專利名稱：陣列微細型孔的電化學加工工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微細加工領(lǐng)域，特別涉及以電解加工為核心，光刻、精密電火花線切割加工和電鑄工藝等技術(shù)交叉融合的金屬合金材料的陣列微細型孔的電化學加工工藝。
背景技術(shù)：
金屬合金材料的陣列微細型孔在許多領(lǐng)域有廣泛的應用。例如打印機噴墨孔陣列、篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)、噴絲板及MEMS(微型機電系統(tǒng))中微噴、微泵等微細結(jié)構(gòu)等。目前陣列微細型孔的加工方法涉及精密機械加工、特種加工和微細加工等。
采用精密機械加工工藝制造陣列微細型孔，存在加工精度難以保證、加工效率低、復雜形狀加工困難等缺點。在特種加工中，電子束和離子束加工需要在真空條件下進行，加工設備昂貴，在實際應用上有局限性；激光加工的形狀精度和表面光潔度通常較差；電火花加工的加工效率較低，且加工精度受電極損耗的影響，不適于陣列微細型孔的批量制作；電化學加工在加工機理上具有達到精密和微細加工的可能性，但傳統(tǒng)的電化學加工工藝包括光刻電解加工工藝，由于電場的發(fā)散和電極側(cè)壁的雜散腐蝕等，在電解蝕除過程中尺寸精度不易精密控制，應用于微細加工尚待解決關(guān)鍵的工藝問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供基于微細電化學工藝的一種陣列微細型孔的電化學加工工藝。其特征在于首先設計制作陣列微細電極，然后利用該陣列微細電極對工件進行電解加工，得到所需的陣列微細型孔。其中陣列微細電極的制作成型有兩條工藝路線采用線切割工藝或采用光刻和電鑄工藝。如需加工深寬比較大的陣列微細型孔，還需要對電極進行側(cè)面沉積絕緣處理。該方法的具體步驟如下一、如需加工較小深寬比的陣列微細型孔，有兩種可選的工藝路線1、線切割成形電極的電化學加工(1)利用線切割工藝制作陣列微細電極，電極形狀可為多邊形，如三角形、四邊形、六邊形等；(2)在陣列微細電極中填充絕緣膠，起到側(cè)面絕緣作用，對絕緣膠進行固化處理后，把端面打磨平整露出電極端面，完成陣列電極的制作；(3)利用陣列微細電極進行電解加工，得到陣列微細型孔；加工過程中，陣列電極的端面和工件之間保持一微小間隙，不做縱向進給運動。
2、光刻電鑄成形電極的電化學加工(1)根據(jù)所需微細型孔和電極的截面形狀和尺寸設計制作光刻掩膜板；(2)在硅片或其它材料的基底上濺射金屬種子層，然后旋涂厚光刻膠；(3)利用紫外光源，采用厚膠的接觸紫外曝光技術(shù)，得到與所需電極的形狀和尺寸一致的厚膠微結(jié)構(gòu)；(4)電鑄金屬鎳，得到陣列電極，將端面磨平，完成陣列微細電極的制作；(5)利用陣列微細電極進行微細電解加工，得到陣列微細型孔；加工過程中，陣列電極的端面和工件之間保持一微小間隙，不做縱向進給運動。
二、如需加工較大深寬比的陣列微細型孔，工藝路線如下(1)利用線切割得到陣列微細電極，或利用光刻電鑄工藝、并去除光刻膠得到陣列微細電極的主體結(jié)構(gòu)；(2)利用氣相沉積工藝在電極表面沉積一層絕緣薄膜；(3)填充光刻膠并固化后，磨平端面，并保證電極端面的絕緣薄膜被完全去除，使電極端面導電；(4)去除光刻膠，并保留電極側(cè)壁和基底上的絕緣薄膜層，完成側(cè)壁絕緣的高深寬比陣列微細電極的制作；(5)利用該陣列電極進行電解蝕除加工，得到高深寬比的陣列微細型孔；加工過程中，陣列電極沿垂直于工件待加工表面的方向作縱向進給運動；通過微小間隙檢測裝置實時測量、并通過微動工作臺自動保持一微小加工間隙，以提高形狀復制精度。
三、所述微細電解加工中，利用脈沖電源技術(shù)和微小間隙控制技術(shù)。
本發(fā)明的有益效果是
1、本發(fā)明采用微細電化學工藝加工陣列微細型孔，加工過程中工具電極不損耗，電極可反復使用，成本低，并且可重復性好。加工完成后微細結(jié)構(gòu)沒有毛刺、表面光滑、無內(nèi)應力和裂紋等缺陷。
2、本發(fā)明采用陣列微細電極加工陣列微細型孔，加工效率高且陣列中所有孔的形狀一致性好，適于大批量生產(chǎn)。
3、如需加工較小深寬比的陣列微細型孔，本發(fā)明采用兩條工藝路線成形陣列電極。其中，利用線切割工藝成形電極的工藝簡單，加工精度高；采用光刻電鑄工藝成形電極，方法靈活性好，可制作任意截面形狀的陣列電極，并適于微米級到毫米級的任意電極尺寸；4、在小深寬比陣列微細型孔的加工中，電極之間有絕緣膠質(zhì)填充，避免了電解蝕除加工過程中電極側(cè)壁的雜散電場，減小了工件的雜散腐蝕效應，提高加工成型精度。
5、在大深寬比陣列微細型孔的加工中，對陣列電極的側(cè)壁作沉積絕緣處理。電極側(cè)壁的絕緣薄膜層避免了電解蝕除加工過程中電極側(cè)壁的雜散電場，減小了工件的雜散腐蝕效應，有利于保證高深寬比的加工成型精度。


圖1為小深寬比的陣列微細型孔的電化學加工示意圖；圖2為高深寬比的陣列微細型孔的電化學加工示意圖；圖3為利用線切割成形電極的陣列微細型孔的電化學加工工藝流程；圖4為利用光刻電鑄成形電極的陣列微細型孔的電化學加工工藝流程；圖5為利用側(cè)壁絕緣的陣列電極進行高深寬比陣列微細型孔加工的電化學工藝流程。
具體實施例方式
本發(fā)明提供基于微細電化學工藝的一種陣列微細型孔的電化學加工工藝如圖1或圖2所示。首先設計制作陣列微細電極1，然后利用陣列微細電極1對工件2進行電解加工，得到所需的陣列微細型孔。
結(jié)合本發(fā)明內(nèi)容提供以下實施例。
一、小深寬比陣列微細型孔的電化學加工，如圖1所示。
根據(jù)所需陣列微細型孔的形狀和尺寸，設計制作陣列微細電極1；電極的間隙中有絕緣膠質(zhì)填充，端面磨平。然后利用該陣列電極對工件2進行電解蝕除加工。
小深寬比的陣列微細型孔的電化學加工所用的陣列微細電極的制備方法有兩種；相應的，有兩種不同的工藝路線可用。
1.利用線切割成形電極的陣列微細型孔的電化學加工方法，如圖3所示(a)線切割利用線切割工藝制作陣列微細電極，可完成多邊形電極制作，如三角形、正方形及六邊形等。三角形電極陣列的線切割加工需要三次走刀，后兩次走刀依60°和120°旋轉(zhuǎn)分度；正方形電極陣列的加工需要兩次走刀，90°分度；(b)填充絕緣膠及其固化用某種絕緣膠填充陣列電極并固化，用于電極的側(cè)壁絕緣。選擇不同的絕緣膠需采用不同的固化方式，例如PMMA膠，采用烘干固化方式。固化后用機械拋光方法將端面打磨平整，完成陣列微細電極的制作；(c)電解加工利用制作好的陣列電極進行電化學加工。加工過程中選用脈沖電源，并根據(jù)陣列電極的大小和數(shù)量確定加工參數(shù)；利用微動工作臺，使陣列電極端面與工件的上表面之間保持一微小間隙，約20微米左右；加工過程中，電極位置固定，不作縱向進給運動；(d)完成陣列微細型孔的加工。
2、利用光刻電鑄成形電極的陣列微細型孔的電化學加工方法，如圖4所示(a)濺射和甩膠在硅片或其他材料基底的表面濺射一層厚度為800～1000埃的金屬鎳膜，該種子層起到導電和增強光刻膠與硅基底之間的結(jié)合力的作用；在導電基底上用甩膠機甩涂光刻膠，采用SU-8負膠；將光刻膠進行前烘去除溶劑。為使光刻膠層厚度均勻，采用多次甩膠方式，光刻膠厚度根據(jù)所需電極高度確定；(b)光刻根據(jù)陣列微細型孔的截面形狀和尺寸繪制陣列電極的二維圖形，并確定電極的形狀(可為任意形狀)、數(shù)量和位置關(guān)系，繪制掩模板；使用該掩膜板，在紫外曝光機上，采用接觸式紫外光曝光，之后進行后烘；(c)顯影用顯影液顯影。將掩膜板上平面圖形高精度地轉(zhuǎn)化為與電極的形狀和尺寸一致的光刻膠微結(jié)構(gòu)；(d)電鑄和端面磨平在光刻膠的空腔內(nèi)進行鎳電鑄；并將端面磨平，完成陣列微細電極的制作；(e)電解加工利用制作好的陣列電極進行電化學加工。加工過程中選用脈沖電源，并根據(jù)陣列電極的大小和數(shù)量確定加工參數(shù)；利用微動工作臺，使陣列電極端面與工件的上表面之間保持一微小間隙，約20微米左右；加工過程中，電極位置固定，不作縱向進給運動；(f)完成陣列微細型孔的加工。
二、高深寬比的陣列微細型孔的電化學加工，如圖2所示。
根據(jù)所需陣列微細型孔的形狀和尺寸，設計制作陣列微細電極1；每個電極的側(cè)壁和基底上都覆有絕緣薄膜，利用該陣列電極對工件2進行電解蝕除加工。
具體的工藝流程如圖5所示。
(a)陣列電極主體結(jié)構(gòu)的制作采用線切割工藝制作陣列微細電極，或采用光刻電鑄工藝成形后去除光刻膠，得到所需的陣列微細電極的主體結(jié)構(gòu)；(b)沉積絕緣薄膜電極表面沉積絕緣薄膜，采用CVD、LPCVD或PECVD等工藝，在電極和基底表面沉積一層絕緣薄膜層，絕緣層材料可為Si3N4、碳化硅或SiO2等；(c)填充光刻膠，并固化；(d)機械方法磨平端面，并保證電極端部的絕緣薄膜完全去除，使電極端面導電；(e)去除光刻膠，保留電極側(cè)壁和基底種子層上的絕緣薄膜，完成側(cè)壁絕緣的大深寬比陣列微細電極的制作；(f)進行電解加工選用脈沖電源，并根據(jù)陣列電極的大小和數(shù)量確定加工參數(shù)；利用微小間隙檢測裝置實時測量加工間隙，通過微動工作臺維持一微小的加工間隙，約20微米左右；加工過程中，電極沿垂直于工件待加工表面的方向作縱向進給運動，直至完成所需的加工深度；(g)完成高深寬比的陣列微細型孔的加工。
權(quán)利要求
1.一種陣列微細型孔的電化學加工工藝，其特征在于首先根據(jù)所需加工的微細型孔的形狀和尺寸設計制作陣列微細電極，然后利用該陣列微細電極對工件進行電解加工，輔之以脈沖電源和微小間隙電解加工控制，得到所需的陣列微細型孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陣列微細型孔的電化學加工工藝，其特征是，所述陣列微細電極可利用精密電火花線切割加工成形，電極截面形狀為多邊形，包括三角形、四邊形或六邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陣列微細型孔的電化學加工工藝，其特征是，所述陣列微細電極可利用光刻電鑄成形，電極截面形狀由光刻掩膜板設計決定，可為任意形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陣列微細型孔的電化學加工工藝，其特征是，用于加工較小深寬比的陣列微細型孔的陣列微細電極，電極之間有絕緣膠填充，并將端面磨平；其制作方法為利用線切割工藝制作陣列微細電極后，填充絕緣膠固化，端面磨平露出電極端面；或者利用光刻電鑄工藝制作陣列微細電極，由于電極間已有絕緣的光刻膠，因此直接進行端面磨平；由于電極之間充滿絕緣膠質(zhì)，避免了電解蝕除加工過程中電極側(cè)壁的雜散電場，減小了工件的雜散腐蝕效應，提高加工成型精度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陣列微細型孔的電化學加工工藝，其特征是，用于加工大深寬比的陣列微細型孔的陣列微細電極，電極側(cè)壁和基底上覆有絕緣薄膜；其制作方法為首先采用線切割工藝或光刻和電鑄工藝制作無光刻膠填充的陣列微細電極，然后在電極表面沉積絕緣薄膜層，填充光刻膠固化并磨平端面，使電極端面導電，然后去除光刻膠而保留電極側(cè)壁和基底上的絕緣薄膜層；電極側(cè)面的絕緣層避免了電解蝕除加工過程中電極側(cè)壁的雜散電場，減小了工件的雜散腐蝕效應，有利于保證高深寬比的加工成型精度。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于微細加工領(lǐng)域的以微小間隙電解蝕除加工為核心，將光刻和電鑄工藝、精密電火花線切割加工技術(shù)融合的金屬合金材料的陣列微細型孔的電化學加工工藝。其方法是采用線切割或光刻電鑄工藝制作陣列微細電極，對金屬合金材料進行電解蝕除加工。如需加工較小深寬比的陣列微細型孔，所述陣列微細電極之間有絕緣膠填充并將端面磨平；如需加工較大深寬比的陣列微細型孔，所述陣列微細電極之間沒有絕緣膠填充，但電極側(cè)壁上覆有絕緣薄膜。絕緣處理減小了電解加工中雜散電場的不利影響。本發(fā)明利用陣列微細電極的電化學加工工藝，輔之以脈沖電源技術(shù)、微小間隙檢測和控制技術(shù)，為陣列微細型孔提供一尺寸一致性好、具有批量生產(chǎn)特點的制作方法。
文檔編號B23H3/00GK1699006SQ200510073178
公開日2005年11月23日 申請日期2005年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者李勇, 龔姍姍, 陳旭鵬, 彭良強 申請人:清華大學