TWI756888B - 製造鐘錶組件之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明關於製造金屬鐘錶組件的方法，其特徵在於它包括以下步驟：藉由紫外光微影電鑄(LIGA-UV)型方法而形成多層級光敏樹脂模具；以及使用至少二導電層而通電沉積至少一金屬層以形成大致抵達光敏樹脂之頂表面的區塊。

Description

製造鐘錶組件之方法
本發明關於藉由微影電鑄(LIGA)科技來製造多層級複雜金屬結構的方法。本發明也關於以此方法所獲得的此種金屬結構，尤其是鐘錶組件。
對應於上面定義的方法是已知的。尤其，A.B.Frazier等人之標題為「使用光敏聚亞醯胺電鍍模具所製作的金屬微結構」且刊載於微機電系統期刊(第2冊，N版，1993年6月2日)的一文描述一種製造多層級金屬結構的方法，其係在光敏樹脂層之光微影術所製作的聚亞醯胺模具中做電鍍生長。此方法包括以下步驟：在基板上生成犧牲金屬層和底塗層以用於後續電鍍生長步驟，散布光敏聚亞醯胺層， 透過對應於待獲得的結構之層級輪廓的遮罩而以紫外光(UV)輻射來照射聚亞醯胺層，溶解非照射部分而顯影聚亞醯胺層以獲得聚亞醯胺模具，藉由電鍍生長而以鎳來填充模具至其高度，並且獲得大致平坦的頂表面，真空蒸鍍而在整個頂表面上沉積薄鉻層，在鉻層上沉積新的光敏樹脂層，透過對應於待獲得的結構之次一層級輪廓的新遮罩來照射樹脂層，顯影聚亞醯胺層以獲得新模具，藉由電鍍生長而以鎳來填充新模具至其高度。
從犧牲層和基板分開多層級結構和聚亞醯胺模具，從聚亞醯胺模具分開多層級結構。
將了解上述方法原則上可以反覆實施以獲得具有多於二層的金屬結構。
專利文件WO2010/020515A1描述具有幾個層級之零件的製造，其係在模具中進行零件之金屬的電鍍沉積步驟之前先製作對應於待獲得之最終零件的完整光阻模具。使用此方法僅可以製作出彼此包括層級突起的多層級零件。
從專利文件EP2405301A1也已知一種包括至少二層級的光阻模具，而形成於基板中的層級僅包括垂直且平滑的側腹。
這些方法僅允許製造基本幾何型態是圓柱形的零件，而不允許製造包括複雜幾何型態(例如斜角或倒角)的零件。
本發明的目標是藉由提供組合熱壓印步驟與LIGA科技來製造多層級金屬鐘錶組件的方法而矯正上述以及其他缺失，其中於多層級組件的情形，導電層係關聯於每一層級的樹脂層而能夠可靠地做電鍍生長。
本發明的目標也在於能夠製造具有通常經由LIGA科技所不可行之複雜幾何型態的時計。
為此目的，本發明關於製造鐘錶組件的方法，其包括以下步驟：(a)提供基板、在基板上沉積第一導電層、施加第一光敏樹脂層；(b)經由第一樹脂層的緩衝區而進行熱壓印，其係將緩衝區壓到離基板達預先界定的距離而維持住樹脂層，以塑形第一樹脂層並且界定鐘錶組件的第一層級；(c)透過界定組件之第一層級的遮罩來照射塑形的第一樹脂層，並且溶解光敏樹脂層的非照射區，以於多處顯露第一導電層並且形成包括第一和第二層級的模具；(d)於模具中從第一導電層電鑄而沉積金屬層以形成組件，該金屬層大致抵達第一層光敏樹脂的頂表面；(e)依序移除基板、第一導電層、樹脂以釋放組件。
此方法因此能夠製作多層級零件。
依據本發明更有利的替代選擇性具體態樣：步驟(b)是在真空中進行；在步驟(b)期間，樹脂層加熱至70℃和150℃之間；緩衝區具有凸版壓印，至少部分的壓印配置成在步驟(b)期間壓在基板之表面的周圍；緩衝區的該壓印界定組件的該至少第一層級；方法在步驟(c)和(d)之間包括可選擇的步驟，該步驟係在樹脂層的照射區上局部沉積第二導電層；透過鏤空遮罩來沉積第二導電層；經由印刷油墨或導電樹脂來沉積第二導電層；該導電層是Au、Ti、Pt、Ag、Cr、Pd型或這些當中至少二種材料的堆疊；基板是由矽所製成；基板是由透明材料所製成；由透明材料所製成的基板包括在其一面上的金屬化區以形成遮罩；導電層具有在50奈米和500奈米之間的厚度。
最後，本發明關於依據本發明方法所獲得的鐘錶組件，舉例而言例如托板總成或擒縱輪。
因此要了解依據本發明方法的特別有利應用是製造用於時計的組件。
1:基板
2:(第一)導電層
3:樹脂層
3a:光聚合區
3b:非光聚合區
4:遮罩
5:緩衝區
6:金屬層
參考所附圖式，從下面依據本發明方法之具體態樣範例的詳述將更清楚顯現本發明的進一步特徵和優點，給出此範例僅為了示範而非限制，其中：[圖1到6]以製作鐘錶組件的視角來示範本發明之具體態樣的方法步驟。
本發明關於製造至少一鐘錶組件的方法。
第一步驟(a)係提供基板1以及在上面依序沉積導電層2和由光敏樹脂所形成的樹脂層3。
用於依據本發明方法之步驟(a)的基板1舉例而言是由矽基板所形成。在方法的第一步驟(a)期間，導電層2(亦即能夠開始電鍍金屬沉積的一層)舉例而言是以物理氣相沉積(physical vapour deposition，PVD)來沉積。典型而言，導電層2是Au、Ti、Pt、Ag、Cr或Pd型(圖1)，或是這些當中至少二種材料的堆疊，並且具有在50奈米和500奈米之間的厚度。舉例而言，導電層2可以由披覆了金或銅層的鉻或鈦次層所形成。
用於此方法的光敏樹脂較佳而言為八官能基環氧系負型樹脂，其可得自設計成在UV輻射作用下聚合的參考產品SU-8。
依據本發明的特定具體態樣，樹脂是呈乾膜的形式，樹脂遂以滾鋪在基板1上來施加。
替代選擇而言，光敏樹脂或可是正光阻，其 設計成在UV輻射的作用下分解。將了解本發明不限於某些特定類型的光敏樹脂。熟於此技術者將知道如何從調適於UV光微影術的所有已知樹脂來選擇適合其需要的光敏樹脂。
樹脂層3以任何適合的手段(離心塗佈、旋塗、或噴灑)來沉積在基板1上而達所欲厚度。典型而言，樹脂厚度是在10微米和1000微米之間，較佳而言在50微米和300微米之間。依據所欲的厚度和所用的沉積技術，第一樹脂層3將沉積一或更多次。
樹脂層3典型而言然後加熱至90和120℃之間，時間則取決於沉積厚度，以移除溶劑(烘烤前的步驟)。此加熱使樹脂乾燥和硬化。
圖2所示範的次一步驟(b)係進行樹脂層3(第一層)的熱壓印，以塑形之而界定鐘錶組件的第一層級。樹脂在第一階段加熱至70℃和150℃之間的溫度，此時它變得黏稠而能夠藉由壓在上面的緩衝區5來壓縮塑形。此步驟是在真空中進行以避免當壓住樹脂層3時形成氣泡。依據本發明，緩衝區5可以壓到離基板1有預先界定的距離以維持住基板1上的樹脂層。
有利而言，緩衝區5具有凸版壓印，其能夠展現高度變化，因而有可能界定組件的至少第一層級，該至少第一層級因而具有複雜的三維幾何型態，其無法以習用的LIGA法所獲得。
也可以設想到藉由緩衝區而形成二或更多層 級以製作待獲得之組件的完整幾何型態。
圖3所示範的次一步驟(c)係藉由UV輻射而透過界定待形成的組件之第一層級的遮罩4來照射樹脂層3，因而形成光聚合區3a和非光聚合區3b。
樹脂層3可能需要退火步驟(烘烤後的步驟)以完成UV照射所誘發的光聚合。此退火步驟較佳而言在90℃和95℃之間進行。光聚合區3a變成對大多數的溶劑不敏感。另一方面，非光聚合區能夠後續被溶劑所溶解。
然後，溶解樹脂層3的非光聚合區3b以於多處顯露基板1的導電層2，如圖4。此操作是藉由適合的溶劑(例如丙二醇醋酸甲乙酯[PGMEA])來溶解非光聚合區3b而進行。因而製作出界定鐘錶組件之第一層級和第二層級之充當模具的光聚合區3a。
依據本發明有利的具體態樣，基板1是由透明材料所製成以能夠經由基板的後面來照射樹脂。
有可能使用透明基板，例如硼矽酸玻璃(Pyrex®)或承受加熱高達150℃的任何其他材料。基板包括：第一透明導電層，其由摻雜錫的氧化銦(氧化銦錫，ITO)所形成；以及金屬圖案，其舉例而言由鈦和金的合金(TiAu)所製成，而垂直對齊著待於樹脂層中開啟的區域。ITO層用來保證整個表面的導電度，因而連結了垂直對齊於開口且由鈦和金之合金所製成的金屬圖案，而同時允許光穿過到另一側以聚合待聚合區。
圖5所示範的次一步驟(d)係在模具中以電鑄 或電鍍沉積而從導電層2沉積金屬層6，直到形成區塊為止，其所達到的高度優選而言小於模具的高度，而能夠在後續機製期間有較好的機械強度。在此背景下的金屬一詞顯然包括金屬合金。典型而言，金屬將選自包括鎳、銅、金或銀的群組；而以合金來說，則選自包括金銅、鎳鈷、鎳鐵、鎳磷或甚至是鎳鎢的群組。一般而言，多層金屬結構整個是由相同的合金或金屬所製成。然而，也有可能在電鍍沉積步驟期間改變金屬或合金，以獲得包括不同類型之至少二層的金屬結構。
依據電鑄領域所熟知的技術，針對每種待電沉積的金屬或合金來選擇電鑄條件，特別是浴液組成、系統的幾何型態、電壓和電流密度。
金屬層6可以使用機械方法來機製以獲得待製作的組件之厚度所預先界定的厚度。
依據在步驟(c)和(d)之間所進行的可選擇步驟，額外的導電層(第二導電層)局部沉積在熱壓印所塑形的特定光聚合區3a上。此第二導電層可以具有相同於第一導電層2的特徵。
依據第一替代選擇性具體態樣，使用鏤空遮罩，其經由光學對齊來定位。此種設備有可能保證具有光聚合區3a之幾何型態的遮罩適當對齊在基板上，因而保證僅沉積在所選光聚合區3a的頂表面上，因為遮罩保持得盡可能靠近基板1。
依據進一步替代選擇性具體態樣，第二導電 層是以三維(3D)印刷來實施以沉積第二導電層。
此種解決方案能夠有選擇且更精確地沉積第二導電層，因此有助於在步驟(d)期間更好控制電鍍生長。
圖6所示範的步驟(e)係以接續的溼式或乾式蝕刻步驟而移除基板、導電層或樹脂層來釋放組件，此為熟於此技術者所熟悉的操作。舉例而言，第一導電層2和基板1藉由溼式蝕刻而移除，其有可能從基板1釋放組件而不損傷它。顯然矽基板可以用基於氫氧化鉀(KOH)的溶液來蝕刻。
在此第一程序之後，獲得在樹脂層中的組件組合，導電層2則仍存在多處。
第二程序係藉由O2電漿蝕刻操作而移除樹脂層3，其中插入中間金屬層的溼式蝕刻操作。
在此步驟後，獲得的組件可加以清潔，並且可選擇地在機械工具上重加工以進行機製操作或美化光製。在此階段，零件可以直接使用或經歷多樣的裝飾性和/或功能性處理(典型而言為物理或化學沉積)。
依據本發明方法的特別有利應用是製造用於時計的組件，例如彈簧、托板總成、轉輪、嵌花…等。多虧此方法，有可能製作比經由習用光微影術操作所獲得的還更多樣之形狀且更複雜之幾何型態的組件。此種方法也有可能獲得穩健的組件，其就幾何型態而言顯示良好的可靠性。
1:基板
2:導電層
3:樹脂層

Claims (13)

  1. 一種製造至少一鐘錶組件的方法，其包括以下步驟：(a)提供基板(1)、在該基板(1)上沉積第一導電層(2)、施加樹脂層(3)，其中該樹脂層(3)是由光敏樹脂形成的；(b)經由該樹脂層(3)的緩衝區(5)而進行熱壓印，其係將該緩衝區(5)壓到離該基板(1)達預先界定的距離以塑形該樹脂層(3)並且形成該鐘錶組件的至少第一層級；(c)透過界定該鐘錶組件之至少第二層級的遮罩(4)來照射已塑形的該樹脂層(3)，並且溶解該樹脂層(3)的非光聚合區(3b)，以於多處顯露該第一導電層(2)並且形成具有多層級的模具；(d)於該模具中從該第一導電層(2)電鑄而沉積金屬層(6)以形成該鐘錶組件，該金屬層(6)大致抵達該樹脂層(3)之頂表面；(e)依序移除該基板(1)、該第一導電層(2)、該樹脂層(3)以釋放該鐘錶組件；其特徵在於該方法在步驟(c)和(d)之間包括可選擇的步驟，該步驟係在該樹脂層(3)的光聚合區(3a)上局部沉積第二導電層。
  2. 依據請求項1的方法，其中步驟(b)是在真空中進行。
  3. 依據請求項1的方法，其中在步驟(b)期 間，該樹脂層(3)加熱至70℃和150℃之間。
  4. 依據請求項1的方法，其中該緩衝區(5)具有凸版壓印，至少部分的該壓印配置成在步驟(b)期間壓在該基板之表面的周圍。
  5. 依據請求項4的方法，其中該緩衝區(5)的該壓印界定該鐘錶組件的該至少第一層級。
  6. 依據請求項1的方法，其中該樹脂層(3)可被沉積一或更多次。
  7. 依據請求項6的方法，其中透過鏤空遮罩來沉積該第二導電層。
  8. 依據請求項6的方法，其中經由印刷油墨或導電樹脂來沉積該第二導電層。
  9. 依據請求項1的方法，其中該導電層(2)是Au、Ti、Pt、Ag、Cr、Pd型。
  10. 依據請求項1的方法，其中該基板(1)是由矽所製成。
  11. 依據請求項1的方法，其中該基板(1)是由透明材料所製成。
  12. 依據請求項11的方法，其中由透明材料所製成的該基板(1)包括在其一面上的透明導電層和金屬化區以形成遮罩。
  13. 依據請求項1的方法，其中該導電層(2)具有在50奈米和500奈米之間的厚度。
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