一種基于金屬鎢電極的微細(xì)電火花并行加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)工藝、微細(xì)電火花加工技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一 種金屬鎢電極的制備方法,利用制備出的鎢陣列電極可以實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花并行加工。
【背景技術(shù)】
[0002] 微細(xì)電火花加工技術(shù)(micro-EDM)是將常規(guī)電火花加工工藝微細(xì)化,用于實(shí)現(xiàn)微 細(xì)尺度零件特征加工的特種加工技術(shù)。微細(xì)電火花技術(shù)利用工件和工具電極之間的脈沖性 火花放電,產(chǎn)生瞬間高溫使工件材料局部熔化和汽化,從而達(dá)到蝕除加工的目的。由于加 工具有非接觸,幾乎無切削力,不受材料的強(qiáng)度和硬度限制等特點(diǎn),微細(xì)電火花加工技術(shù)特 另IJ適合高精度、無變形的微小零件特征加工以及硬脆難加工導(dǎo)電材料的微細(xì)加工。因此,微 細(xì)電火花加工技術(shù)已經(jīng)成為微細(xì)制造領(lǐng)域的一個(gè)重要方向,并越來越廣泛的應(yīng)用于航空航 天、電子信息、模具以及光學(xué)和醫(yī)療器械中關(guān)鍵零件的加工。
[0003] 然而,微細(xì)電極的制備一直是制約微細(xì)電火花技術(shù)發(fā)展的重要因素。采用傳統(tǒng) 線電極電火花磨削加工技術(shù)(WEDG),可以制備直徑為5到300 μm的微細(xì)電極。但是,這 種利用單電極的串行加工方式效率很低,在電極的獨(dú)立制備過程中,其一致性難以保證, 因此加工精度非常有限。針對上述問題,人們提出微細(xì)電火花批量加工技術(shù)(Batch mode micro-EDM),其主要特點(diǎn)是利用陣列電極實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花并行加工,提高加工效率。其中, 電火花線切割技術(shù)(WEDM)可以制備方形的陣列電極,但無法實(shí)現(xiàn)任意形狀的電極加工,因 此,該技術(shù)應(yīng)用范圍十分有限。而利用光刻技術(shù)的LIGA工藝,可以制備出任意形狀的陣列 電極,另外,同步輻射X射線的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)高深寬比電鍍結(jié)構(gòu)。電鍍加工的電極以鎳和銅 為主,熔點(diǎn)較低;由于電鍍工藝自身的限制和電場的非均勻分布,電鍍得到的結(jié)構(gòu)其材料特 性相比熱加工的金屬體材料更為疏松,并且難以避免空洞等缺陷。在微細(xì)電火花加工過程 中,電鍍得到的工具電極不僅損耗很大,并且容易發(fā)生形變,嚴(yán)重影響加工精度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 針對以上微細(xì)電火花電極制備技術(shù)的問題,本發(fā)明提出一種基于等離子體深刻蝕 技術(shù)(DRIE)制備金屬鎢電極的微細(xì)電火花加工方法,使用深刻蝕加工的電極由光刻進(jìn)行 圖形化,可以得到任意形狀;電極精度高、批量加工成本低;金屬鎢熔點(diǎn)高、硬度高、加工過 程中損耗很低,電火花加工精度很好。
[0005] 本發(fā)明首先提供一種用于微細(xì)電火花加工的金屬鎢電極,其制備方法如下:
[0006] 1)在鎢基片表面濺射硬掩膜;
[0007] 2)在硬掩膜上涂覆光刻膠,并對光刻膠進(jìn)行曝光和顯影,完成光刻膠的圖形化;
[0008] 3)將光刻膠作為掩膜,對硬掩膜進(jìn)行干法刻蝕,實(shí)現(xiàn)掩膜圖形化的轉(zhuǎn)移;
[0009] 4)去除硬掩膜上的光刻膠,采用等離子體深刻蝕方法(DRIE)進(jìn)行鎢電極或鎢陣 列電極的深刻蝕;
[0010] 5)去除硬掩膜,得到鎢電極或鎢陣列電極。
[0011] 進(jìn)一步地,所述硬掩膜為鋁掩膜,此外也可以采用A1N,Cr,Ni,Cu,Ti等材質(zhì)的硬 掩膜。
[0012] 進(jìn)一步地,所述光刻膠的厚度滿足其對硬掩膜的刻蝕選擇比的要求。
[0013] 進(jìn)一步地,步驟4)所述等離子體深刻蝕方法采用六氟化硫(SF6)作為刻蝕氣 體,鈍化氣體采用,總流量為50~200sccm,鈍化氣體占50% -70%,氣壓 彡25mTorr,RF功率彡40W,ICP功率彡1500W,采用的刻蝕速率約為0. 5~2 μ m/min。
[0014] 本發(fā)明還提供基于金屬鎢電極的微細(xì)電火花并行加工方法,包括如下步驟:
[0015] 1)將待加工的工件固定在微細(xì)電火花加工裝置的工作臺(tái)上,并將該工件浸沒在工 作液中;
[0016] 2)將鎢電極固定在微細(xì)電火花加工裝置的主軸頭上,通過脈沖電源在鎢電極和工 件之間施加脈沖電壓,當(dāng)鎢電極和工件靠近至一定距離時(shí)發(fā)生脈沖放電,進(jìn)而蝕除工件材 料,實(shí)現(xiàn)鎢電極圖形到工件的轉(zhuǎn)移。
[0017] 進(jìn)一步地,所述脈沖電源的參數(shù)為:電壓50~200V,電流I. 0~5. 0A,脈沖寬度 I. 0 ~6· 0 μ s〇
[0018] 進(jìn)一步地,所述鎢電極為單個(gè)鎢電極或者鎢陣列電極。當(dāng)為單個(gè)鎢電極時(shí),電極上 的圖形是陣列的,且可以存在多個(gè)重復(fù)單元,因此也可以實(shí)現(xiàn)并行加工。
[0019] 進(jìn)一步地,對于鎢陣列電極,采用抬刀和沖油的方式,增加工作液的流動(dòng)以及蝕除 產(chǎn)物的排出,提高加工精度。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果如下:
[0021] 1)金屬鎢的熔點(diǎn)達(dá)3422°C,是熔點(diǎn)最高的金屬,其高溫強(qiáng)度在常用金屬中也是最 高的。此外,如表1所示,在常用電極材料中,金屬鎢的抗損耗系數(shù)也是最高的。因此,在微 細(xì)電火花加工中,鎢電極的損耗和形變都很小,是理想的工具電極材料。
[0022] 表1金屬鎢和其他常用電火花電極材料的特性對比
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種金屬鎢電極的制備方法,其特征在于,包括如下步驟: 1) 在鎢基片表面濺射硬掩膜; 2) 在硬掩膜上涂覆光刻膠,并對光刻膠進(jìn)行曝光和顯影,完成光刻膠的圖形化; 3) 將光刻膠作為掩膜,對硬掩膜進(jìn)行干法刻蝕,實(shí)現(xiàn)掩膜圖形化的轉(zhuǎn)移; 4) 去除硬掩膜上的光刻膠,采用等離子體深刻蝕方法進(jìn)行鎢電極或鎢陣列電極的深刻 蝕; 5) 去除硬掩膜,得到鎢電極或鎢陣列電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述硬掩膜為下列材質(zhì)的掩膜中的一種: Al, AIN, Cr, Ni, Cu, Ti〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于:所述光刻膠的厚度滿足其對硬掩膜的刻 蝕選擇比的要求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于:步驟4)所述等離子體深刻蝕方法采用SF6 作為刻蝕氣體,鈍化氣體采用〇1&或C4F8,總流量為50~200sccm,鈍化氣體占50 % -70 %, 氣壓彡25mTorr,RF功率彡40W,ICP功率彡1500W,采用的刻蝕速率為0. 5~2 y m/min。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述方法制備的金屬鎢電極。
6. -種微細(xì)電火花加工裝置,其特征在于,其微細(xì)電極采用權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所 述方法制備的金屬鎢電極。
7. -種采用權(quán)利要求6所述裝置的微細(xì)電火花加工方法,其特征在于,包括如下步驟: 1) 將待加工的工件固定在微細(xì)電火花加工裝置的工作臺(tái)上,并將該工件浸沒在工作液 中; 2) 將鎢電極固定在微細(xì)電火花加工裝置的主軸頭上,通過脈沖電源在鎢電極和工件之 間施加脈沖電壓,當(dāng)鎢電極和工件靠近至一定距離時(shí)發(fā)生脈沖放電,進(jìn)而蝕除工件材料,實(shí) 現(xiàn)鎢電極圖形到工件的轉(zhuǎn)移。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,所述脈沖電源的參數(shù)為:電壓50~200V,電 流I. 0~5. 0A,脈沖寬度L 0~6. 0 y s。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于:所述鎢電極為單個(gè)鎢電極或者鎢陣列電極。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法,其特征在于,采用抬刀和沖油的方式,增加工作液的流 動(dòng)以及蝕除產(chǎn)物的排出,提高加工精度。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于金屬鎢電極的微細(xì)電火花并行加工方法。制備鎢電極時(shí),首先在鎢基片表面濺射硬掩膜;然后在硬掩膜上涂覆光刻膠,并對光刻膠進(jìn)行曝光和顯影,完成光刻膠的圖形化;然后將光刻膠作為掩膜,對硬掩膜進(jìn)行干法刻蝕,實(shí)現(xiàn)掩膜圖形化的轉(zhuǎn)移;然后去除光刻膠,采用等離子體深刻蝕方法進(jìn)行鎢電極或鎢陣列電極的深刻蝕;去除硬掩膜后得到鎢電極或鎢陣列電極。在深刻蝕制備鎢微細(xì)電極基礎(chǔ)上,結(jié)合微細(xì)電火花加工特點(diǎn),本發(fā)明能批量加工微米級(jí)復(fù)雜形狀零件,而且并行批量加工的效率與精度均很高,在微細(xì)加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【IPC分類】B81C1-00
【公開號(hào)】CN104803344
【申請?zhí)枴緾N201510098307
【發(fā)明人】陳兢, 陳獻(xiàn), 宋璐
【申請人】蘇州含光微納科技有限公司
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年3月5日