[发明专利]一种三维微型模具的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及模具制造技术，特别是涉及三维微型模具的制造方法。

背景技术

现有技术将零件外形尺寸特征大小在1μm～10mm之间称为微型零件，随着微型零件的应用越来越广，特别是微机电系统(MEMS)、电子工业等领域的迅速发展，使得微型模具制造和微成形技术成为业界重点研究的对象。

目前微型模具的微细加工技术主要包括电化学微加工、激光加工技术和基于金属或非金属的精密机械加工，如微车削、磨削和铣削加工工艺。电化学等微细特种加工工艺相对复杂，在难切削材料、复杂型面和低刚度材料的模具型腔加工中具有不可替代的优势，但对于三维微型零件模具的加工仍然存在不足之处；激光加工主要包括准分子激光加工和飞秒激光加工，由于其激光聚焦的局限性，加工的微型模具相对深宽比较小；传统的微机械切削加工方法加工三维微小模具型腔，虽然工艺简便实用，不需要太大的投资就可以进行生产，但加工模具型腔尺寸较大、精度较低。

发明内容

本发明提供一种基于硅键合工艺的三维微型模具制造方法，能够制造出微米尺度的三维微型模具，具有精度高，成本低，柔性大的优点。

本发明提供的一种三维微型模具的制造方法，包括以下步骤：

(1)对待制造零件在垂直方向上进行分层，每层厚度为10微米～300微米；

(2)选择数量与待制造零件分层数相同的硅片，在各硅片上分别刻蚀出与待制造零件各层结构相应的图形；

(3)将质量百分比98％的H₂SO₄与质量百分比30％的H₂O₂按照体积比2～4∶1混合，采用此混合溶液对各硅片进行清洗；

(4)对各硅片进行活化；

(5)将活化后的硅片，按层次快速对准贴合；

(6)将贴合好的硅片放入退火炉内进行退火处理得到三维微型模具型腔。

本发明相比现有技术具有如下优点：本发明采用多层硅-硅直接键合方法，无需中介层辅助，键合强度高，可靠性好，而且随着温度升高，键合界面将出现熔融，键合强度进一步增加，因此利用本发明制备的硅模具可以承受较大的压力和较高的温度。同时，通过变换组合具有不同图形的硅片，同一批次硅片能够加工制造出大量形状复杂，高深宽比的三维微型硅模具，厚度方向可达几百微米甚至数毫米，精度高，工艺柔性大，成本低。

附图说明

图1为本发明一实施例制造的模具所针对的零件示意图；

图2为本发明一实施例刻蚀步骤示意图，图2(a)、图2(c)、图2(e)、图2(g)和图2(i)为减薄后的硅片示意图，2(b)、图2(d)、图2(f)、图2(h)和图2(j)为各硅片刻蚀后的截面效果示意图；

图3为本发明一实施例中两块硅片贴合截面效果示意图；

图4为本发明一实施例中制造出的模具截面效果示意图；

图5为本发明另一实施例中制造的模具所针对的零件示意图；

图6为本发明另一实施例中制造的模具截面效果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图进一步说明本发明。

实施例1：

图1示出了本实施例制造的模具所针对的待制造三维微型零件，将该零件在垂直方向上分为5层，选择5块标准硅片，将硅片减薄，图2(a)、图2(c)、图2(e)和图2(g)所示的硅片厚度为100μm，图2(i)所示的硅片厚度为300μm，采用体硅加工工艺在硅片上按顺序刻蚀出零件各层的外观图形，如图2(b)、图2(d)、图2(f)、图2(h)和图2(j)所示，图2(j)的硅片刻蚀有零件最底层的外观形状。

将刻蚀好的待键合样片浸泡到清洗液(H₂SO₄∶H₂O₂＝2∶1)中，在120℃温度条件下清洗20分钟；

将清洗后的硅片浸泡到氨基活化液(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶5)中进行一次活化，样片活化20分钟，反应温度为70℃；

再将硅片浸泡到盐酸基活化液(HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶5)中进行二次活化，样片活化20分钟，反应温度为70℃；

将活化后的硅片吹干后，在室温下按照从上到下的顺序将其迅速贴合在一起，使之发生预键合，图3示出了图2(b)和图2(d)所示的硅片贴合截面效果示意图。