CN105739238B - 一种超精密金属机械零部件的加工方法 - Google Patents
一种超精密金属机械零部件的加工方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105739238B CN105739238B CN201610280935.9A CN201610280935A CN105739238B CN 105739238 B CN105739238 B CN 105739238B CN 201610280935 A CN201610280935 A CN 201610280935A CN 105739238 B CN105739238 B CN 105739238B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- metal
- ultraprecise
- precision
- thickness
- processing method
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
- G03F7/0002—Lithographic processes using patterning methods other than those involving the exposure to radiation, e.g. by stamping
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
本发明公开了一种超精密金属机械零部件的加工方法，通过纳米压印方法制备得到所需的精密金属零件形状的凹形模板；利用凹形模板，通过LIGA工艺制备得到所需精密金属零件。本发明突破零件厚度限制，达到机械加工所无法达到的精度，填补了半导体加工和精密机加工中间从几十微米至毫米级精密加工的空白，零件精细部分一次成型，加工精密度高，可达到几十纳米级别，沿深度方向的直线性和垂直度好，可在加工过程中直接完成零件装配，装配精度高，设备简单，成本低、产能高，可以平行大批量加工。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工领域，特别涉及一种超精密金属机械零部件的加工方法。
背景技术
毫米级超精密零部件的加工一直是机加工的难题，以加工一个机械手表所需的齿轮为例，要经过精密冲压齿轮体，滚齿，研磨，抛光等多道工序，加工中工件夹持难度大，成本高，质量难控制，一件一件加工产能低。
LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung和Abformung三个词，即光刻、电镀和模具复制的缩写。LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使LIGA技术能够制造出高深宽比，结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。
但是由于LIGA技术需要昂贵的同步辐射光源，所以近几年发展了紫外LIGA技术，即在微米级分辨率前提下，将常规的近紫外光和激光扩展应用到厚层光刻胶的成形，从而大大降低了加工设备的投资。紫外LIGA技术被广泛应用于几微米至几十微米级别的MEMs加工制造中。与X射线LIGA技术相比，紫外LIGA技术设备简单，但是由于紫外光平行度的限制，无法用于生产厚度比较大的结构，无法应用于宏观毫米级精密机械零部件的生产。
X射线LIGA尽管理论上可以制作厚度在毫米级别的零部件，但是在实际生产中，X射线和紫外LIGA都受限于旋涂光刻胶和烘烤过程，厚度超过100微米的光刻胶在烘烤过程中会由于热板不是完全水平而流动，造成整个基片上光刻胶膜厚度不均匀，生产良率下降。除此之外，这两种方式所能选择的光刻胶材料都十分有限，价格昂贵。
因此，半导体微纳制造中的LIGA工艺可以加工微米级别精度的金属零部件，但是受工艺的限制，无法加工厚度在毫米级别的零件，而机械传动中因为强度问题往往需要厚度更大的零件。
纳米压印技术是一种通过模版将图形转移到相应的衬底上的微纳加工技术，转移的媒介通常是一层压印材料，一般为聚合物膜，通过热压或者辐照等方法使其结构硬化从而保留下转移的图形。这种技术突破了传统光刻在特征尺寸减小过程中的难题，具有分辨率高、低成本、高产率的特点。广泛应用于半导体制造、MEMS、生物芯片、生物医学等领域。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种超精密金属机械零部件的加工方法，突破了LIGA技术零件厚度的限制，同时又具有机械加工所无法达到的精度，填补了半导体加工和精密机加工中间从几十微米至毫米级精密加工的空白。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超精密金属机械零部件的加工方法，通过纳米压印方法制备得到所需的精密金属零件形状的凹形模板；利用凹形模板，通过LIGA工艺制备得到所需精密金属零件。
其包括以下步骤：
(1)在压印模版表面制造所需的精密金属零件形状，用作压印模版反复使用；
(2)在基片表面通过镀膜技术沉积一层设定厚度的金属层作为电镀种子层；
(3)在基片上金属电镀种子层表面均匀涂布一层热塑性材料；
(4)将基片表面热塑性材料加热至材料玻璃化温度以上，利用压力将压印模版压印至热塑性材料中，然后将热塑性材料冷却至玻璃化温度以下固化成型；
(5)将压印模版从基片表面剥离，热塑性材料表面形成与压印模版结构相反的零件凹槽；
(6)去除热塑性材料表面凹槽底部残余材料；
(7)利用事先镀好的金属电镀种子层作为电极，在热塑性材料表面凹槽中电镀沉积所需金属，直至填充满整个热塑性材料表面的凹槽结构；
(8)将电镀溢出的金属研磨去除，并将零件研磨至所需的厚度；
(9)去除基片和表面电镀种子层以及热塑性材料，得到精密金属零件。
优选的，所述步骤(1)中的压板印模为镍制压印模版，所述压印模板表面进行抗粘处理。
优选的，所述步骤(1)中精密金属零件形状为利用半导体光刻工艺或超精密机加工技术制造而成。
优选的，所述步骤(2)中的镀膜技术为溅射，物理气象沉积或者蒸镀。
优选的，所述步骤(2)中设定厚度为20-200纳米，所述金属层为金或铜的一种。
优选的，所述步骤(3)中涂布的热塑性材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其厚度由最终成品零件厚度决定。
优选的，所述步骤(6)中利用等离子体干法刻蚀去除残余材料。
优选的，所述步骤(7)中电镀沉积的金属为镍铁合金。
本发明的有益效果在于：
1、零件侧壁陡直度好。本发明通过半导体加工中的纳米压印技术和LIGA工艺的交叉结合，突破了LIGA技术零件厚度的限制，同时又具有机加工所无法达到的精度，填补了半导体加工和精密机加工中间从几十微米至毫米级精密加工的空白。传统的LIGA工艺，由于X射线的衍射与光电子散射效应、同步辐射光源的发散效应、吸收层图形非陡直边壁效应、掩膜畸变效应以及基层材料的二次电子效应，使得其制得的金属零件侧壁粗糙度较大，尺寸精度较差。而通过本发明的方法制得的精密金属零件，局部精细结构的精度和表面光滑度优于传统LIGA技术，产品结构侧壁陡直度好，加工精度更高(可至纳米级别)，零件表面光洁度好。
2、零件厚度不受限制。传统的LIGA工艺由于X射线受限于旋涂光刻胶和烘烤过程，厚度超过100微米的光刻胶在烘烤过程中会由于热板不是完全水平而流动，造成整个基片上光刻胶膜厚度不均匀，生产良率下降，加工成本高昂；而紫外LIGA工艺降低了加工成本，缩短了加工周期，但因为其技术指标低于同步辐射LIGA技术，仅适用于加工深度小于500μm，线宽大于5μm，深宽比小于20的微结构。本发明利用纳米压印技术制造后续LIGA工艺所需的电镀模具，突破了零件厚度的限制，能够达到从几十微米至毫米级精密加工级别，且可选择的压印材料更为广泛(大部分热塑性材料均可)。
3、零件精细部分一次成型，加工精密度高，可达到几十纳米级别，沿深度方向的直线性和垂直度非常好，同时能够加工含有曲面、斜面和高密度微尖阵列的精密零件。
4、可在加工过程中直接完成零件装配，装配精度高。通过纳米压印技术获得三维热塑性材料电镀模具结构，结合LIGA工艺，对成型后的样品进行电镀，就可以大面积平行加工超精密金属机械零件，并且直接在制造中完成零件之间的微米级精密装配。
5、本发明的方法设备简单，成本低、产能高，可以平行大批量加工，可在微机械零件和微光学元件、微型医疗器械和装置、微流体元件、仪器仪表精密零部件，手表游丝及精密装配零件系统等制造领域有广泛应用。
附图说明
图1是本发明镍制压印模版的结构示意图；
图2是本发明在基片表面沉积电镀种子层的结构示意图；
图3是本发明在基片上金属电镀种子层表面涂布热塑性材料的结构示意图；
图4是本发明基片表面热塑性材料经加热、压印、冷却后的示意图；
图5是本发明镍制压印模版从基片表面剥离的结构示意图；
图6是本发明利用等离子体干法刻蚀去除热塑性材料表面凹槽底部残余材料的示意图；
图7是本发明在热塑性材料表面凹槽中电镀镍铁合金的示意图；
图8是本发明研磨去除电镀镍铁合金，调整零件厚度的示意图；
图9是本发明去除基片和热塑性材料，得到精密金属零件的示意图；
其中1.镍制压印模版，2.基片，3.电镀种子层，4.热塑性材料，5.镍铁合金，6.研磨装置，7.精密金属零件。
具体实施方式
一种超精密金属机械零部件的加工方法，包括以下步骤：
(1)在镍制压印模版1表面利用半导体光刻工艺或超精密机加工技术制造所需的精密金属零件7形状，在镍制压印模版1表面进行抗粘处理，用作镍制压印模版1反复使用；
(2)在基片2表面通过溅射镀膜技术沉积一层厚度为20-200纳米的金属层作为电镀种子层3，所述金属层为金或铜的一种；
(3)在基片2上金属电镀种子层3表面均匀涂布一层热塑性材料4，其厚度由最终成品零件厚度决定；
(4)将基片2表面热塑性材料4加热至材料玻璃化温度以上，利用压力将镍制压印模版1压印至热塑性材料4中，然后将热塑性材料4冷却至玻璃化温度以下固化成型；
(5)将镍制压印模版1从基片2表面剥离，由于镍制压印模版1表面具有抗粘性，热塑性材料4留在基片2表面，热塑性材料4表面形成与镍制压印模版1结构相反的零件凹槽；
(6)利用等离子体干法刻蚀去除热塑性材料4表面凹槽底部残余材料；
(7)利用事先镀好的金属电镀种子层3作为电极，在热塑性材料4表面凹槽中电镀沉积所需镍铁合金5，直至填充满整个热塑性材料4表面的凹槽结构；
(8)将电镀溢出的镍铁合金5研磨去除，并将零件研磨至所需的厚度；
(9)去除基片2和表面电镀种子层3以及热塑性材料4，得到精密金属零件7。
实施例：
以加工一种模数(m)2.25、齿数(Z)120、齿形角(a)20°、齿宽(b)16、厚度1毫米的直齿圆柱超精密齿轮为例，加工包括以下步骤：
(1)用超精密磨齿工艺在一块厚度1.5毫米，面积200乘200毫米的镍板表面加工出平行排列的数百个该参数齿轮凸出形状，然后在真空烘箱中利用硅烷气氛对模版表面进行抗粘处理。
(2)在面积200x200毫米，厚度2毫米的玻璃片表面利用溅射的方式沉积一层50纳米后的金用作后续电镀所需的种子层。
(3)利用狭缝涂布的方式在金层表面涂布一层1毫米厚度的聚甲基丙烯酸甲酯材料。
(4)将聚甲基丙烯酸甲酯材料连同玻璃基底一起加热至200℃，使聚甲基丙烯酸甲酯材料具有较好的流动性，然后用1.2吨的压力将镍板压入聚甲基丙烯酸甲酯材料层中，保持压力和温度10分钟，然后将聚甲基丙烯酸甲酯材料冷却至室温固化。
(5)将镍模版从聚甲基丙烯酸甲酯材料层表面剥离，得到压印好的齿轮凹槽结构。
(6)利用氧气反应离子刻蚀去除凹槽结构底面残余。
(7)利用玻璃基底表面事先溅射的50纳米金层做电极，在凹槽中电镀镍铁合金材料，直至镍铁合金材料溢出表面。
(8)将表面溢出镍铁合金材料研磨去除，精确控制研磨直至聚甲基丙烯酸甲酯层厚度剩余1毫米。
(9)用丙酮溶液和氢氟酸溶液分别去除聚甲基丙烯酸甲酯材料和玻璃基底，一次性得到数百个该参数齿轮零件。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.一种超精密金属机械零部件的加工方法，其特征在于，通过纳米压印方法制备得到所需的精密金属零件形状的凹形模板；利用凹形模板，通过LIGA工艺制备得到所需精密金属零件；
具体包括以下步骤：
(1)在压印模版表面制造所需的精密金属零件形状，用作压印模版反复使用；
(2)在基片表面通过镀膜技术沉积一层设定厚度的金属层作为电镀种子层，
其中，设定厚度为20-200纳米，金属层为金或铜的一种；
(3)在基片上金属电镀种子层表面均匀涂布一层热塑性材料，
其中，涂布的热塑性材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其厚度由最终成品零件厚度决定；
(4)将基片表面热塑性材料加热至材料玻璃化温度以上，利用压力将压印模版压印至热塑性材料中，然后将热塑性材料冷却至玻璃化温度以下固化成型；
(5)将压印模版从基片表面剥离，热塑性材料表面形成与压印模版结构相反的零件凹槽；
(6)去除热塑性材料表面凹槽底部残余材料；
(7)利用事先镀好的金属电镀种子层作为电极，在热塑性材料表面凹槽中电镀沉积所需金属，直至填充满整个热塑性材料表面的凹槽结构；
(8)将电镀溢出的金属研磨去除，并将零件研磨至所需的厚度；
(9)去除基片和表面电镀种子层以及热塑性材料，得到精密金属零件。
2.根据权利要求1所述的一种超精密金属机械零部件的加工方法，其特征在于，步骤(1)中的压板印模为镍制压印模版，所述压印模版表面进行抗粘处理。
3.根据权利要求1所述的一种超精密金属机械零部件的加工方法，其特征在于，步骤(1)中精密金属零件形状为利用半导体光刻工艺或超精密机加工技术制造而成。
4.根据权利要求1所述的一种超精密金属机械零部件的加工方法，其特征在于，步骤(2)中的镀膜技术为溅射，物理气相沉积或者蒸镀。
5.根据权利要求1所述的一种超精密金属机械零部件的加工方法，其特征在于，步骤(6)中利用等离子体干法刻蚀去除残余材料。
6.根据权利要求1所述的一种超精密金属机械零部件的加工方法，其特征在于，步骤(7)中电镀沉积的金属为镍铁合金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610280935.9A CN105739238B (zh) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | 一种超精密金属机械零部件的加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610280935.9A CN105739238B (zh) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | 一种超精密金属机械零部件的加工方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105739238A CN105739238A (zh) | 2016-07-06 |
| CN105739238B true CN105739238B (zh) | 2019-09-17 |
Family
ID=56287759
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610280935.9A Active CN105739238B (zh) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | 一种超精密金属机械零部件的加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105739238B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106750431A (zh) * | 2016-12-15 | 2017-05-31 | 大连理工大学 | 一种聚合物柔性薄膜的制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1857990A (zh) * | 2006-05-18 | 2006-11-08 | 西安交通大学 | 低成本制作复杂三维微结构或微器件方法 |
| CN101205054A (zh) * | 2007-12-11 | 2008-06-25 | 山东大学 | 一种微型金属镍模具制作方法 |
| CN101221359A (zh) * | 2008-02-04 | 2008-07-16 | 哈尔滨工业大学 | 基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法 |
-
2016
- 2016-04-29 CN CN201610280935.9A patent/CN105739238B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1857990A (zh) * | 2006-05-18 | 2006-11-08 | 西安交通大学 | 低成本制作复杂三维微结构或微器件方法 |
| CN101205054A (zh) * | 2007-12-11 | 2008-06-25 | 山东大学 | 一种微型金属镍模具制作方法 |
| CN101221359A (zh) * | 2008-02-04 | 2008-07-16 | 哈尔滨工业大学 | 基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105739238A (zh) | 2016-07-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhou et al. | Recent advancements in optical microstructure fabrication through glass molding process | |
| CN100585491C (zh) | 大面积周期阵列三维微结构制备方法 | |
| Zhang et al. | Advances in precision micro/nano-electroforming: a state-of-the-art review | |
| KR100624414B1 (ko) | 회절 렌즈 어레이 몰드의 제조 방법 및 ｕｖ 디스펜서 | |
| DE102004020363A1 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Masters, Master und Verfahren zur Herstellung von optischen Elementen sowie optischen Element | |
| CN1693182A (zh) | 深亚微米三维滚压模具及其制作方法 | |
| CN101205054A (zh) | 一种微型金属镍模具制作方法 | |
| JP2014502035A (ja) | 大面積上に高秩序化ナノピラーまたはナノホール構造を作製するための方法 | |
| US20120244246A1 (en) | Injection molding tools with micro/nano-meter pattern | |
| Kang | Micro/Nano Replication: Processes and Applications | |
| CN108452855A (zh) | 微流控芯片的加工方法 | |
| CN101051184A (zh) | 大面积微纳结构软压印方法 | |
| CN109634055A (zh) | 一种低表面能镍纳米压印模板的制备方法 | |
| US8771928B2 (en) | Method for manufacturing stamper for injection molding | |
| CN105739238B (zh) | 一种超精密金属机械零部件的加工方法 | |
| Zolfaghari et al. | Replication of plastic microlens arrays using electroforming and precision compression molding | |
| CN100561638C (zh) | 等离子体显示器平板障壁的大面积压印成型方法 | |
| CN103863999B (zh) | 一种金属纳米结构的制备方法 | |
| CN104364069B (zh) | 用于制造多个微透镜的方法和设备 | |
| TWI705884B (zh) | 使用壓印模壓印具有至少一個微結構或奈米結構之方法 | |
| JP2008001044A (ja) | 微細構造体及びその製造方法 | |
| US20110123711A1 (en) | Methods for forming metal-polymer hybrid tooling for forming parts having micro features | |
| US20110299164A1 (en) | Method and device for the production of a structured object, and structured object | |
| KR102289836B1 (ko) | 광학 부품의 만곡 표면 상에 (서브)마이크로 구조를 생성하기 위한 방법 및 광학 부품 | |
| CN101834407A (zh) | 利用纳米压印技术制备面发射表面等离子体激光器的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A processing method of ultra precision metal mechanical parts Effective date of registration: 20210330 Granted publication date: 20190917 Pledgee: Bank of Qingdao Co. science and Technology Branch Pledgor: GERMANLITHO Co.,Ltd. Registration number: Y2021370010012 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |