大面積金屬網(wǎng)板模具的制造＊

杜立群，肖海濤，張 希，溫義奎，于 洋，關(guān)發(fā)龍，鐘 波

（1.大連理工大學(xué)，精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連116024；2.大連理工大學(xué)，遼寧省微納米及系統(tǒng)重點實驗室，遼寧大連116024；3.江蘇博睿光電有限公司，江蘇南京 211103）

1 引言

作為精密成型的核心部件之一，金屬微細網(wǎng)板結(jié)構(gòu)不僅可用于注射成型用金屬模具，還可應(yīng)用于電子通訊、化工生產(chǎn)及航空航天等諸多領(lǐng)域，如電磁屏蔽中的網(wǎng)柵、精細過濾網(wǎng)篩、印花鎳網(wǎng)及發(fā)動機進風(fēng)口格柵等[1～3]。隨著金屬微細網(wǎng)板需求量不斷擴大，對其加工方法的研究也備受關(guān)注。

目前金屬微細網(wǎng)板的加工方法主要有機械加工、微細電火花加工、激光加工、電解加工以及UV-LIGA工藝。機械加工制造金屬微細網(wǎng)板結(jié)構(gòu)的方法主要包括鉆削加工和沖壓加工。彎艷玲等利用高速鉆削的方法在鋁合金表面制造了一款孔徑為200μm的群孔陣列結(jié)構(gòu)[4]。這種方法雖然加工效率高，但是存在加工精度低、表面質(zhì)量差等問題，難以制造高精度微細網(wǎng)板結(jié)構(gòu)。孫超等利用微細電火花加工技術(shù)在鈦合金板上制備了一款孔數(shù)大于2,000、網(wǎng)絲壁厚為400～500μm的網(wǎng)板結(jié)構(gòu)[5]。該方法可有效制備大面積金屬網(wǎng)板結(jié)構(gòu)且加工精度較高，但是存在電極損耗快、加工效率偏低等缺點，并且由于微細群電極制造困難，限制了其在加工小網(wǎng)絲壁厚網(wǎng)板方面的應(yīng)用。婁德元等利用納秒激光技術(shù)在100μm厚的鋁板上制造了一款含有3萬個微孔的網(wǎng)板結(jié)構(gòu)[6]。這種方法雖然不受加工材料和網(wǎng)孔形狀的限制，但是存在加工精度低、加工表面存在微裂紋等問題，限制了其在高精度、高性能網(wǎng)板結(jié)構(gòu)制備方面的應(yīng)用。鄭鑫等采用活動掩膜電解加工的方法制備了一款大孔徑鈦合金網(wǎng)板結(jié)構(gòu)[7]。這種方法具有無應(yīng)力、高效率等優(yōu)點，但是由于側(cè)向腐蝕和電流分布不均的影響導(dǎo)致了網(wǎng)絲側(cè)壁垂直度差、孔形一致性低等問題。周峰等采用UV-LIGA工藝在直徑為φ50mm的圓形基底上制造了厚度為120μm、深寬比為4、開孔率為88%的鎳網(wǎng)板結(jié)構(gòu)[8]，制得的網(wǎng)板結(jié)構(gòu)網(wǎng)絲側(cè)壁垂直度高、表面質(zhì)量好。該方法具有加工精度高、可加工異形孔和高深寬比結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，非常適合于高精密微細網(wǎng)板結(jié)構(gòu)的制造。

雖然UV-LIGA工藝在制造微細金屬網(wǎng)板結(jié)構(gòu)方面具有獨特優(yōu)勢，但是過大的鑄層殘余應(yīng)力是UVLIGA技術(shù)制備大面積、大厚度微金屬網(wǎng)板結(jié)構(gòu)的瓶頸問題。鑄層殘余應(yīng)力過大會導(dǎo)致網(wǎng)板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)翹曲變形、分層等問題，嚴重影響金屬網(wǎng)板的形狀精度和使用性能。本文制造的微細網(wǎng)板的總體尺寸為60×60mm×300μm、深寬比為6、開孔率達93%，具有大面積、大厚度、開孔率高等特點。在制造過程中，為降低大面積鑄層中的殘余應(yīng)力，本文采用了兆聲輔助微電鑄的方法。

2 網(wǎng)板的制造流程

利用兆聲輔助微電鑄方法制造大面積、大厚度金屬微細網(wǎng)板的制造過程如圖1所示，其主要制造步驟包括基板的預(yù)處理、三次膠膜制造、微電鑄、去膠處理等。

2.1 基板的預(yù)處理

本文制造的金屬網(wǎng)板總體尺寸為60×60mm×300 μm，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。結(jié)合網(wǎng)板尺寸，選用尺寸為70×70×3mm的不銹鋼片作為基板。基板的預(yù)處理包括對基板進行研磨、拋光、清洗和烘干。首先使用研磨機對基板進行研磨、拋光，然后依次用丙酮、酒精超聲清洗10min，再用去離子水沖洗干凈后放入120℃電熱鼓風(fēng)烘箱內(nèi)烘干備用。

圖1 大面積網(wǎng)板的制造流程

圖2 網(wǎng)板尺寸圖

2.2 微結(jié)構(gòu)制造

（1）第一層SU-8膠膜制造。

使用臺式勻膠機旋涂第一層SU-8膠膠膜，膠膜厚度為120μm。采用階梯升溫的方式進行前烘以去除光刻膠中的大部分溶劑，之后用紫外光刻機對膠膜進行曝光，曝光劑量為425mJ/cm2。曝光后放在85℃熱板上烘干使膠膜充分交聯(lián)，之后用SU-8顯影液去除未曝光的光刻膠。

（2）精密微電鑄。

微電鑄環(huán)節(jié)是整個網(wǎng)板制造的關(guān)鍵，它直接影響到網(wǎng)板鑄層的殘余應(yīng)力大小。網(wǎng)板電鑄采用的設(shè)備是自行研制的ME-1000型兆聲微電鑄機，如圖3所示。其兆聲頻率為1MHz，功率調(diào)節(jié)范圍為0～200W。電鑄時首先將顯影后的基板和電鑄機的陰極背板相連接，之后將陰極浸入電鑄液中，電鑄過程施加雙側(cè)交替兆聲作用，如圖4所示，兆聲功率密度為2 W/cm2，電鑄液溫度為50℃，鑄液PH值為4～4.3，電鑄后采用人工研磨的方式對鑄層進行平坦化處理。

圖3 ME1000型兆聲微電鑄設(shè)備

圖4 兆聲施加方式示意圖

（3）第二、三層制造。

第二、三層的制造工藝同第一層，制造完成后鑄層總高度為300μm。

2.3 去膠釋放

利用加熱的光刻膠腐蝕液去除基板上的膠膜，再用去離子水將腐蝕液沖洗干凈，最終得到的網(wǎng)板結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 去膠后網(wǎng)板圖片

3 問題與討論

3.1 鑄層殘余應(yīng)力問題

由于本文制造的網(wǎng)板結(jié)構(gòu)面積大、厚度高。為了降低網(wǎng)板電鑄層中的殘余應(yīng)力，本文采取以下兩種措施：

（1）兆聲輔助微電鑄。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)：利用聲頻率為1MHz的兆聲波產(chǎn)生的聲流作用和穩(wěn)態(tài)空化作用能夠有效地降低電鑄層中的殘余應(yīng)力。并且在兆聲功率密度為2W/cm2時，電鑄層中的殘余應(yīng)力可減小60%[9]。為此，在電鑄過程中，本文通過施加功率為2W/cm2的雙側(cè)交替兆聲振動，獲得了去膠釋放后表面平整、無翹曲變形的精細網(wǎng)板結(jié)構(gòu)。

（2）添加應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)。如圖6所示，本文在電鑄面積較大的網(wǎng)板邊框處添加了橢圓形和鉚釘形應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明：添加應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)不僅能夠顯著降低電鑄層中的殘余應(yīng)力，還能夠優(yōu)化電鑄面積進而提高電鑄層的均勻性。

圖6 添加應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的網(wǎng)板圖

3.2 電鑄鎳析氫問題

在電鑄鎳的過程中不可避免的會有氫氣的析出，而且網(wǎng)板結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絲寬度僅為50μm，膠膜結(jié)構(gòu)的深寬比較大，因此析出的氫氣容易長時間吸附在鑄層表面難以排出。吸附在鑄層表面的氫氣會誘發(fā)針孔、氫脆等電鑄層的缺陷問題（見圖7），嚴重地影響了網(wǎng)板結(jié)構(gòu)的性能。本文采取以下兩種辦法來解決網(wǎng)板結(jié)構(gòu)的電鑄析氫問題。

（1）兆聲輔助電鑄。兆聲的聲流作用會對陰極附近的鑄液產(chǎn)生極強的擾動，加快陰極表面電鑄液的流動，促進陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣及時排出，從而避免產(chǎn)生針孔等缺陷。本文在電鑄時施加功率密度為2W/cm2的兆聲作用，電鑄后鑄層未出現(xiàn)針孔缺陷（見圖8）。

圖7 未施加兆聲鑄層出現(xiàn)針孔缺陷

圖8 施加兆聲后鑄層完好

（2）陰極攪拌。在電鑄過程中配合陰極攪拌，攪拌速率為40次/min，陰極攪拌不僅能夠有效促進電鑄過程中氫氣的排出，還可以避免電流密度分布不均。實驗結(jié)果表明：鑄層在施加陰極攪拌和鑄液循環(huán)后鑄層質(zhì)量有較大改善，未出現(xiàn)針孔等缺陷。

4 結(jié)束語

本文采用UV-LIGA工藝制造了一款大面積、大厚度的金屬鎳微細網(wǎng)板模具，該網(wǎng)板厚度為300μm、總體長寬為60×60mm、深寬比為6、開孔率高達93%。在電鑄過程中，為避免電鑄層中殘余應(yīng)力過大引起網(wǎng)板變形、分層等問題，本文采用兆聲輔助微電鑄的方法取得了良好的效果，去膠釋放后微細網(wǎng)板結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)翹曲變形的問題，滿足使用要求。本文研究表明：兆聲輔助微電鑄方法是制造大面積、大厚度、低應(yīng)力金屬微器件的一種有效方法。