UV-LIGA—微細電火花加工組合制造技術基礎研究.pdf

1、MEMS (Micro Electromechanical System)技術作為新興技術，受到學術界、產業(yè)界和政府部門的極大重視，已經在信息、精密機械、汽車、航空航天、生物醫(yī)藥和國防等領域得到較廣泛應用。微細加工是MEMS和Micro/Meso尺度結構器件的實現(xiàn)基礎和技術關鍵。以具有優(yōu)越熱力學、光學和化學性能的SU-8系列光刻膠為光敏材料、紫外光為曝光光源的UV-LIGA技術，是借用LIGA(德語：LIthograpie，Galvan

2、oformung，Abformung三詞縮寫，由X射線光刻、電鑄成型和塑鑄成型等三個主要工藝步驟組成)工藝思路，且制造成本低廉、工藝可控性好、易于實現(xiàn)批量生產、膠模制作質量高的新型高深寬比三維Micro/Meso結構技術，是近年微細加工領域的研究熱點。微細電火花加工作為一種低成本、高材料選擇度的柔性非接觸式加工技術，在微制造中具有獨特的工藝優(yōu)勢，尤其在加工Micro/Meso尺度金屬結構器件方面表現(xiàn)突出。整合UV-LIGA和MicroE

3、DM各自工藝優(yōu)點而形成UV-LIGA－MicroEDM組合加工技術以制造形狀復雜、材料性能優(yōu)越或特殊的Micro/Meso尺度結構器件，是微細加工的創(chuàng)新性思路。 本文在國家自然科學基金(50375073)和兩項江蘇省自然科學基金(BK2002206、BK2004214)的資助下，圍繞UV-LIGA及其與微細電火花加工技術組合以制造Micro/Meso尺度金屬結構器件的一些技術基礎和工藝關鍵進行了探討與研究。全文共七章：

4、第一章概述了UV-LIGA及其與微細電火花組合加工的研究現(xiàn)狀、技術關鍵以及本文的研究內容。 第二章描述了SU-8膠光刻各操作環(huán)節(jié)的工藝基礎和技術難點，以金屬基片上制備厚度100~200 膠模為對象，試驗研究并優(yōu)化了前烘、曝光、后烘等工藝環(huán)節(jié)的操作條件及工藝參數(shù)。相比硅基片SU-8膠光刻工藝，降低前后烘程度和適度提高曝光劑量，并輔助超聲振動去除膠中氣體、靜置、隨爐冷卻等措施，能大大改善膠模質量。試驗研究并分析了超聲功率對不同特征類

5、型(陽型和陰型)膠模結構顯影質量的影響并優(yōu)選了各自適宜的功率大小，陽型結構實施的超聲功率要比陰型結構要低一定值。分析了不同金屬片(不銹鋼和銅)不同特征類型(陽型和陰型)膠模去膠的工藝特點，并開展了相應試驗研究，用NMP去膠液作為去膠試劑，輔助加熱、溶液超聲振動攪拌、熱脹冷縮等措施，獲得較為理想的去膠效果。在此基礎上，制備出了輪廓清晰，表面質量好，無明顯缺陷，與基底粘結性強的平面微線圈、微型流道、微型柔性探針和篩網等膠模。 第三章

6、在分析電沉積時電極過程液相傳質方式及其作用規(guī)律的基礎上，探討了微細電鑄時物質輸運受限的影響因素，建立了微深槽類特征電沉積時液相傳質的兩種數(shù)值分析模型(一維模型和二維模型)，分別描述多種物質組分的擴散、電離、電遷移和電沉積的動力學過程和單一物質組分在強制對流、自然對流和擴散等綜合作用下的物質傳輸情況；并分別用Matlab軟件PDEtool工具箱和Fluent流體仿真軟件數(shù)值解算了分析模型，數(shù)值表征了UV-LIGA槽特征(槽內溶液視為靜止)

7、電沉積時離子濃度、PH值等空間變化規(guī)律，以及不同傳質模式單獨或復合作用時，槽內(包括沉積面處)電解液的流場分布規(guī)律，并分析了它們對微細電鑄過程傳質效果的影響。數(shù)值分析結果表明：單純的外部強制對流或擴散傳質作用無法滿足高深寬比微細結構電沉積物質輸運量的要求；發(fā)揮并加強電沉積時浮力驅動自然對流的傳質作用能大大增強微細電鑄的傳質效果，外部強制對流和自然對流的協(xié)同傳質作用是微細電鑄高效實施的重要保證；增大沉積面與體液間的溫度差一定程度上提高了物

8、質綜合輸運效果。 第四章概述了微細電鑄工藝基礎及研究進展，從工藝實踐的角度分析了工藝優(yōu)化的途徑與措施，對比試驗研究了陰極水平放置和豎直放置對電鑄層形貌質量的影響，研究結果證明浮力驅動自然對流是高深寬比微小結構電鑄高效傳質的關鍵性力量，試驗驗證了第三章數(shù)值分析結果的正確性。利用自行研制的微細電鑄裝置，單獨或綜合采用交替性給封閉電鑄槽抽進氣（抽氣降低電鑄槽壓力，進氣高速沖液攪拌）、熱梯度等工藝措施，對微細電鑄進行了試驗研究。試驗結

9、果表明：采用陰極板水平放置、交替性給電鑄槽抽進氣、熱梯度(25℃/60℃)等電沉積復合工藝措施，能明顯提高電鑄微小結構件的形貌質量，減少鑄件針孔、結瘤等缺陷。研究分析了溶液超聲攪拌對電鑄層形貌的影響，試驗結果顯示，適度功率大小的溶液超聲攪拌能明顯減少電鑄件針孔，提高鑄層平整性。 第五章分析了微細電火花加工的電極損耗機理，選擇了三種有增強電鑄銅電極抗電蝕性能潛勢的試驗方案，通過在硫酸銅基液中添加明膠、添加強耐電蝕性的石墨微粉和焦磷

10、酸鹽基液中添加納米稀土氧化物——氧化鑭組成新電解液，研究分析了基于這些電解液所電鑄的宏觀電極試樣的耐電蝕能力、形貌特征和顯微硬度等，并以耐電蝕能力為主要評價指標依次優(yōu)選了上述三類試驗的工藝參數(shù)和操作條件。然后以各自優(yōu)選出的工藝參數(shù)和操作條件電鑄出微電極試樣，并進行了電蝕性試驗，以進一步分析它們的微細電鑄能力和“微觀”抗電蝕行為。試驗結果表明，利用焦磷酸鹽基液添加適量(1.5~2g/l)納米氧化鑭所組成的新電解液電鑄出的微電極試樣在微細電

11、火花加工中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗電蝕能力。 第六章分析了用UV-LIGA技術制備的工具電極微細電火花批量加工復雜形狀微小結構器件的工藝特點。初步試驗研究了電極對面積和加工面積對微細電火花批量加工型腔類和型架類結構時的加工精度、表面質量、加工速度和電極損耗的影響。結果表明：在設定加工規(guī)準的條件下，批量加工型腔類結構的加工精度和表面質量隨電極對面積的增大而提高，而批量加工型架類結構的加工精度和表面質量與電極對面積之間并沒有這種變化規(guī)律。電極