专利名称：以预成型金属为基材的微电铸铸模及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种以预成型金属为基材的微电铸铸模及其制造方法，特别涉及一种使用焊接材料接合金属基材与金属微结构形成微电铸铸模的以预成型金属为基材的微电铸铸模及其制造方法。
背景技术：
随着科技的进步，微小化是微机电产业的趋势，但必须能大量制作以降低微小化组件产品的制造成本，因而衍生出符合现代产业需求的“微系统技术”。微系统技术中整合集成电路光刻术(Decp X-Ray Lithography)、电化学电铸技术(Micro Electroforming)、精密射出成形(Micro-Injection)及热压成型(Micro-Embossing)的X光深刻精密电铸模造成形(LIGA)制程，是大量生产高深宽比与高精度微组件的最佳方法。标准的LIGA制作过程使用同步辐射X光为光刻源，可制作次微米精度的微结构，而且材料的应用范围广泛，可制造金属及塑料的微结构。这些技术的特点使得LIGA被公认为最具有技术潜力可开发出高深宽比，高精度的二维(2D)及立体(3D)微结构的组件。但因其具有制作过程成本高、程序复杂、制作过程时间长等问题，使得以紫外光、雷射或电浆作为光源的类LIGA(LIGA like)制作过程成为另一种发展趋势。
类LIGA制作过程配合SU-8负型光阻可使用紫外光源即可得到高深宽比微结构，运用紫外光源为光刻源的制作过程称为UV-LIGA制作过程，搭配电铸技术可制作高深宽比的微结构电铸铸模，以微结构电铸铸模作为母模直接运用于塑料射出成形及热压成型，即可制作大量低成本的微小组件。此外，与UV-LIGA制作过程搭配的现有电铸技术多使用硅晶圆为基材，在硅晶圆表面蒸镀金属薄膜(称为种子层Seed layer)使其具有导电性，在硅晶圆表面涂布光阻定义微结构，在硅晶圆与光阻表面进行电铸成型复制微结构，再将硅晶圆与光阻去除即得到电铸成型的铸模，最后进行机械加工尺寸修整。上述微电铸技术必须电铸金属至数毫米的厚度，达到微电铸铸模所需的块材强度(Bulk Strength)，电铸金属的残留应力会随电铸金属厚度增加而增加，造成了微电铸铸模的翘曲变形，而后再进行机械加工也会产生应力使微电铸铸模变形；此变形目前难以控制加上SU-8负型光阻曝光之后形成硬化树脂不容易从电铸铸模之中去除，影响到后续塑料射出成形及热压成型的微小组件的尺寸精度控制成为UV-LIGA制作过程的瓶颈，使得此技术的发展受到限制。
为减少电铸铸模产生的变形问题必须克服的是电铸成型的残留应力，影响电铸铸模镀层残留应力的因素很多，诸如镀液成分、pH值、温度、添加剂、重金属杂质等，这些操作参数实际上都可以在电铸程序中控制管理，运用适当的添加剂可将残留应力调整到较小值。然而，在实际电镀时，许多因素会使局部电流密度发生变化，如微结构几何形状的变化、镀槽设计、电铸铸模结构材质等均会使局部电流密度改变而造成残留应力，进而导致电铸铸模结构变形。还有一减少电铸铸模的残留应力的方法为使用与电铸金属相同的材料取代硅晶圆作为基材(如金属镍)，但此金属基材制作过程其电铸铸模微结构与金属基材之间仅具有机械键结强度，结合性差无法满足作为成型铸模所需强度与重复使用寿命等需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为以预成型金属为基材的微电铸铸模及其制造方法其目的为避免微电铸铸模的翘曲变形；本发明提供一种以焊接材料接合金属基材与电铸金属微结构的方法制作一体成型的微电铸铸模，以避免现有技术容易产生的微电铸铸模跷曲变形的问题，并且于热处理制作过程中使焊接材料接合金属基材与电铸金属微结构，同时烧除硬化的光阻材料，可避免使用光阻去除剂(Stripper)并简化制作过程；并符合塑料射出成型、热压成型及合金压铸成型使用微小组件铸模所需要的高硬度、高强度、高精密度、使用寿命长及耐热冲击性等铸模特性。
为实现上述目的，本发明提供了以预成型金属为基材的微电铸铸模及其制造方法，其制造方法包含在研磨抛光处理的预成形金属基材表面形成一层焊接材料；利用旋转涂布机将光阻涂布在金属基板表面，利用紫外光通过光罩定义光阻的微结构图案，显影之后得到高深宽比的光阻微结构；进行电铸使电铸材料填入光阻微结构之间隙形成金属微结构，再抛光加工金属微结构与光阻微结构的表面，避免光阻微结构去除后加工造成金属微结构的变形；利用摄氏200度至1200度的热处理使焊接材料接合金属基材与电铸的金属微结构形成微电铸铸模并将光阻直接烧除，也可使用溶剂去除光阻。
本发明以预成型金属为基材的微电铸铸模，其包含有一金属基材，金属基材表面经研磨抛光处理，并预先制作完成后续制作过程所需的塑料射出成形机台及热压成形机台所需定位机构或夹持部，金属基材表面覆盖一焊接材料；及一电铸材料，电铸材料在该金属基材表面形成一金属微结构，焊接材料接合电铸材料的金属微结构与金属基材形成一微电铸铸模；金属基材可选择工具钢、镍基合金、钴基合金、铁基合金以及金属铸模材料其中之一，焊接材料可选择硬焊材料或软焊材料，硬焊材料可选择银系合金、铬系合金、镍系合金和铜系合金其中之一；电铸材料形成的金属微结构高度为10μm至1500μm，该微结构图案的深宽比是1至30，电铸材料可选择镍、镍钴合金、镍钨合金以及加入填充颗粒增加硬度的合金材料其中之一。
根据本发明所公开的以预成型金属为基材的微电铸铸模与其制造方法，可在金属基材预先制作微电铸铸模所需的机台定位机构与夹持部，如塑料射出成形、热压成形与金属压铸成形等机台所需的定位机构，减少后续加工动作避免造成微电铸铸模变形；在金属基板形成一光阻材料的微结构图案，并加以电铸在光阻材料的微结构图案间隙填入电铸材料，由于本发明不需完全覆盖光阻材料，仅需填入微结构图案间隙，大幅缩短电铸时间为现有技术所需电铸时间的三分之一；并利用热处理使焊接材料接合金属基材与电铸金属微结构形成微电铸铸模以及将光阻直接烧除，可减少去光阻剂的使用并简化制作过程；金属基材与电铸金属微结构形成的微电铸铸模受内应力产生的跷曲量接近零，而以现有方法制作的微电铸铸模跷曲量约为300μm；本发明金属基材与电铸金属微结构形成的微电铸铸模可重复进行热压成形的次数为10000次，现有方法制作的微电铸铸模约可进行热压3000次；由此可知本发明可运用于制造更高精度组件，并减少使用脱模剂同时提升微电铸铸模的寿命。
为使对本发明的目的、构造特征及其功能有进一步的了解，现配合图标详细说明如下
图1至图4为本发明较佳实施例的制作流程剖面示意图；及图5为本发明实施例以预成型金属为基材的微电铸铸模立体示意图。
其中，附图标记说明如下10--金属基板，20--焊接材料，30--光阻微结构，40--金属微结构。
具体实施例方式
本发明以预成型金属为基材的微电铸铸模与其制造方法，其微电铸铸模是以预成型金属为基材，其金属基材表面经研磨抛光处理，并预先制作完成后续制作过程所需的塑料射出成形机台及热压成形机台所需定位机构或夹持部，利用焊接材料接合金属基材与电铸的金属微结构以形成微电铸铸模。本发明以预成型金属为基材的微电铸铸模，其受内应力产生的跷曲量接近零；并由于后续制作过程所需的定位机构或夹持部已制作完成所以不需要再次加工，可避免微电铸铸模于加工过程中造成变形；因此，本发明以预成型金属为基材的微电铸铸模与其制造方法可应用于需要高精密度的微小组件铸模。
因此，按照本发明的目的，本发明提供一种以预成型金属为基材的微电铸铸模与其制造方法，其制造方法包含以下步骤在预成形金属基材表面覆盖一焊接材料；涂布在一光阻材料金属基材表面的焊接材料层上，使用紫外光通过光罩定义光阻材料图案，再将光阻材料加以显影形成所需的微结构图案；提供一电铸材料，进行电铸使电铸材料填入光阻材料的微结构图案的间隙，使电铸材料与该金属基材形成一微电铸铸模；将微电铸铸模加以热处理，使焊接材料接合电铸材料与金属基材并去除光阻材料。
图1至图4为本发明实施例的制作流程剖面示意图；如图1所示，在预先研磨抛光并以丙酮清洗的金属基材10表面镀上一层焊接材料20。金属基板10选择工具钢、镍基合金、钴基合金、铁基合金以及金属铸模材料其中之一；金属基板10可预先制作塑料射出成形以及热压成形机台所需的定位机构与夹持部。焊接材料20是由电镀法、化学镀法、物理气相蒸镀法、化学气相蒸镀法、喷焊法(Thermal Spray)其中之一方法镀在该金属基板10表面，焊接材料20的厚度为0.1μm(微米)至10μm。此焊接材料20需选择具有扩散接合的功能，并且在热处理时无液相产生以免电铸的金属微结构产生变形；其中该焊接材料20可选择硬焊材料及软焊材料其中之一；如使用硬焊材料则为银系合金、铬系合金、镍系合金和铜系合金其中之一。
图2所示为利用旋转涂布方法在金属基板10表面涂布一层光阻材料，再用紫外光通过光罩定义光阻图形，显影后即可得到高深宽比的光阻微结构30，光阻微结构30的高度为10μm至1500μm，深宽比为1至30，光阻材料为正型光阻材料及负型光阻材料其中之一。图3所示为进行电铸使电铸材料填满光阻微结构30的间隙，形成金属微结构40；其中电铸材料是镍、镍钴合金、镍钨合金以及加入填充颗粒增加硬度合金材料其中之一。电铸后可再进行研磨抛光电铸材料使其高度平整的步骤，避免去光阻后的加工造成微电铸铸模变形。图4所示为进行热处理使焊接材料20接合金属微结构40与金属基板10并同时烧除光阻微结构30以形成微电铸铸模，其中热处理温度在摄氏200度至1200度之间，可让焊接材料焊接金属微结构40与金属基板10两者；热处理方法为真空热处理、大气热处理、通入气氛的热处理其中之一；其光阻材料的光阻微结构30也可使用溶剂去除。
通过上述方法，本发明可制作出具有高硬度、高强度、高精密度、使用寿命长及耐热冲击性等特性铸模，符合塑料射出成型、热压成型及合金压铸成型的微小组件铸模的需要。
图5所示为本发明实施例以预成型金属为基材的微电铸铸模立体示意图，其结构包含有表面经研磨抛光处理的预成型金属基板10，金属基板10表面覆盖焊接材料20；焊接材料20用来接合电铸的金属微结构40与金属基板10形成微电铸铸模。焊接材料以化学扩散及物理熔接其中之一方法接合电铸的金属微结构与金属基材形成一体成形的微电铸铸模。微电铸铸模可使用于塑料射出成形与热压成形以大量制作塑料微小组件以及铝合金、锌合金和镁合金压铸成形以大量制作金属微小组件。
上述结构的材料以及制造方法，都与上述方法以及其方法所使用的材料相同，在此不再赘述。
虽然本发明的实施例公开如上所述，然其并非用以限定本发明，任何熟习相关技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作进一步的更动与润饰，因此本发明所要保护的权利范围应以权利要求书所要求保护的范围为准。
权利要求
1.一种以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于包含有提供一预成型金属基材，该预成型金属基材表面是经研磨抛光处理；在该预成型金属基材表面覆盖一焊接材料；涂布一光阻材料在该焊接材料上；定义该光阻材料形成所需的微结构图案；提供一电铸材料进行电铸，使该电铸材料填入该光阻材料的微结构图案的间隙，使该电铸材料结合该金属基材形成一微电铸铸模；及进行热处理，使该焊接材料接合该电铸材料与该预成型金属基材并同时去除该光阻材料。
2.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该预成型金属基材的材料为为工具钢、镍基合金、钴基合金、铁基合金以及金属铸模材料其中之一。
3.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该预成型金属基材是预先制作完成塑料射出成形机台及热压成形机台所需的一定位机构与一夹持部。
4.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该焊接材料是由电镀法、化学镀法、物理气相蒸镀法、化学气相蒸镀法、喷焊法Thermal Spray其中之一方法沉积于该金属基材表面；且该焊接材料的厚度为0.1微米μm至10微米μm。
5.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该焊接材料为硬焊材料及软焊材料其中之一。
6.如权利要求5所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该硬焊材料为银系合金、铬系合金、镍系合金和铜系合金其中之一。
7.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该光阻材料为正型光阻材料及负型光阻材料其中之一。
8.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该光阻显影后形成的该微结构图案高度为10微米μm至1500微米μm，且该金属微结构深宽比为1至30。
9.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该电铸材料为镍、镍钴合金、镍钨合金以及加入填充颗粒增加硬度的合金材料其中之一。
10.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于还包含一在电铸后研磨抛光该微电铸铸模使其表面平整的步骤。
11.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该光阻材料的去除是利用真空热处理、大气热处理、通入气氛的热处理以及使用溶剂其中之一方法。
12.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该微电铸铸模的热处理为真空热处理、大气热处理、通入气氛的热处理其中之一。
13.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于微电铸铸模的热处理温度为摄氏200度至1200度以利用焊接材料焊接该电铸材料与该预成型金属基材。
14.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该微电铸铸模是用于塑料射出成形与热压成形用来大量制作塑料微小组件。
15.如权利要求1所述以预成型金属为基材的微电铸铸模制造方法，其特征在于该微电铸铸模是用于铝合金、锌合金和镁合金压铸成形用来大量制作金属微小组件。
16.一种以预成型金属为基材的微电铸铸模，其特征在于包含有一预成型金属基材，该金属基材表面经研磨抛光处理，该金属基材表面覆盖一焊接材料；及一电铸材料，该电铸材料在预成型金属基材表面形成一金属微结构，焊接材料接合该电铸材料与预成型金属基材形成一微电铸铸模。
17.如权利要求16所述以预成型金属为基材的微电铸铸模，其特征在于该预成型金属基材的材料为工具钢、镍基合金、钴基合金、铁基合金以及金属铸模材料其中之一。
18.如权利要求16所述以预成型金属为基材的微电铸铸模，其特征在于该焊接材料为硬焊材料及软焊材料其中之一。
19.如权利要求18所述以预成型金属为基材的微电铸铸模，其特征在于该硬焊材料为银系合金、铬系合金、镍系合金和铜系合金其中之一。
20.如权利要求16所述以预成型金属为基材的微电铸铸模，其特征在于该电铸材料形成的金属微结构高度为10微米μm至1500微米μm，且该金属微结构的深宽比为1至30。
21.如权利要求16所述以预成型金属为基材的微电铸铸模，其特征在于该电铸材料为镍、镍钴合金、镍钨合金以及加入填充颗粒增加硬度的合金材料其中之一。
22.如权利要求16所述以预成型金属为基材的微电铸铸模，其特征在于该焊接材料是以化学扩散及物理熔接其中之一方法接合该电铸材料的金属微结构与金属基材形成一微电铸铸模。
23.如权利要求16所述以预成型金属为基材的微电铸铸模，其特征在于该微电铸铸模是用在塑料射出成形与热压成形以大量制作塑料微小组件。
24.如权利要求16所述以预成型金属为基材的微电铸铸模，其特征在于该微电铸铸模是用在铝合金、锌合金和镁合金压铸成形用来大量制作金属微小组件。
全文摘要
本发明是一种以预成型金属为基材的微电铸铸模及其制造方法，使用预成形金属为基材可避免电铸金属残留应力造成的微电铸铸模变形；本发明的制造方法包含有在研磨抛光完成的预成形金属基材表面形成一层焊接材料，并形成高深宽比的光阻微结构在金属基材与焊接材料的表面，再进行电铸使电铸材料填入光阻微结构的间隙形成电铸的金属微结构，利用热处理使焊接材料接合金属基板与金属微结构同时烧除光阻微结构形成微电铸铸模；本发明缩短电铸时间为现有技术所需电铸时间的三分之一，延长微电铸铸模所能重复使用的次数达现有技术的三倍以上。
文档编号C25D1/00GK1506500SQ02155870
公开日2004年6月23日 申请日期2002年12月12日 优先权日2002年12月12日
发明者李裕文, 姚良瑜, 梁兆均, 庄政恩, 吴清沂 申请人:财团法人工业技术研究院