专利名称：一种采用电铸制作低摩擦系数微电子机械模具的方法
技术领域：
本发明属于微电子机械模具制作技术，特别是涉及电铸法制作低摩擦系数复合材料的微电子机械模具。
背景技术：
微电子机械是一种高度集成、高度智能化的尺寸在纳米到毫米量级的机械。现已发展到能够在一个芯片上生产大量微电子机械。在工业、农业、国防、科学技术领域有广泛的应用前景。目前用于制作微电子机械的微细加工技术有多种，但就大规模生产与高度适应性而言，荷兰《微电子工程》(Microelectronic Engineering，Vol 4，1986，pp35-56)报道的德国卡尔斯鲁厄原子核研究中心艾尔菲德(Ehrfeld)教授发明的LIGA(Lithographie，Galvanoformung，Abformung德文光刻，电铸和塑铸)技术被公认为是一种最有前景的三维立体微细加工新方法。利用LIGA技术制作活动微电子机械的步骤一般如下先在导电衬底上涂上光刻胶，利用深度同步辐射光刻制作出光刻胶图形，通过电铸得到金属微电子机械，以金属微电子机械为模具进行注模复制而大批量生产。由此发展的准LIGA技术和激光LIGA技术，分别采用紫外光刻和激光光刻代替LIGA技术中的深度同步辐射光刻。
由于微电子机械尺寸较小，具有较大的高宽比，微电子机械模具和塑铸产品材料表面之间的摩擦力会使脱模难以成功，大大降低了塑铸的效率。降低模具材料的摩擦系数，从而减少模具和产品之间的摩擦力，能够提高脱模的成功率。荷兰《应用表面科学》(Applied Surface Science，Vol.143，1999，pp301-308)曾报道用等离子体的方法在Ni模具上镀类聚四氟膜来减少摩擦力，实验说明能提高模具的脱模次数。日本《微型机器》(Micromachine Vol.13，1995，p16-18)指出，微电子机械的摩擦系数随正压力的减少而增大，不再是常数；只有考虑了表面作用力后，微电子机械摩擦系数才为常数。微电子机械两活动表面间的摩擦力不仅与压力有关，还与表面间的作用力有关，所以要减小微电子机械两表面间摩擦力，必须减小接触的表面作用力。正是由于微电子机械的这一性质，所以荷兰《固态电子学》(Solid-States Electronics Vol.43，1999，pp1079-1083)报道使用脱模剂并不能明显改善脱模效果。针对微电子机械的这一摩擦特性，为了提高脱模成功率，唯一有效的途径是减少微电子机械的摩擦系数和表面作用力。表面作用力与接触面的表面能有密切关系，所以可以通过减小表面能，获得较小的表面作用力，从而减少摩擦力，提高脱模成功率。
发明内容
本发明提出一种采用电铸法制作低摩擦系数复合材料微电子机械模具的制作方法，以解决现有技术尚未解决的塑铸微电子机械脱模成功率低的问题。
这种低摩擦系数复合材料微电子机械模具的制作方法，包括采用常规LIGA、准LIGA或激光LIGA技术的如下步骤(1).在金属基片上制作光刻胶层，通过光刻(深度同步辐射光刻、紫外光刻或激光光刻)制作微电子机械的光刻胶图形；(2).在已制作光刻胶图形的金属基片上进行电铸，形成微电子机械的金属构件；(3).除去光刻胶，得到金属模具；(4).利用热压成型或压铸批量复制微电子机械；其特征是在上述电铸工艺(2)之前，将含微电子机械光刻胶图形的金属基片放入每升电镀液中含5-40g低摩擦系数材料的电镀液中进行电镀；所述低摩擦系数材料可选用聚四氟乙烯(PTFE)或/和碳60(C60)；所述电镀液可从现有常规使用的电镀液中选择。
模具图形侧壁与塑铸产品材料(一般为PMMA或PC)图形侧壁间的摩擦力是影响脱模的主要因素，较大的摩擦力会损伤塑铸产品的图形。在微小尺度下，相互接触的两表面之间的粘着力(各种表面作用力的综合效果)超过惯性力(如重力等)成为表面接触的主要作用力；甚至空气的湿度就会对摩擦力起较大的作用。
微电子机械两表面相对运动时，主要受到表面粘着力引起的摩擦力。这种摩擦力可表示为F＝μH式中F是摩擦力，μ是摩擦系数，H是表面粘着力。通过减小表面粘着力和摩擦系数可以减小摩擦力。
表面粘着力H可以表示为H＝(1.5πγ Kr3)1/2式中γ＝γ1+γ2-γ12，K＝0.75[(1-ν1)/E1+(1-ν2)/E2；其中γ是接触面的表面能，γ1、γ2分别是两表面的表面能，γ12是界面能，K是当量弹性模量，E1、E2、ν1、ν2分别是两表面材料的弹性模量、泊松比，r是接触面的有效半径。可见如果能减小γ，可以获得较小的表面力(上述公式可参见温诗铸《纳米摩擦》130-131页，清华大学出版社，1995)。
如塑铸产品材料为PMMA，那么PMMA的表面能γ1＝0.04mJ/m2，若模具材料是Ni，则γ2＝1.7J/m2，PMMA和Ni的相容性很差，可将γ12视为零。显然如果能减小γ2，将会获得较小的γ，从而减小表面粘着力。
聚四氟乙烯的表面能只有0.018J/m2，在电铸Ni图形时，将适量PTFE加入到Ni的电镀液中，可以获得Ni-PTFE复合镀层，大大减小平均表面能，从而减小表面作用力。
Ni-PTFE复合材料的摩擦系数μ可表示为μ＝α1μ1+(1-α1)μ2μ1、μ2分别是Ni和PTFE的摩擦系数，α1是Ni在Ni-PTFE复合材料表面的百分含量；μ1＝0.40，μ2＝0.04；从上式可知，增加PTFE的含量可以减小摩擦系数。因此，用Ni-PTFE制作模具会大大提高脱模性能。
基于上述分析，本发明提出了在上述电铸工艺(2)之前，将含微电子机械光刻胶图形的金属基片放入含5-40克/升低摩擦系数材料的电镀液中进行电镀的技术方案，所述低摩擦系数材料可选用聚四氟乙烯或/和碳60，所述电镀液可从现有常规使用的电镀液中选择。
本发明在现有LIGA技术基础上，首次将低摩擦系数材料利用电铸的方法嵌入微电子机械的主体材料中，解决了常规固体润滑剂涂抹工艺无法适用于微电子机械的问题；本发明方法工艺简单，有效地解决了由于微电子机械模具与产品之间摩擦力较大而使脱模成功率低的问题；本发明是对现有LIGA技术、准LIGA技术、激光LIGA技术制作活动微电子机械模具方法的完善和拓展。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明低摩擦系数复合材料模具的制作过程作进一步具体说明实施例1.含聚四氟乙烯的以镍为主体材料的微电子机械模具的制作1)微电子机械光刻胶图形的制作在金属基片上甩20μm厚的Su-8光刻胶；以齿轮图形的铬板为掩模，使用365nm波长的紫外光为曝光光源，曝光计量200mJ。本实施例采用湿法显影，显影后，用去离子水洗涤干净，即可在基片上得到负版光刻胶图形。
2)低摩擦系数复合材料金属模具的制作①本实施例选用聚四氟乙烯作为低摩擦系数添加材料。
将30克聚四氟乙烯用润湿剂润湿，加入到1升电镀液中。
将深度光刻后有负版光刻胶图形的金属基片作阴极，电解镍作阳极，放入上述含有低摩擦系数添加材料聚四氟乙烯的电镀液中进行电镀。
电镀液配方为氨基磺酸镍 290克/升氯化镍 25克/升硼酸35克/升聚四氟乙烯 30克/升(电镀液)电镀条件为 PH 4.0温度37℃电流密度2A/dm2当电镀层达到约16μm厚后取出，即得到了低摩擦系数的聚四氟乙烯和镍复合材料的微电子机械(微齿轮)模具。
②将电镀后的金属基片用去离子水洗涤干净，并除去光刻胶。
在其他条件和步骤与上述相同，仅改变电镀液配方中聚四氟乙烯的量分别为5克、10克、20克和40克的情况下，制作含聚四氟乙烯的以镍为主体材料的微电子机械模具，并对所得微电子机械模具作对比试验。
效果检测聚四氟乙烯复合材料的摩擦系数检测采用日本产协和式静动摩擦仪，在500mN载荷下测试不同聚四氟乙烯含量的PTFE-Ni复合材料的摩擦系数。测试结果表明，PTFE的含量为5克/升时，PTFE-Ni的摩擦系数为Ni的4/5；PTFE的含量为10克/升时，PTFE-Ni的摩擦系数为Ni的3/5；PTFE的含量为15克/升时，PTFE-Ni的摩擦系数为Ni的1/2；PTFE的含量为30克/升时，PTFE-Ni的摩擦系数为Ni的9/20。
热压塑铸测试采用德国Jenoptik Nikotechnik，GmgH公司生产的HEX-02型热压注塑机，PMMA为压模材料，齿轮模具的齿尖宽为3μm，高为16μm，高宽比约为5。实验结果表明Ni为模具时，脱模时，不能得到完整齿尖的PMMA齿轮；当PTFE的含量为15克/升时，脱模时，只是PMMA齿轮的齿尖表面受到损伤；当PTFE的含量为30克/升时，脱模时，能得到完整的齿尖的PMMA齿轮。
实施例2.以C60为低摩擦系数添加材料的以镍为主体材料的微电子机械模具的制作1)微电子机械光刻胶图形的制作
在金属基片上甩20μm厚的Su-8光刻胶；以齿轮图形的铬板为掩模，使用365nm波长的紫外光为曝光光源，曝光计量200mJ。本实施例采用湿法显影，显影后，用去离子水洗涤干净，即可在基片上得到负版光刻胶图形。
2)低摩擦系数复合材料微电子机械金属模具的制作①本实施例选用C60作为低摩擦系数添加材料。将30克C60用润湿剂润湿，加入到1升电镀液中。
将深度光刻后有负版光刻胶图形的金属基片作阴极，电解镍作阳极，放入含有低摩擦系数材料C60的电镀液中进行电镀。
电镀液配方为氨基磺酸镍 290克/升氯化镍 25克/升硼酸35克/升碳601％(重量比)电镀条件为 PH 4.0温度37℃电流密度2A/dm2当电镀层达到约16μm厚后取出，这样就得到了低摩擦系数C60-Ni复合材料的微电子机械模具。
②将电镀后的金属基片用去离子水洗涤干净，并除去光刻胶。
效果检测采用日本产协和式静动摩擦仪，在500mN载荷下测试了不同C60含量的C60-Ni复合材料的摩擦系数，测试结果表明，C60的含量为5g/L时，C60-Ni的摩擦系数为Ni的2/3，C60的含量为15g/L时，C60-Ni的摩擦系数为Ni的3/5，C60的含量为30g/L时，C60-Ni的摩擦系数为Ni的1/2。
热压塑铸测试采用德国Jenoptik Nikotechnik，GmgH公司生产的HEX-02型热压注塑机，PMMA为压模材料，齿轮模具的齿尖宽为3μm，高为16μm，高宽比约为5。实验结果表明Ni为模具时，脱模时，不能得到完整齿尖的PMMA齿轮；当C60的含量为15克/升时，脱模时，只是PMMA齿轮的齿尖表面受到损伤；当C60的含量为30克/升时，脱模时，能得到完整的齿尖的PMMA齿轮。
根据微电子机械的摩擦特性及我们的电铸工艺条，同时加入聚四氟乙烯和C60也会得到较好的效果。
权利要求
1.一种低摩擦系数复合材料微电子机械模具的制作方法，包括采用常规LIGA、准LIGA或激光LIGA技术的如下步骤(1).在金属基片上制作光刻胶层，通过光刻(深度同步辐射光刻、紫外光刻或激光光刻)制作微电子机械的光刻胶图形；(2).在已制作光刻胶图形的金属基片上进行电铸，形成微电子机械的金属构件；(3).除去光刻胶，得到金属模具；(4).利用热压成型或压铸批量复制微电子机械；其特征是，在上述电铸工艺(2)之前，将含微电子机械光刻胶图形的金属基片放入每升电镀液中含5-40g低摩擦系数材料的电镀液中进行电镀；所述低摩擦系数材料可选用聚四氟乙烯或/和碳60；所述电镀液可从现有常规使用的电镀液中选择。
全文摘要
本发明低摩擦系数复合材料微电子机械模具制作方法，特征是在常规LIGA技术的电铸工艺前，将含微电子机械光刻胶图形的金属基片放入每升电镀液中含5－40g低摩擦系数材料的电镀液中进行电镀；所述低摩擦系数材料可选用聚四氟乙烯或/和碳60；所用电镀液可从现有常规使用的电镀液中选择。本方法工艺简单，有效地解决了微电子机械的润滑和磨损问题，是对LIGA技术、准LIGA技术、激光LIGA技术制作活动微电子机械的方法的完善和拓展。
文档编号B81B7/02GK1465520SQ0213790
公开日2004年1月7日 申请日期2002年7月5日 优先权日2002年7月5日
发明者田扬超, 刘刚, 张鹏, 田学红 申请人:中国科学技术大学