一種三維微型模具的製造方法
2023-05-04 14:22:26 1
專利名稱：一種三維微型模具的製造方法
技術領域：
本發明涉及模具製造技術，特別是涉及三維微型模具的製造方法。
技術背景現有技術將零件外形尺寸特徵大小在1^im 10mm之間稱為微型零 件，隨著微型零件的應用越來越廣，特別是微機電系統(MEMS)、電子 工業等領域的迅速發展，使得微型模具製造和微成形技術成為業界重點 研究的對象。目前微型模具的微細加工技術主要包括電化學微加工、雷射加工技 術和基於金屬或非金屬的精密機械加工，如微車削、磨削和銑削加工工 藝。電化學等微細特種加工工藝相對複雜，在難切削材料、複雜型面和 低剛度材料的模具型腔加工中具有不可替代的優勢，但對於三維微型零 件模具的加工仍然存在不足之處；雷射加工主要包括準分子雷射加工和 飛秒雷射加工，由於其雷射聚焦的局限性，加工的微型模具相對深寬比 較小；傳統的微機械切削加工方法加工三維微小模具型腔，雖然工藝簡 便實用，不需要太大的投資就可以進行生產，但加工模具型腔尺寸較大、 精度較低。發明內容本發明提供一種基於矽鍵合工藝的三維微型模具製造方法，能夠製造出微米尺度的三維微型模具，具有精度高，成本低，柔性大的優點。 本發明提供的一種三維微型模具的製造方法，包括以下步驟
(1) 對待製造零件在垂直方向上進行分層，每層厚度為10微米 300
微米；
(2) 選擇數量與待製造零件分層數相同的矽片，在各矽片上分別刻 蝕出與待製造零件各層結構相應的圖形；
(3) 將質量百分比98%的H2S04與質量百分比30%的&02按照休 積比2 4:1混合，採用此混合溶液對各矽片進行清洗；
(4) 對各矽片進行活化；
(5) 將活化後的矽片，按層次快速對準貼合；
(6) 將貼合好的矽片放入退火爐內進行退火處理得到三維微型模具型腔。
本發明相比現有技術具有如下優點本發明採用多層矽-矽直接鍵合 方法，無需中介層輔助，鍵合強度高，可靠性好，而且隨著溫度升高， 鍵合界面將出現熔融，鍵合強度進一步增加，因此利用本發明製備的矽 模具可以承受較大的壓力和較高的溫度。同時，通過變換組合具有不同 圖形的矽片，同一批次矽片能夠加工製造出大量形狀複雜，高深寬比的 三維微型矽模具，厚度方向可達幾百微米甚至數毫米，精度高，工藝柔 性大，成本低。
圖1為本發明一實施例製造的模具所針對的零件示意圖2為本發明一實施例刻蝕步驟示意圖，圖2 (a)、圖2 (c)、圖2
(e)、圖2 (g)和圖2 (i)為減薄後的矽片示意圖，2 (b)、圖2 (d)、
圖2 (f)、圖2 (h)和圖2 (j)為各矽片刻蝕後的截面效果示意圖3為本發明一實施例中兩塊矽片貼合截面效果示意圖4為本發明一實施例中製造出的模具截面效果示意圖5為本發明另一實施例中製造的模具所針對的零件示意圖6為本發明另一實施例中製造的模具截面效果示意圖7為第三實施例製造的模具所針對的零件示意圖8為第三實施例製造的模具截面效果示意圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例和附圖進一步說明本發明。 實施例1:
圖1示出了本實施例製造的模具所針對的待製造三維微型零件，將 該零件在垂直方向上分為5層，選擇5塊標準矽片，將矽片減薄，圖2 (a)、圖2 (c)、圖2 (e)和圖2 (g)所示的矽片厚度為100 P m，圖2 (i)所示的矽片厚度為300um，採用體矽加工工藝在矽片上按順序刻蝕 出零件各層的外觀圖形，如圖2 (b)、圖2 (d)、圖2 (f)、圖2 (h)和 圖2 (j)所示，圖2 (j)的矽片刻蝕有零件最底層的外觀形狀。
將刻蝕好的待鍵合樣片浸泡到清洗液(H2S04:H202=2:1)中，在 120。C溫度條件下清洗20分鐘；
將清洗後的矽片浸泡到氨基活化液(NH40H:H202:H20= 1:1:5)中進行一次活化，樣片活化20分鐘，反應溫度為7(TC;再將矽片浸泡到鹽酸基活化液(HC1:H202:H20=1:1:5)中進行二次 活化，樣片活化20分鐘，反應溫度為7(TC;將活化後的矽片吹乾後，在室溫下按照從上到下的順序將其迅速貼 合在一起，使之發生預鍵合，圖3示出了圖2 (b)和圖2 (d)所示的矽 片貼合截面效果示意圖。最後將預鍵合好的矽片放入退火爐中進行退火處理，退火溫度為400 °C，退火時間為15小時，得到模具型腔，如圖4所示出。實施例2:圖5為本實施例製造的模具所針對的零件，將該模具分為三層，制 備步驟與實施例1大致相同，區別點在於(1)採用H2S04:H202二4:1 的清洗液清洗15分鐘；(2)採用70X的HNO3進行活化，活化時間為 20分鐘，反應溫度為7(TC; (3)採用從下往上的順序貼合；(4)退火時 間為10小時，退火溫度為450'C。圖6為本實施例製造出的模具截面效 果示意圖。實施例3:圖7為本實施例製造的模具所針對的零件，從結構上看可以分為三 層，但由於此微型零件兩端部分具有相對高的深寬比，在現有刻蝕技術 無法刻透情況下，將其多分為兩層，因此此零件共分五層，模具製備步 驟與實施例l大致相同，區別點在於(1)採用H2S04:H20產3:1的清洗液，在120'C溫度條件下清洗10分鐘；(2)採用70%的HN03進行活化, 活化是時間為20分鐘，反應溫度為70°C; (3)採用從下往上的順序貼合;
(4)退火時間為8小時，退火溫度為500'C。圖8為本實施例製造出的 模具截面效果示意圖。
本發明在具體實施中，可以將各矽片同時減薄、刻蝕、清洗、活化 和貼合，也可以先對兩矽片進行減薄、刻蝕、清洗、活化和貼合，然後 再對其它矽片作相同處理，不論哪一種方式，實質上都是相同的，均在 本發明要求保護的範圍內。
權利要求
1、一種三維微型模具的製造方法，包括以下步驟(1)對待製造零件在垂直方向上進行分層，每層厚度為10微米～300微米；(2)選擇數量與待製造零件分層數相同的矽片，在各矽片上分別刻蝕出與待製造零件各層結構相應的圖形；(3)將質量百分比98％的H2SO4與質量百分比30％的H2O2按照體積比2～4∶1混合，採用此混合溶液對各矽片進行清洗；(4)對各矽片進行活化；(5)將活化後的矽片乾燥，按層次快速對準貼合；(6)將貼合好的矽片放入退火爐內進行退火處理得到三維微型模具型腔。
2、 根據權利要求1所述的一種三維微型模具的製造方法，其特徵在 於，所述步驟(5)按照從上往下的順序貼合。
3、 根據權利要求1所述的一種三維微型模具的製造方法，其特徵在 於，所述步驟(6)的退火時間為8~15小時，退火溫度為400-500°C。
全文摘要
本發明提供了一種三維微型模具的製造方法，在各矽片上分別刻蝕出與待製造零件各層結構相應的圖形，將質量百分比98％的H2SO4與質量百分比30％的H2O2按照體積比2～4∶1混合，採用此混合溶液對各矽片進行清洗，然後活化，再將活化後的矽片乾燥，按層次迅速對準貼合，最後進行退火處理得到三維微型模具型腔。本發明能夠製造出微米尺度的三維微型模具，具有精度高，成本低，柔性大的優點，適用於微齒輪軸、微階梯軸、高深寬比三維微型結構等微機電系統(MEMS)器件模具的加工製造。
文檔編號B81C99/00GK101293628SQ200810047229
公開日2008年10月29日 申請日期2008年4月3日 優先權日2008年4月3日
發明者史鐵林, 廖廣蘭, 平 彭, 湯自榮, 棟 王, 磊 聶, 阮傳值 申請人:華中科技大學