CN109590695A - 基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置及方法。所述装置包括上隔热板、上模板、上垫板、凸模固定板、坯料、坯料固定板、坯料垫块、凹模、推块、凹模隔热板、自适应平台承料台、自适应平台底座、自适应平台固定板、自适应平台固定销、下隔热板、下模板、固定板、导套、导柱、加热圈、金属钨刻蚀模芯凸模、凸模固定键、凸模固定套和凸模垫块。微压印成形方法包括：坯料准备、模具安装与调试和微压印成形实验。本发明中金属钨刻蚀模芯涂抹能够替代微压印成形模具中硅刻蚀模具，模具使用寿命明显提高，成本显著降低，能够满足铝、镁合金、铜合金、钛合金等多种材料微结构零件微压印成形要求。

Description

基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微压印成形模具装置及装配成形方法，具体涉及一种金属钨刻蚀模芯微成形模具装置及方法，属于机械制造及微成形技术领域。

背景技术

微压印成形工艺是一种采用具有微结构的模具装置制造微型构件的工艺方法，具有产品一致性好、成本低以及适合大批量生产等优点，在光学传感器、生物MEMS、微型热交换器以及微能源领域具有广泛应用。目前，微压印成形具主要采用硅刻蚀模具，硅模具固定连接难度大，容易损坏，模具寿命低、脱模难度大，导致微压印结构复杂，成本高。例如，徐杰等人提出了一种金属微热压印成形模具装置及方法(专利号：201510009443.1)，利用自动调平机构和真空吸附方法解决了硅模具脱模难度大、硅片容易损坏的难题，实现了金属材料微压印成形。然而，该模具装置结构复杂，成形效率第，主要满足铝合金、镁合金等高温条件下强度较低材料微压印成形。

本发明提供了一种基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置及装配成形方法，金属钨微结构模芯采用刻蚀-钝化混合工艺或刻蚀-钝化交替工艺制造，在模具装置内部直接通过刚性连接实现钨刻蚀模具与坯料的固定，采用球形自调平机构实现微成形过程模具自调平，解决金属微压印成形模具装置中硅刻蚀模具固定结构复杂，成形效率低的问题，能够满足包括高强度材料在内的金属材料微压印成形。

发明内容

本发明提供了一种基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置及方法，解决金属微压印成形模具装置中硅刻蚀模具固定结构复杂、成形效率低的问题，能够满足包括高强度材料在内的金属材料微压印成形。

本发明的技术方案是：一种基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置，它包括上隔热板、上模板、上垫板、凸模固定板、坯料、坯料固定板、坯料垫块、凹模、推块、凹模隔热板、自适应平台承料台、自适应平台底座、自适应平台固定板、自适应平台固定销、下隔热板、下模板、固定板、导套、导柱、加热圈、金属钨刻蚀模芯凸模、凸模固定键、凸模固定套、凸模垫块。设置上隔热板和下隔热板分别连接在上模板和下模板上，以进行隔热保护以及与微成形设备连接；上垫板安装在上模板上，金属钨刻蚀模芯凸模通过凸模固定套凸模固定板凸模固定键固定在上垫板上。为保证坯料与金属钨刻蚀模芯凸模的平行度，凹模结构采用全封闭式，坯料固定板固定在凹模上，坯料垫块和推块分别竖直与横向安装在凹模中，以方便取料，加热圈将坯料固定板和凹模包围，为避免压力机上的压力传感器温度过高损伤传感器，设计凹模隔热板连接在凹模与自适应平台承料台之间。自适应平台底座通过自适应平台固定销与自适应平台固定板固定在下模板上，自适应平台承料台与自适应平台底座连接，自适应平台能够根据合模角度，灵活调整倾斜角度，且导向良好，能够保证凸模与承料台中心的同心度。凸模固定板和固定板之间通过多个导柱和多个导套进行定位和导向。

金属钨刻蚀模芯加工方法，具体包括以下步骤：

步骤一：淀积(溅射)表面金属掩膜(金属掩膜包括Al薄膜、Ti薄膜、Cr薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜)，溅射厚度由后续刻蚀深度和选择比共同决定，铝掩膜采用FHR磁控溅射设备溅射，淀积厚度200nm-10μm；

步骤二：旋涂光刻胶，光刻以对制作好的Al掩膜进行图形化，采用Karl Suss MA6光刻机，包括匀胶、前烘、曝光、显影、后烘五个步骤，光刻胶使用AZ4620，旋涂转速依据所需厚度选择2000rpm-5000rpm，得到光刻胶厚度6μm-10μm，前烘和后烘均采用110℃，3-5分钟；曝光时间20s-80s之间；显影液使用TMAH，显影时间为1-2min；

步骤三：采用干法刻蚀铝掩膜，得到图形化的铝之后，进行金属钨的刻蚀，采用SENTECH干法刻蚀机，其中铝掩膜刻蚀采用氯基气体(包括Cl₂、BCl₃等气体)，同时也添加其他辅助气体N2、O2、Ar等，ICP功率100-1500W，RF功率20-100W，温度为-20～50℃，钨刻蚀采用氟基气体(包括SF₆、C₄F₈、CHF₃等)，同时也添加其他辅助气体N2、O2、Ar等，ICP功率200-2000W，RF功率20-100W，温度10～80℃；

步骤四：对刻蚀钨表面进行喷胶保护，采用无锡佳图喷胶机，在刻蚀钨表面喷涂20-50μm光刻胶，防止金属钨表面微结构在凸模加工中受损；

步骤五：金属钨凸模线切割加工，根据金属钨模芯与成形模具的相互配合，将金属钨模芯加工成凸模结构。

本发明还提供了一种基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置的成形方法，该成形方法包括以下步骤：

步骤一：坯料准备：

选定用来成形微型零件的块体坯料，采用机械抛光与电解抛光结合的方式处理坯料，以保证坯料的表面质量；

步骤二：选定用于微压印成形的设备

步骤三：模具装置装配、安装与调试；

第一，在合模状态下分别将上模板、下模板与压力机连接端固定，确保上模板、下模板中心重合后拧紧固定螺钉；

第二，将钨刻蚀模芯的凸模安装到凸模固定套中；

第三，上移压力机横梁，带动上模运动，当空间足够时，放入坯料，坯料放置于凹模中的坯料垫块上，安装坯料固定板，拉动推块，坯料即上移至坯料固定板内，实现全封闭式凹模结构，将加热圈套在坯料固定板和凹模上；

第四，设置微压印成形设备参数，进行上下模具导向测试；

步骤四：微压印成形试验：

第一、打开加热开关，设置目标温度，对成形部分进行加热，当温度达到目标温度后温控系统进入保温程序；

第二、设定电子万能试验机加载方式，确定加载速度，载荷大小以及保压时间工艺参数；

第三、下移压力机横梁，使金属钨刻蚀模芯的凸模与坯料轻微接触，启动压力机成形控制程序，进行微压印成形实验；

第四、试验结束后，压力机卸载，横梁上移过程中完成脱模；等坯料冷却后取出成形后零件，至此，完成了坯料的金属微热压印成形。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、与硅微压印模具相比，采用基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置，模具使用寿命明显提高，同时模具装置减少了真空吸附系统，模具成本降低约30％。

2、采用基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置，不仅能够满足铝合金、镁合金等高温成形性能优异的金属材料，同时还能够满足铜合金、钛合金等难成形材料，模具装置的适用范围更大。

3、采用基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置，模具结构进一步得到优化，坯料固定方式采用无损刚性限位实现，减少了小销钉夹持固定坯料损伤，有利于实现微结构零件的近净成形。

附图说明

图1为本发明的基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置的结构示意图。

具体实施方式

结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种金属钨刻蚀模芯微压印成形模具装置，其上模板2与下模板16分别与上隔热板1和下隔热板15相连，防止高温工作时对压力传感器造成损伤。通过四根导柱19和四个导套18对模具进行精确定位和导向。上模板2、上垫板3、以及凸模固定板4通过螺栓依次连接固定，采用销钉进行精确定位。凸模21和凸模垫块24放入凸模固定套23内，通过凸模固定键22固定在凸模固定板4上。为了保证坯料5与凸模21的平行度，避免成形过程中发生墩粗材料外流、表面翘曲而影响压印质量，凹模结构采用了全封闭式。将坯料5置于坯料垫块7上，再将坯料固定板6扣在坯料5上，使坯料5置于坯料固定板6下面开好的与坯料5尺寸匹配的槽内。坯料垫块7与推块9上都有小斜面，通过这个小斜面，拉动推块9，坯料垫块7即可向上或向下移动。放料时坯料垫块7低于凹模8平面，坯料5放入槽内，安装上坯料固定板6后，拉动推块9，坯料垫块7上升至与凹模8平齐，坯料5进入坯料固定板6腔内，套上加热圈20，与高精度控温装置相连，实现微压印加热以及温度控制，实现全封闭压印。为了避免压力机上的压力传感器温度过高损伤传感器，设计凹模隔热板10连接在凹模8与自适应平台承料台11之间，采用销钉进行精确定位。自适应平台底座12通过自适应平台固定销14与自适应平台固定板13固定在下模板16上，自适应平台承料台11与自适应平台底座12连接，自适应平台能够根据合模角度，灵活调整倾斜角度，且导向良好，能够保证凸模21与承料台11中心的同心度，且由于自适应调整过程中无侧向位移，所以能够保证凸模21中的微结构不会损伤，确保压印成形零件的尺寸精度。

金属钨刻蚀模芯加工装配方法实施方式，为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，详细说明如下。

本实施方式的金属钨刻蚀模芯加工方法包括以下步骤：

步骤一，在钨基底上上采用溅射方法淀积(溅射)表面金属掩膜，该金属掩膜可以是Al薄膜、Ti薄膜、Cr薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜；溅射厚度为200nm-10μm；

步骤二，在硬掩膜2表面旋涂光刻胶AZ4620，旋涂转速为2000rpm-5000rpm，随后，对光刻胶进行前烘，温度110℃，3-5分钟；随后使用Karl Suss MA6光刻胶曝光，曝光时间20s-80s；接着使用使用TMAH对光刻胶进行显影，最后进行后烘，110℃，3-5分钟，制备出硬掩膜图形；

步骤三，采用干法刻蚀铝掩膜，采用SENTECH干法刻蚀机，采用氯基气体(包括Cl₂、BCl₃等气体)，同时也添加其他辅助气体N₂、O₂、Ar等，ICP功率100-1500W，RF功率20-100W，温度为-20-50℃，直到露出钨表面；

步骤四，使用图形化的金属铝作为掩膜，刻蚀金属钨，钨刻蚀采用氟基气体(包括SF₆、C₄F₈、CHF₃等)，同时也添加其他辅助气体N₂、O₂、Ar等，ICP功率200-2000W，RF功率20-100W，温度10-80℃，依据刻蚀深度选择刻蚀时间，等到金属钨刻蚀模芯；

步骤四：对刻蚀钨表面进行喷胶保护，首先对刻蚀钨模芯进行丙酮+异丙醇超声清洗5-10min，随后在刻蚀钨表面喷涂20-50μm光刻胶，喷涂速率约为2μm/min，防止金属钨表面微结构在凸模加工中受损；

步骤五：金属钨凸模线切割加工，根据金属钨模芯与成形模具的相互配合，将金属钨模芯加工成凸模结构。

在进行成形实验时，首先将上模板2与下模板16通过螺栓分别与压力机上横梁与底座连接。将坯料5置于坯料垫块7上，再将坯料固定板6扣在坯料5上，使坯料5置于坯料固定板6下面开好的与坯料5尺寸匹配的槽内。坯料垫块7与推块9上都有小斜面，通过这个小斜面，拉动推块9，坯料垫块7即可向上或向下移动。放料时坯料垫块7低于凹模8平面，坯料5放入槽内，安装上坯料固定板6后，拉动推块9，坯料垫块7上升至与凹模8平齐，坯料5进入坯料固定板6腔内，套上加热圈20，与高精度控温装置相连，实现微压印加热以及温度控制，实现全封闭压印。将凸模21安装到凸模固定板4上，合模，将模具放置到压力机底座上。打开温度控制系统开关，设定目标温度，此实加热圈20将按照预定模式加热到目标温度，达到目标温度后自动进行保温。

在装置进行加热的过程中，设置压力机加载方式，主要参数包括压力大小、加载速度、保压时间等。当系统温度达到目标温度后，将压力机载荷清零，手动调整横梁缓慢下移，使凸模21与坯料5表面微微接触。启动加载和保压程序进行压印成形实验。在压印过程中，当坯料5与凸模21之间存在微小倾斜角度时，自适应平台承料台11与自适应平台底座12能够根据合模角度，灵活调整倾斜角度，且导向良好，以保证凸模21与承料台11中心的同心度，实现凸模21与坯料5之间的平行度自适应调整。

保压过程结束后，设备开模。在此过程中实现凸模21与坯料5分离。脱模完成后，取出阵列微通道零件。

本实施方式的成形方法包括以下步骤：

步骤一：坯料5准备：

选定用来成形微型零件的块体坯料，并加工为7.5×5mm，厚度1.5mm的坯料5，采用机械抛光与电解抛光结合的方式处理坯料，保证坯料的表面质量；

步骤二：选定用于成形的压力机型号；

压力机型号为Zwick/Roe11Z010电子万能试验机；

步骤三：模具装置安装与调试：

第一，在合模状态下分别将上模板2、下模板16与压力机连接端固定，确保上模板2、下模板16中心重合后拧紧固定螺钉；

第二，将钨凸模21安装到凸模固定套23中；

第三，上移压力机横梁，带动上模运动，当空间足够时，放入坯料5，坯料5放置于凹模8中的坯料垫块7上，安装坯料固定板6，拉动推块9，坯料5即上移至坯料固定板6内，实现全封闭式凹模结构，将加热圈20套在坯料固定板6和凹模8上；

第四，设置电子万能试验机参数，进行上下模具导向测试；

步骤四：微热压印成形试验：

第一、打开加热开关，设置目标温度，对成形部分进行加热，当温度达到目标温度后温控系统进入保温程序；

第二、设定电子万能试验机加载方式，确定加载速度，载荷大小以及保压时间工艺参数；

第三、下移压力机横梁，使钨凸模21与坯料5轻微接触，启动压力机成形控制程序，进行微压印成形实验；

第四、试验结束后，压力机卸载，横梁上移过程中完成脱模；等坯料冷却后取出成形后零件，至此，完成了坯料的金属微热压印成形。

Claims (10)

1.一种基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置，其特征在于：微压印成形模具装置包括金属钨刻蚀模芯凸模、凸模固定键、凸模固定套、凸模垫块、凸模固定板、坯料、坯料固定板、坯料垫块、凹模、推块、凹模隔热板、自适应平台承料台、自适应平台底座、自适应平台固定板、自适应平台固定销、上隔热板、上模板、上垫板、下隔热板、下模板、固定板、导套、导柱和加热圈。

2.根据权利要求1所述的基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置，其特征在于：所述的金属钨刻蚀模芯凸模通过凸模固定套、凸模固定板、凸模固定键固定在上垫板上。

3.根据权利要求1所述的基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置，其特征在于：所述的凹模采用全封闭式结构，坯料放置在凹模内，通过坯料固定板将所属的坯料固定在凹模内，设置有坯料垫块和推块分别放置于在凹模中。

4.根据权利要求1所述的基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置，其特征在于：所述的自适应平台底座通过自适应平台固定销与自适应平台固定板安装在下模板上，自适应平台承料台与自适应平台底座连接，自适应平台能够根据合模角度，灵活调整倾斜角度，且导向良好，能够保证凸模与承料台中心的同心度；所述的上隔热板和下隔热板分别连接在上模板和下模板上，进行隔热保护微成形设备，避免微压印过程温度对设备传感器以及工作台的影响；所说的凹模隔热板放置于凹模隔热板连接在凹模与自适应平台承料台之间，防止微压印过程由于热传导导致压印温度降低；凸模固定板和坯料固定板之间通过多个导柱和多个导套进行定位和导向。

5.根据权利要求1所述的基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置的金属钨刻蚀模芯加工方法，其特征在于：首先在金属钨表面沉积金属掩模，具体步骤为：淀积表面金属掩膜，溅射厚度由后续刻蚀深度和选择比共同决定，铝掩膜采用FHR磁控溅射设备溅射，淀积厚度200nm-10μm。

6.根据权利要求1所述的金属钨刻蚀模芯加工与装配方法，其特征在于：旋涂光刻胶，光刻以对制作好的Al掩膜进行图形化，采用Karl Suss MA6光刻机，包括匀胶、前烘、曝光、显影、后烘五个步骤，光刻胶使用AZ4620，旋涂转速依据所需厚度选择2000rpm-5000rpm，得到光刻胶厚度6μm-10μm，前烘和后烘均采用110℃，3-5分钟；曝光时间20s-80s之间；显影液使用TMAH，显影时间为1-2min。

7.根据权利要求1所述的金属钨刻蚀模芯加工方法，其特征在于：采用干法刻蚀铝掩膜，得到图形化的铝之后，进行金属钨的刻蚀，采用SENTECH干法刻蚀机，其中铝掩膜刻蚀采用氯基气体，同时也添加其他辅助气体N2、O2、Ar等，ICP功率100-1500W，RF功率20-100W，温度为-20-50℃，钨刻蚀采用氟基气体，同时也添加其他辅助气体N2、O2、Ar等，ICP功率200-2000W，RF功率20-100W，温度10-80℃。

8.根据权利要求1所述的金属钨刻蚀模芯加工方法，其特征在于：对刻蚀钨表面进行喷胶保护，采用无锡佳图喷胶机，在刻蚀钨表面喷涂20-50μm光刻胶，防止金属钨表面微结构在凸模加工中受损；金属钨凸模线切割加工，根据金属钨模芯与成形模具的相互配合，将金属钨模芯加工成凸模结构。

9.根据权利要求1所述的基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置的成形方法，其特征在于：微压印成形方法，首先将上模板(2)与下模板(16)通过螺栓分别与压力机上横梁与底座连接，将坯料(5)置于坯料垫块(7)上，再将坯料固定板(6)扣在坯料(5)上，使坯料(5)置于坯料固定板(6)下面开好的与坯料(5)尺寸匹配的槽内，坯料垫块(7)与推块(9)上都有小斜面，通过这个小斜面，拉动推块(9)，坯料垫块(7)即可向上或向下移动，放料时坯料垫块(7)低于凹模(8)平面，坯料(5)放入槽内，安装上坯料固定板(6)后，拉动推块(9)，坯料垫块(7)上升至与凹模(8)平齐，坯料(5)进入坯料固定板(6)腔内，套上加热圈(20)，与高精度控温装置相连，实现微压印加热以及温度控制，实现全封闭压印，将凸模(21)安装到凸模固定板(4)上，合模，将模具放置到压力机底座上，打开温度控制系统开关，设定目标温度，此实加热圈(20)将按照预定模式加热到目标温度，达到目标温度后自动进行保温。

10.根据权利要求1所述的基于金属钨刻蚀模芯的微压印成形模具装置的微压印成形方法，其特征在于：在装置进行加热的过程中，设置压力机加载方式，主要参数包括压力大小、加载速度、保压时间，当系统温度达到目标温度后，将压力机载荷清零，手动调整横梁缓慢下移，使凸模(21)与坯料(5)表面微微接触，启动加载和保压程序进行压印成形实验，在压印过程中，当坯料(5)与凸模(21)之间存在微小倾斜角度时，自适应平台承料台(11)与自适应平台底座(12)能够根据合模角度，灵活调整倾斜角度，且导向良好，以保证凸模(21)与承料台(11)中心的同心度，实现凸模(21)与坯料(5)之间的平行度自适应调整；保压过程结束后，设备开模，在此过程中实现金属钨刻蚀模芯的凸模(21)与坯料(5)分离，脱模完成后，取出阵列微结构零件。