活动模板对工件进行电解加工，在每个工件上批量电解蚀刻制作出大量精细形状丰富多变的图案。

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术是在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。

上述方法制成的活动模板（微细电解阴极活动模板）应用于微细电解加工时，模板绝缘面与工件15阳极贴合，金属薄片作为工具阴极，绝缘层使电解系统阳极阴极不被短路，其带有镂空图案的掩模板对阳极表面无需加工部分起到保护作用，将加工完成的活动模板通过夹具与工件阳极加工表面紧密贴合，分别将工件阳极和工具阴极与电源的正负极连接，置于电解池中，接通电源，进行电解加工，最终利用电化学刻蚀原理在阳极工件上刻蚀出与镂空图案相仿的织构。加工完成后，活动模板可以通过清洗之后重复使用。

因此，利用PVD涂层技术制作的绝缘层12具有厚度小、厚度均匀和结合强度高的特点，可以提高微细电解加工能力和使用重复率。

更佳地，所述绝缘层12厚度为0.05~30微米。利用PVD工艺沉积绝缘材料所得的绝缘层12，其厚度决定了电解加工过程中阴极和阳极的加工间隙。利用PVD工艺所沉积的涂层厚度范围为几十纳米到几十微米。这一特性使得活动模板具有加工更微细织构的能力，通过结合特定的加工工艺，利用活动模板加工更微尺度甚至是纳尺度的织构将得以实现。所需涂层厚度根据后续电解加工微织构的特征尺寸进行选择。一般情况下，微织构特征尺寸越小，需要更薄的涂层厚度，其目的是改善流场，增强传质，提高电解加工定域性。

掩膜图案是利用微细加工工艺实施所得。由于激光加工的特点，金属薄片和绝缘涂层都可以容易地被加工，而且选择合适的激光器，可以加工50um及更小特征尺寸的图案。利用CAD/CAM技术，可以设计并加工出更多复杂的应用于不同应用领域的织构图案。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种微细电解阴极活动模板的制备方法，所述微细电解阴极活动模板用于加工表面微织构，其特征在于，所述微细电解阴极活动模板的制备方法包括以下步骤：

S1、选择光滑平整无裂纹且厚度均匀的金属薄片作为模板基体；

S2、对作为模板基体的金属薄片进行预处理，清洁金属薄片表面杂质、优化粗糙度轮廓；

S3、使用物理气相沉积方法在模板基体表面沉积一层均匀的膜状绝缘层；

S4、使用激光微细加工技术依据织构图案将带绝缘层金属薄片加工出镂空图形； 

S5、重复步骤S4在金属薄片雕刻多个随机排列或规则排列的镂空图形。

2.根据权利要求1所述的微细电解阴极活动模板的制备方法，其特征在于：所述绝缘层厚度为0.05~30微米。