CN109306504A

CN109306504A - 高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法

Info

Publication number: CN109306504A
Application number: CN201811061251.5A
Authority: CN
Inventors: 朱增伟; 李安心; 刘亚鹏
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2038-09-12
Also published as: CN109306504B

Abstract

本发明提供一种高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法,属精密器件加工技术领域。第一种方式是通过光刻技术得到芯模模具各光刻胶叠片，装配并利用不可逆键合技术键合各叠片后得到电铸芯模模具。再向模具内灌注PDMS，固化后去除芯模模具得到整体式电铸芯模。第二种方式是利用光刻技术得到芯模各光刻胶叠片，装配并利用不可逆技术键合各叠片后得到叠片组装式电铸芯模。将制备的芯模表面导电化处理后便可进行精密电铸。电铸完成后脱模即得到高频波纹馈源喇叭工件。本发明得到的叠片精度可控制到亚微米级，通过该技术可实现对具有亚微米级微细内腔齿槽结构高频波纹馈源喇叭的高精度制造，保证喇叭形/性精准制造。

Description

高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法

技术领域

本发明属精密器件加工技术领域，具体涉及一种高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法。

背景技术

大气探测中，对毫米亚毫米波的探测能够实现对云层内部结构信息和演变过程的观测。高性能毫米波亚毫米波探测仪是针对毫米亚毫米波探测的专业探测仪器，其天馈系统常使用反射天线作为发射和接收的终端原件。馈源喇叭作为一种高增益聚集天线辐射器，是天馈系统的一个关键部件，直接影响着整个系统性能的好坏。高性能毫米波亚毫米波探测仪多采用高频波纹馈源喇叭。

馈源喇叭的内腔结构均为齿槽结构。一般而言，喇叭频率越高，内腔齿槽等尺寸将会越精细。这要求馈源喇叭的加工工艺越精细化，以满足喇叭高频化、小型化及轻量化发展需求。当频率达到GHz及THz时，波长为微米级和亚微米级，如铣削、电火花等传统加工方法很难实现加工。因此，为了实现高频波纹馈源喇叭的精密制造必须找到更为高效精密的加工方法。

电铸技术是基于电化学原理的特种加工方法。其具有复制精度高，可重复性好等优点。电铸技术在90GHz以上毫米波馈源喇叭的制造中具有重要应用。其工艺步骤大致为：首先利用超精密加工机床加工出电铸所需模芯，再电铸模芯到预定厚度后脱模即可得到目标工件。相对于传统方法，电铸方法得到的喇叭尺寸精度较高，内腔表面质量好。但是随着频率的逐渐增大，特别是当频率达到THZ时，高频馈源喇叭内腔的齿槽结构更为精细。受限于刀径，整体成型电铸芯模尺寸很难加工出来，高频馈源喇叭尺寸精度也愈发难保证。

发明内容

为解决用传统加工方法难加工带有微细齿槽结构高频波纹馈源喇叭电铸芯模的问题，提供一种精密制造电铸芯模方法。

第一种方式，其特征在于包括以下过程：步骤1：对芯模模具切片，并基于光刻技术在负性干膜光刻胶上得到芯模模具各光刻胶叠片；所有叠片均为圆环形；不同圆环形叠片的内径对应喇叭内腔相应齿或槽结构的内径，圆环形叠片的厚度对应喇叭内腔相应齿宽或槽宽;各圆环形叠片的内径逐级递增，各圆环形叠片外径一致，大于喇叭内腔齿/槽的最大处内径; 圆环形叠片上设置有等径的定位孔；步骤2：利用定位孔逐层装配各光刻胶叠片，并利用不可逆键合技术键合各叠片，得到芯模模具；步骤3：芯模模具内灌注PDMS，固化后溶解芯模模具得到电铸芯模;步骤4: 对电铸芯模表面进行导电化处理后进行精密电铸;步骤5：电铸完成后脱模得到成型的馈源喇叭。

第二种方式，其特征在于包括以下过程：步骤1：对芯模切片，并基于光刻技术在负性干膜光刻胶上得到芯模各光刻胶叠片；所有叠片均为圆环形；其外径为喇叭内腔对应齿或槽的内径，其厚度为喇叭内腔对应齿宽或槽宽;各叠片中心为定位孔，孔径由喇叭内腔齿或槽的最小内径决定;步骤2：逐层装配各光刻胶叠片并利用不可逆键合技术键合各叠片，得到电铸芯模；步骤3: 对电铸芯模表面进行导电化处理后进行精密电铸；步骤4：电铸完成后脱模得到成型的馈源喇叭。

本发明中电铸芯模制造的第一、二种方式中所用不可逆键合技术其特征在于：采用等离子体键合技术。将光刻胶叠片放入等离子体舱密闭后通入比例为10:1～50:1的N₂和O₂。调节舱内总体积气压在15～35Pa范围内，采用中频发生器以非接触方式，频率为20W～70W，处理15～60s后，立刻将各叠片处理面进行键合。

第一或第二种方式制备电铸芯模后，利用如电镀、化学镀或溅射导电层等方式对芯模表面进行导电化处理。再对芯模进行电铸。电铸完成后在如甲苯等溶剂中溶解PDMS芯模，在如丙酮溶剂中溶解光刻胶芯模，从而实现脱模。

本发明的有益结果：本发明将电铸芯模难加工的微细齿槽结构转化为易得到的叠片结构或是将电铸芯模的加工转化成叠片组装式芯模模具叠片的制造，再利用不可逆键合技术键合各叠片，后处理后得到电铸芯模。于芯模表面导电化处理后进行精密电铸。电铸完成后脱模得到成型的馈源喇叭。与现有高频波纹馈源喇叭制造工艺相比，该方法可以实现亚微米及以上尺寸喇叭的精密电铸，并极大地提高高频波纹馈源喇叭的结构强度和尺寸精度，保证了喇叭表面的低粗糙度，有效提高了传输信号的可靠性。

附图说明

图1为电铸芯模精密制造流程图

图2为高频波纹馈源喇叭内部齿槽结构放大图；

图3为叠片结构示意图；其中（a）为芯模模具叠片结构，（b）为芯模叠片结构；

图4为叠片光刻掩膜板示意图；其中（a）芯模模具叠片光刻掩膜版，（b）芯模叠片光刻掩膜版；

图5为模芯结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施过程做详细介绍，具体如下：

如图2所示为某一高频波纹馈源喇叭的内腔结构放大图。内腔结构为齿槽结构，外形尺寸及精度由电铸芯模的形状和加工精度保证。电铸芯模的制造具体实施有两种方法。

第一种方式：

步骤1：对芯模模具进行分层切片。如图3（a）所示叠片均为圆环形。内径为喇叭内腔对应齿槽结构的直径，厚度为喇叭内腔对应齿宽或槽宽。由图2可知，叠片内径分别在φ1.5-φ7.3mm和φ1.02-φ7mm内逐级递增。各叠片外径一致，大于喇叭内腔齿或槽的最大处内径，且为一定值。由图2可知，本实例中喇叭内腔最大处直径为φ7.3，所以叠片外径取φ12mm。叠片上均匀分布3个等径的定位孔φ2mm。

步骤2：利用光刻技术得到芯模模具各光刻胶叠片。图4（a）为芯模模具叠片光刻掩膜板，一块掩膜版上可光刻出多个芯模模具光刻胶叠片，提高制造效率。由于高频馈源喇叭内腔的各齿宽相同为0.12mm，各槽宽也相同为0.18mm，即只要120um和180um两种厚度的干膜光刻胶即可。

步骤3：将芯模模具各光刻胶叠片进行精密装配并不可逆键合。装配前先在基板上安装三个定位针。将叠片依次叠放装配及不可逆键合后即可得到芯模模具。

步骤4：将液态PDMS灌入芯模模具内，固化成型后在丙酮溶液中溶解除光刻胶芯模模具即可得到芯模。这里选用PDMS是由于液态的PDMS材料流动性好，可以完整复制芯模模具内部齿槽结构。

第二种方式：

步骤1：对模芯进行分层切片。各叠片均为圆环形。叠片外径为喇叭内腔结构对应的齿或槽的直径即在φ1.5-φ7.3mm和φ1.02-φ7mm范围内逐级递增。各叠片示意图如图3（b）所示。叠片中心孔为定位孔，孔径由内腔最小处直径决定，本实例中取φ0.05mm

步骤2：利用光刻掩模技术得到模芯各光刻胶叠片。图4（b）为芯模叠片光刻掩模板。由于高频馈源喇叭内腔各齿宽相同，槽宽也相同，即只要120um和180um两种厚度的干膜光刻胶即可。图4（b）所示一块掩膜版上可光刻得到多个光刻胶叠片，提高制造效率。

步骤3：将芯模各光刻胶叠片进行精密装配并不可逆键合。装配前在装配基座上预置定位针，依次将叠片按次序堆叠并不可逆键合。定位针与叠片上的定位孔为过盈配合。

本实例中所用光刻胶为DJ MicroLaminates公司的SU-8负性干膜光刻胶。使用前在21-25℃温度中存放15-18小时效果最佳。SU-8的曝光波长为365nm；曝光时间取决于光刻胶层的厚度和灯的功率；为提高效率采用接触模式曝光。紫外线照射之后，SU-8光刻胶中的光敏成分活化，但是需要能量来使其继续反应；因此曝光后需要进行烘烤，烘烤温度为95°C。

本实例中采用的不可逆键合技术为等离子体不可逆键合。具体为：将光刻胶叠片放入等离子体舱，关闭舱门；通入N₂：O₂比例为20：1；调节舱内总体积气压在20±2Pa范围内，采用中频发生器以非接触方式产生等离子体，频率为35W，处理时间为30s；处理结束后，立刻将各叠片的处理面进行黏贴键合。

对制得的模芯进行表面导电处理。由于本实例高频馈源喇叭材质为铜，因此对芯模表面进行化学预镀铜导电化处理。镀液为常用配方：CuSO₄ 10g/L，NaOH10g/L，甲醛（40%）10-45ml/L。使用条件为:pH=12.5～13温度为30℃。镀层厚度为10～20um。

对模芯进行精密电铸。本实例中采用电铸液配方为：CuSO₄ 20～80g/L,H₂SO₄170g/L，电流密度为2～8A/dm²，30℃温度下电铸。电铸达到预定尺寸后停止电铸，脱模得到工件。基于第一种制方式制备的PDMS芯模，电铸完成后将机体放入甲苯溶液中溶解芯模或采用机械脱模方式去除芯模。基于第二种方式制备的光刻胶芯模，电铸完成后将机体放入丙酮溶液中溶解芯模。利用三坐标法检测馈源喇叭工件尺寸精度。检测结果表明，两只方式制造得到的芯模电铸完成后所得馈源喇叭尺寸精度平均误差均在±0.005mm内，满足工件尺寸精度要求。

本发明方法所采用的材料及各部分制备方法不以上述实施例的组合为限，不同的技术特征在不冲突的情况下，可根据实际情况任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所属的权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1：对芯模模具切片，并基于光刻技术在负性干膜光刻胶上得到芯模模具各光刻胶叠片；所有叠片均为圆环形；不同圆环形叠片的内径对应喇叭内腔相应齿或槽结构的内径，圆环形叠片的厚度对应喇叭内腔相应齿宽或槽宽;各圆环形叠片的内径逐级递增，各圆环形叠片外径一致，大于喇叭内腔齿/槽的最大处内径; 圆环形叠片上设置有等径的定位孔；

步骤2：利用定位孔逐层装配各光刻胶叠片，并利用不可逆键合技术键合各叠片，得到芯模模具；

步骤3：芯模模具内灌注液态PDMS，固化后溶解芯模模具得到电铸芯模;

步骤4: 对电铸芯模表面进行导电化处理后进行精密电铸;

步骤5：电铸完成后脱模得到成型的馈源喇叭。

2.根据权利要求1所述的高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法，其特征在于：

步骤1中所用光刻胶为SU-8负性干膜光刻胶。

3.根据权利要求1所述的高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法，其特征在于：

步骤2中所述不可逆键合技术具体为：采用等离子不可逆键合方法；将光刻胶叠片放入等离子体舱密闭后通入比例为10:1～50:1的N₂和O₂;调节舱内总体积气压在15～35Pa范围内，等离子体采用中频发生器以非接触方式，频率为20W/L～70W/L，处理15～60s后，立刻将各叠片处理面进行键合。

4.根据权利要求1所述的高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法，其特征在于：

步骤4中所述导电化处理采用化学镀或溅射导电层方式。

5.根据权利要求1所述的高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法，其特征在于：

步骤5中所述脱模处理采用在甲苯溶剂中进行或采用机械脱模方式。

6.一种高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1：对芯模切片，并基于光刻技术在负性干膜光刻胶上得到芯模各光刻胶叠片；所有叠片均为圆环形；其外径为喇叭内腔对应齿或槽的内径，其厚度为喇叭内腔对应齿宽或槽宽;各叠片中心为定位孔，孔径由喇叭内腔齿或槽的最小内径决定;

步骤2：逐层装配各光刻胶叠片并利用不可逆键合技术键合各叠片，得到电铸芯模；

步骤3: 对电铸芯模表面进行导电化处理后进行精密电铸;

步骤4：电铸完成后脱模得到成型的馈源喇叭。

7.根据权利要求6所述的高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法，其特征在于：

步骤1中所用光刻胶为SU-8负性干膜光刻胶。

8.根据权利要求6所述的高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法，其特征在于：

步骤2中所述不可逆键合技术具体为：采用等离子不可逆键合方法。将光刻胶叠片放入等离子体舱密闭后通入比例为10:1～50:1的N₂和O₂。调节舱内总体积气压在15～35Pa范围内，等离子体采用中频发生器以非接触方式，频率为20W/L～70W/L，处理15～60s后，立刻将各叠片处理面进行键合。

9.根据权利要求6所述的高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法，其特征在于：

步骤3中所述导电化处理采用化学镀或溅射导电层方式。

10.根据权利要求6所述的高频波纹馈源喇叭电铸芯模的精密制造方法，其特征在于：

步骤4中所述脱模处理采用在丙酮中进行。