注塑模具型腔表面陣列微結(jié)構(gòu)的蝕刻技術(shù)

黃紅光　郭鐘寧　楊　權(quán)

1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司，廣州，5114342.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州， 510006

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注塑模具型腔表面陣列微結(jié)構(gòu)的蝕刻技術(shù)

黃紅光1郭鐘寧2楊權(quán)1

1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司，廣州，5114342.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州， 510006

設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的掩模，并通過控制蝕刻液的噴淋壓力進(jìn)行了平滑陣列微結(jié)構(gòu)研究。研究發(fā)現(xiàn)，蝕刻液噴淋壓力對(duì)微結(jié)構(gòu)的加工形貌有顯著影響，蝕刻深度和側(cè)蝕量隨蝕刻液噴淋壓力增大而增大。研究整合了多次加工和控制噴淋壓力的工藝，得到了理想的無棱邊棱角、結(jié)構(gòu)均勻的深度漸變型陣列微凸結(jié)構(gòu)。最終在注塑模具表面上加工出寬度為200 μm、深度約60 μm的無棱邊棱角、過渡平滑的陣列微結(jié)構(gòu)。

化學(xué)蝕刻；表面微陣列結(jié)構(gòu)；蝕刻深度；側(cè)蝕量；二次加工

etching

0　引言

表面陣列微結(jié)構(gòu)[1]是物體表面一種微米級(jí)甚至納米級(jí)的陣列微小結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)往往具有特定的功能作用，如減摩性、光學(xué)性、黏附性、導(dǎo)熱性、疏水性。表面陣列微結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾，而手感柔和細(xì)膩、富有科技感的均勻平滑陣列微結(jié)構(gòu)內(nèi)飾件成為一種更高要求的訴求。帶有表面陣列微結(jié)構(gòu)的汽車內(nèi)飾件是利用帶有微結(jié)構(gòu)的模具注塑而成的，因此在注塑模具型腔表面制作陣列微結(jié)構(gòu)成為工藝的關(guān)鍵。

注塑模具表面微結(jié)構(gòu)廣泛采用化學(xué)蝕刻技術(shù)制造?；瘜W(xué)蝕刻[2]指一種掩模刻蝕技術(shù)，它采用化學(xué)反應(yīng)原理，通過蝕刻液與掩模[3]間裸露的被加工件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、溶解，達(dá)到材料去除的目的?；瘜W(xué)蝕刻加工成本低，效率高，可以迅速形成表面微結(jié)構(gòu)，精度高，無加工應(yīng)力，適合加工高硬度材料[4-5]，因此成為很多學(xué)者的研究對(duì)象。例如，F(xiàn)adaei等[6]發(fā)現(xiàn)蝕刻加工中表面粗糙度和蝕刻深度有密切關(guān)系，蝕刻深度增大的同時(shí)表面粗糙度也隨之增大。Sun等[7]在研究不銹鋼的化學(xué)蝕刻反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，掩模初始尺寸與蝕刻深度成增長(zhǎng)型線性關(guān)系。劉柱方等[8]運(yùn)用約束蝕刻劑層技術(shù)在銅表面加工出三維齒狀微結(jié)構(gòu)。

采用噴淋蝕刻[9]技術(shù)加工注塑模具型腔內(nèi)表面陣列微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，化學(xué)蝕刻在縱向進(jìn)行的同時(shí)在橫向也進(jìn)行蝕刻，“各向同性”[10]成為蝕刻過程中產(chǎn)生側(cè)蝕的主要原因。此外，“水池效應(yīng)”[11](在蝕刻加工的過程中被加工件中心的蝕刻液和雜質(zhì)相對(duì)于邊緣較難排除，造成被蝕刻對(duì)象邊緣材料去除較多，靠近中心區(qū)域材料去除較少)也影響陣列微結(jié)構(gòu)的均勻性。此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)化學(xué)蝕刻加工的表面陣列微結(jié)構(gòu)有鋒利的棱邊、棱角，手感和視覺效果相對(duì)較差[3]。本文針對(duì)加工大面積陣列微結(jié)構(gòu)技術(shù)，探索了噴淋壓力對(duì)蝕刻深度和側(cè)蝕量的影響規(guī)律，并提出了多次加工結(jié)合控制噴淋壓力的方案來解決注塑模具型腔邊緣與底部微結(jié)構(gòu)大小不一致問題，最終得到均勻、平滑的大面積均勻陣列微結(jié)構(gòu)。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

圖1為進(jìn)行陣列微結(jié)構(gòu)蝕刻所采用的蝕刻設(shè)備示意圖。儲(chǔ)液箱中的蝕刻液為FeCl3溶液，蝕刻液的FeCl3和水的質(zhì)量比為1∶4。蝕刻加工時(shí)液壓泵可以提供0～1.5MPa的噴淋壓力，蝕刻液從噴嘴中均勻地噴到被加工件上。蝕刻設(shè)備有較好的密封性，蝕刻設(shè)備的材料具有很好的耐腐蝕性。

圖1　蝕刻設(shè)備示意圖

由圖1所示設(shè)備可以加工出圖2所展示的微形凹坑。微結(jié)構(gòu)蝕刻深度和加工寬度是用OLS4000型激光共聚焦顯微鏡(日本奧林巴斯株式會(huì)社)進(jìn)行測(cè)量的，側(cè)蝕量由下式計(jì)算：

(1)

式中，A為初始掩模間隙；B為加工后的加工寬度；U為側(cè)蝕量。

圖2　微結(jié)構(gòu)局部尺寸示意圖

1.2掩模的設(shè)計(jì)和基本工藝

掩模的制作對(duì)化學(xué)蝕刻的精度有重要的影響，圖3展示了掩模的制作和蝕刻過程：①試驗(yàn)采用菲林制作遮光板，菲林主要成分為AgBr，分辨率為2～3μm，菲林厚4～6μm；②模具鋼的掩模材料為自干型感光抗腐蝕油墨，它是一種UV感光材料；③曝光時(shí)用紫外光照射掩模材料使菲林片未遮掩住的部位發(fā)生光固化，未被UV曝光的掩模容易被堿性物體溶解；④顯影時(shí)用2%～5%NaOH水溶液浸泡30～60s，用清水沖洗被加工件，掩模制作完成；⑤對(duì)附有掩模的模具鋼進(jìn)行蝕刻，材料被去除，直至加工完成。

圖3　掩模蝕刻加工工藝過程

試驗(yàn)材料為德國(guó)撒斯特738預(yù)硬塑膠模具鋼，其化學(xué)成分為：w(C)=0.30%，w(Si)=0.30%，w(Mn)=1.50%，w(Cr)=2.00%，w(Ni)=1.00%，w(Mo)=0.20%，w(P)=0.02%，w(S)=0.003%。經(jīng)硬化及回火至280～350HB, 試驗(yàn)前將模具鋼加工成30mm(直徑)×5mm(高)的圓柱形鋼板，將圓柱形鋼板進(jìn)行掩模處理，掩模形狀如圖4所示。圖中黑色正方形部位為掩模，掩模邊寬度為350μm，相鄰掩模之間裸露的模具鋼是掩模間隙，形成縱橫交錯(cuò)的條形。掩模間隙在刻蝕加工時(shí)被蝕除成微流道，未被蝕除的部分最終形成陣列微凸。

圖4　掩模三維圖

1.3無棱邊陣列加工方法

眾所周知，當(dāng)一個(gè)有棱角的石頭放在流淌的水中，經(jīng)過一段時(shí)間其棱角會(huì)變得不那么尖銳，久而久之成為一個(gè)圓潤(rùn)的鵝卵石。受“鵝卵石”現(xiàn)象啟發(fā)，試驗(yàn)通過將1.2節(jié)所加工的帶有陣列微結(jié)構(gòu)的模具鋼表面的掩模去掉，放在蝕刻機(jī)中進(jìn)行二次蝕刻，以期加工出無棱邊棱角、結(jié)構(gòu)均勻的微結(jié)構(gòu)。

1.4漸變深度陣列加工方法

“水池效應(yīng)”使得模具型腔邊緣的微結(jié)構(gòu)邊緣深底部淺，筆者嘗試用邊緣淺、底部深的漸變深度微結(jié)構(gòu)加工方法來抵消“水池效應(yīng)”對(duì)微結(jié)構(gòu)均勻性的影響，然而漸變深度陣列微結(jié)構(gòu)一直是加工的難題。為此，本文在探索噴淋壓力對(duì)蝕刻深度和側(cè)蝕量影響規(guī)律的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了圖5所示的工藝流程，將控制噴淋壓力和二次加工相結(jié)合進(jìn)行研究。

(1)一次蝕刻加工，即在進(jìn)行蝕刻試驗(yàn)時(shí)，控制

圖5　二次蝕刻加工工藝流程圖

噴淋壓力，即壓力從左到右逐漸增大。這樣以期得到從左至右深度逐漸變深的陣列微結(jié)構(gòu)，側(cè)蝕量也逐漸增大。

(2)二次蝕刻加工，即將一次蝕刻加工的模具鋼去掉掩模，清洗干凈后再放到蝕刻機(jī)中采用同樣的噴淋壓力進(jìn)行蝕刻加工。微結(jié)構(gòu)的棱邊棱角被去除，過渡平滑。

2　試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1噴淋壓力對(duì)蝕刻深度和側(cè)蝕量的影響

在本試驗(yàn)中，以在模具鋼表面加工出過渡平滑、無棱邊棱角的陣列微結(jié)構(gòu)為主要目標(biāo)。蝕刻液的噴淋壓力作為對(duì)蝕刻結(jié)果的重要影響因素被研究。表1為進(jìn)行陣列微結(jié)構(gòu)蝕刻所采用的加工條件。

表1　噴淋壓力對(duì)蝕刻深度和側(cè)蝕量的影響試驗(yàn)條件

在蝕刻加工出的陣列微結(jié)構(gòu)中，以蝕刻深度和側(cè)蝕量為研究目標(biāo)。在同一條件下做四次試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，采用IBMSPSSStatistics19進(jìn)行單因素方差分析，在表3的方差齊次性檢驗(yàn)結(jié)果中蝕刻深度的顯著性為0.206，側(cè)蝕量的顯著性為0.876，全都大于0.05，所以滿足方差齊次的前提條件，認(rèn)為各組的總體方差相等。表4的方差分析中，蝕刻深度和側(cè)蝕量的F值大于F0.01(4.10)，依據(jù)F檢驗(yàn)得出噴淋壓力對(duì)蝕刻深度和側(cè)蝕量具有非常顯著的影響。

表2　不同噴淋壓力下的蝕刻深度和側(cè)蝕量

表3　方差齊次性檢驗(yàn)

表4　方差分析

在圖6中，當(dāng)噴淋壓力小于等于1.0MPa時(shí)，蝕刻深度增大速度隨噴淋壓力的增大而增大，當(dāng)噴淋壓力大于1.0MPa時(shí)，蝕刻深度增大速度隨噴淋壓力的增大而減小。而在圖7中，側(cè)蝕量的增大速度隨噴淋壓力的增大而增大，但是增速越來越平緩。

圖6　噴淋壓力對(duì)蝕刻深度的影響

圖7　噴淋壓力對(duì)側(cè)蝕量的影響

噴淋壓力越大，蝕刻液的物理沖刷力越大，有利于蝕刻反應(yīng)產(chǎn)物排除，同時(shí)促使蝕刻液的更新，及時(shí)而新鮮的蝕刻液供給使蝕刻反應(yīng)充分而高效。蝕刻反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，蝕刻反應(yīng)越劇烈，反應(yīng)熱越多，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量加劇了分子間的活躍程度，有利于蝕刻反應(yīng)。因此蝕刻深度隨噴淋壓力的增大而增大，McClean[12]在銅的蝕刻研究中得到了相似的結(jié)論。然而，隨著噴淋壓力的持續(xù)增大，蝕刻液更新速度持續(xù)增大，蝕刻液在被加工件表面的駐留時(shí)間縮短，蝕刻反應(yīng)的有效時(shí)間縮短，不利于蝕刻反應(yīng)的充分進(jìn)行，這與Takechi等[13]研究噴淋壓力對(duì)硅的蝕刻反應(yīng)速率影響的發(fā)現(xiàn)相似。因此蝕刻深度增大量減小?！八匦?yīng)”是加大側(cè)蝕量的重要原因，過大的噴淋壓力下蝕刻速率到達(dá)極限，巨大的物理沖刷力減小了“水池效應(yīng)”，因此側(cè)蝕量增大趨于緩慢。圖8所示是在噴淋壓力為0.2MPa下加工的方形陣列微凸結(jié)構(gòu)，微凸高32μm，相鄰微凸結(jié)構(gòu)間寬200μm。圖9所示是在噴淋壓力為1.0MPa下加工的方形陣列微凸結(jié)構(gòu)，微凸高141μm，相鄰微凸結(jié)構(gòu)間寬283μm。

圖8　0.2 MPa噴淋壓力下在模具鋼表面加工的陣列微結(jié)構(gòu)

圖9　1.0 MPa噴淋壓力下在模具鋼表面加工的陣列微結(jié)構(gòu)

2.2無棱邊、棱角陣列微結(jié)構(gòu)制造

將圖8和圖9的陣列微結(jié)構(gòu)按照1.3節(jié)的方式進(jìn)一步試驗(yàn)，噴淋壓力仍然分別為0.2MPa和1.0MPa，蝕刻時(shí)間為2min。試驗(yàn)結(jié)果如圖10和圖11所示，從圖10中可以看出微結(jié)構(gòu)深度較淺，圖11顯示微結(jié)構(gòu)深度較深，然而它們都展示出無棱邊棱角、過渡平滑、結(jié)構(gòu)均勻的特征。這證明了本文的設(shè)計(jì)構(gòu)想。

圖10　0.2 MPa噴淋壓力下二次蝕刻加工的陣列微結(jié)構(gòu)

圖11　1.0 MPa噴淋壓力下二次蝕刻加工的陣列微結(jié)構(gòu)

2.3漸變深度陣列微結(jié)構(gòu)制造

按照1.4節(jié)所設(shè)計(jì)的加工工藝，將形如圖8和圖9的陣列微結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。加工基本條件為表1中的加工參數(shù)，其中一次加工的加工時(shí)間為4min，二次加工的加工時(shí)間為2min。在兩次加工中，噴淋壓力從左到右依次保持為0.2MPa，0.6MPa，1.0MPa，1.4MPa。在738模具鋼上加工出圖12所示的變深度陣列微凸結(jié)構(gòu)。圖12b為圖12a的橫截面掃描圖。如圖12b所示，隨著噴淋壓力自左到右逐漸增大，微結(jié)構(gòu)深度從左至右逐漸加深，最左側(cè)深度為25μm，最右側(cè)深度為85μm。觀察圖12a可知，陣列微凸無棱角棱邊、微結(jié)構(gòu)間過渡平滑。因此本文的設(shè)計(jì)成功地解決了漸變深度微結(jié)構(gòu)問題。

(a)變深度陣列微結(jié)構(gòu)形貌圖

(b)變深度陣列微結(jié)構(gòu)界面曲線圖12　蝕刻加工的變深度陣列微結(jié)構(gòu)

2.4注塑模具陣列微結(jié)構(gòu)制造

通過大量試驗(yàn)研究和規(guī)律分析，在模具鋼表面(包括曲面、轉(zhuǎn)角處)制作出了圖13所示的黏附度高、尺寸規(guī)則的掩模。采用兩次蝕刻加工的方式在注塑模具型腔內(nèi)部加工出了大面積微結(jié)構(gòu)。蝕刻加工條件如表1所示，其中一次加工時(shí)間為4min，二次加工時(shí)間為2min。由于“水池效應(yīng)”，在噴淋壓力均勻一致的情況下，型腔邊緣曲面和轉(zhuǎn)角面蝕刻速率較快，因此蝕刻深度和側(cè)蝕量較模具型腔底面大。為得到型腔曲面和型腔底部均勻一致的微結(jié)構(gòu)，采用變深度加工工藝，即在模具型腔邊緣采用較小的噴淋壓力，由邊緣到模具型腔中心噴淋壓力逐步增大，進(jìn)而增強(qiáng)型腔底部“水池”的液體流動(dòng)性，克服蝕刻中的“水池效應(yīng)”，使得模具型腔邊緣曲面微結(jié)構(gòu)和型腔底面微結(jié)構(gòu)大小一致、均勻平滑。加工結(jié)果如圖14所示，微結(jié)構(gòu)呈“山丘”狀，“山丘”高60μm，相鄰兩“山丘”頂部相距500μm。

圖13　注塑模具表面的掩模

圖14　蝕刻方法在注塑模具表面加工的大面積陣列微結(jié)構(gòu)

3　結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)的陣列方形掩模及尺寸有利于得到大面積陣列微凸結(jié)構(gòu)。

(2)噴淋壓力對(duì)微結(jié)構(gòu)的蝕刻深度和側(cè)蝕量有顯著影響。蝕刻深度和側(cè)蝕量隨蝕刻液噴淋壓力增大而增大。

(3)一次蝕刻加工的陣列微結(jié)構(gòu)有明顯的棱角棱邊，將去掉掩模的陣列微結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次蝕刻可以有效地去除棱角棱邊，并且微結(jié)構(gòu)間過渡平滑。控制噴淋壓力大小，經(jīng)過二次蝕刻技術(shù)可以得到無棱邊棱角的漸變深度陣列微結(jié)構(gòu)。

(4)本文在80mm×60mm的注塑型腔表面成功加工出介觀尺寸為500μm的陣列微凸結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)過渡平滑、結(jié)構(gòu)均勻。

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(編輯王艷麗)

EtchingMicromachiningofMicro-structureArraysonInjectionMoldCavitySurface

HuangHongguang1GuoZhongning2YangQuan1

1.GuangzhouAutomoibleGroupCo.,Ltd.,Guangzhou,511434 2.GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou,510006

Asimplemaskwasdesigned，andsmoothrallymicro-structurewasresearched.Itisfoundthatspraypressureisofsignificantinfluencesonthemicro-structurefeature，theetchingdepthandundercutwillincreaseperunittimewhenspaypressureisgrowing.Differentprocessingmethodwithcontrolledspaypressurewasintegratedtomachinerallymicro-structure，suchassmoothrallymicrosalientandgradualdepthrallymicro-structure.Finally，alargerallysmoothmicro-structurewithdiameterof200μm，depthof60μmwasmachined.

chemicaletching;rallysurfacemicro-structure;etchingdepth;undercut;secondary

2015-07-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1134003)

TH16

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.17.014

黃紅光，男，1985年生。廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院工程師。研究方向?yàn)槟＞呒庸?。發(fā)表論文10余篇。郭鐘寧，男，1965年生。廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。楊權(quán)，男，1969年生。廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院工程師。