微結(jié)構(gòu)與微型零件的微注射成形

摘要：設(shè)計(jì)并制作了微注射成形模具，采用光刻、離子蝕刻工藝相結(jié)合在硅片上制得了微零件型腔、流道及澆口。利用該模具在微型注射機(jī)上進(jìn)行了聚丙烯微注射成形實(shí)驗(yàn)，注射成形了微結(jié)構(gòu)零件及獨(dú)立的微型零件，其中最小微結(jié)構(gòu)部分是直徑50M的微圓柱，最小獨(dú)立的微型零件是直徑300M、厚300M的微圓片。分析了模具溫度、注射壓力及保壓時(shí)間對(duì)微注射成形的影響，其中模具溫度影響最大，注射壓力、保壓時(shí)間的影響次之。0引言隨著微電子、微機(jī)械、微光學(xué)、介入醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，微型零件的需求量不斷增加。微注射成形作為一種微成形工藝，具有制品材料、幾何形狀和尺寸適應(yīng)性好、成本低、效率高，以及可連續(xù)化、自動(dòng)化生產(chǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越受到人們的重視。廣義的微注塑零件可以分為微型零件、微結(jié)構(gòu)零件和微精密零件3類(lèi)。本文對(duì)微型零件及微結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行了微注射成形實(shí)驗(yàn)，分析了模具溫度、注射壓力及保壓時(shí)間對(duì)微注射成形的影響。1實(shí)驗(yàn)方案本實(shí)驗(yàn)制得兩類(lèi)微零件，一是微結(jié)構(gòu)零件，另一種是微型零件。微結(jié)構(gòu)零件的微結(jié)構(gòu)部分是直徑分別為50M、80M、100M、120皿深寬比在3~5之間的微圓柱。微型零件是直徑分別為300Mm、600M、1000M、1500M,厚度約為300M的微圓片。微注射成形模具分為兩大部分：一是模具主體結(jié)構(gòu)，包括調(diào)溫裝置、抽真空結(jié)構(gòu)、基本的模板、導(dǎo)柱等；另一部分是制作微模具鑲塊，即微零件型腔部分，材料為厚400m的硅片，采用光刻與離子蝕刻相結(jié)合的加工工藝進(jìn)行制作。在不同模具溫度、注射壓力、保壓時(shí)間等工藝參數(shù)下進(jìn)行微注射成形實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)材料選用聚丙烯，注射設(shè)備選用Babyplast6/10微注射成形機(jī)。2微模具的設(shè)計(jì)與制作2.1模具主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并制造了一套帶有加熱、冷卻、抽真空結(jié)構(gòu)的微注射成形模具，實(shí)驗(yàn)所使用的Babyplast6/10微注射成形機(jī)自帶模架。微注射成形模具的主體結(jié)構(gòu)與常規(guī)注射成形模具相比，有許多獨(dú)特之處，如：型腔尺寸微小，比表面積增大；熔料流經(jīng)微流道、型腔時(shí)凝結(jié)速度加快，易導(dǎo)致填充不完全，需要高的模具溫度等。普通模具模溫一般設(shè)置在20-50°C,,而微注射成形模具模溫可達(dá)60-180°C。為了滿(mǎn)足高模溫的要求，同時(shí)盡量提高升溫速率，采用電熱棒加熱。熱電偶（鐵/康銅）、電熱棒（6mm）與微注射成形機(jī)內(nèi)部控制軟件組成調(diào)溫系統(tǒng)。如此高的模具溫度，自然冷卻勢(shì)必會(huì)增大生產(chǎn)周期，因此采用多通道水循環(huán)冷卻。微注射成形模具的微型腔多為盲孔結(jié)構(gòu)，并且加工與配合精度很高，依靠傳統(tǒng)的分型面、結(jié)構(gòu)間隙已無(wú)法充分排氣。型腔里的氣體如不能及時(shí)排出，會(huì)造成熱點(diǎn)、充填不足等缺陷，為此設(shè)置了抽真空通路及相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)。另外，由于微零件體積小、質(zhì)量輕、壁薄，其頂出不宜采用常規(guī)的機(jī)械頂出，因而采用吸附裝置來(lái)完成微型零件的脫模。2.2微模具型腔鑲塊的設(shè)計(jì)與制作圖2為微結(jié)構(gòu)零件模具鑲塊的局部結(jié)構(gòu)CAD圖，其微結(jié)構(gòu)型腔直徑為50Mm,深度約250Mm。微結(jié)構(gòu)零件主體結(jié)構(gòu)為常規(guī)尺寸，因此其流道、澆口為常規(guī)尺寸。圖3是微型零件模具鑲塊的局部結(jié)構(gòu)CAD圖，將型腔、流道與澆口置于同一硅片上。其最小型腔直徑為300Mm,厚約300Mm。微型零件是獨(dú)立的微小零件，需要微流道及澆口。該模具采用500Mm*300Mm的矩形流道和30Mm*300Mm*100Mm的矩形澆口。微型腔鑲塊制作工藝如下：①根據(jù)零件CAD圖制作掩模版，在玻璃上鍍一層10nm厚的鉻薄膜，根據(jù)原圖定義出透光與不透光部分；②硅片前處理，通過(guò)脫脂、拋光、酸洗、水洗凈化等方法加工硅表面，提高光刻膠與硅片的黏著力；③蒸鋁，在硅片上蒸鍍一層厚1知左右的金屬鋁薄膜；④甩膠，在附有鋁薄膜的硅片上均勻涂敷一層正性光刻膠；⑤曝光，在涂有光刻膠的硅片上覆蓋掩模版，利用波長(zhǎng)為350m的紫外光透過(guò)掩模版對(duì)光刻膠進(jìn)行選擇性照射；⑥顯影，將曝光后的硅片浸泡于顯影液中，光刻膠被照部分溶于顯影液而除去，得到與掩模版相同的圖形；⑦去膠；⑧ICP刻蝕，利用等離子進(jìn)行深槽刻蝕；⑨去鋁,將鋁保護(hù)膜腐蝕去除，最終制得微型腔鑲塊局部結(jié)構(gòu)。3微注射成形實(shí)驗(yàn)與結(jié)果采用Babyplast6/10微注射成形機(jī)進(jìn)行注射成形實(shí)驗(yàn)。成形機(jī)結(jié)構(gòu)為雙柱塞式塑化室內(nèi)置大量鋼球以提高塑化速率及塑化均勻性。合模力為50kN,最大注射壓力為265MPa,注射柱塞直徑為10mm,最大注射量為4cm。利用本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造的微型模具進(jìn)行微注射成形實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)材料選用聚丙烯安裝模具前對(duì)硅微型腔鑲塊進(jìn)行超聲清洗，去除加工過(guò)程中殘留的污物，尤其是模腔內(nèi)部；再用無(wú)水乙醇清洗硅片并吹干，以免微型模腔內(nèi)殘留水分；不要涂敷脫模劑。以上操作的目的除了防止注塑件被污染外，主要是防止雜質(zhì)進(jìn)入微小型腔造成填充不足。熔融的聚丙烯粘度小、流動(dòng)性好，這是采用聚丙烯的主要原因之一。實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)與常規(guī)注射成形不同之處有：注射壓力較大，模具溫度較高，高的模具溫度需要更長(zhǎng)的加熱、保壓及冷卻時(shí)間；模具需要抽真空來(lái)滿(mǎn)足微小型腔的填充。由于微結(jié)構(gòu)型腔直徑微小，且為盲孔結(jié)構(gòu)，如果注射前不抽真空，熔料充填微小模腔時(shí)空氣被急速壓迫而溫度升高，易導(dǎo)致底部熔料燒蝕，并且微型腔填充不完全。為驗(yàn)證這種燒蝕現(xiàn)象，同時(shí)分析模具溫度、注射壓力對(duì)微注射成形的影響，注射前未進(jìn)行抽真空，并設(shè)定熔料溫度不變，模具溫度與注射壓力變化如表1所示。圖7所示為微結(jié)構(gòu)注塑件。材料聚丙烯，注射熔料溫度220^,模具溫度100°C,注射壓力100MPa，保壓10s,微結(jié)構(gòu)部分為直徑50.4pm、高度約200pm的微圓柱。實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同工藝參數(shù)下最小微圓柱徑向尺寸偏差在-1~0.5pm范圍內(nèi)，微圓柱最大高度小于220pm,高度方向偏差較大。其中模具溫度低于50C時(shí)微圓柱徑向尺寸小于型腔直徑，這是由于熔料在微小型腔內(nèi)快速冷凝，產(chǎn)生的收縮無(wú)法通過(guò)保壓來(lái)彌補(bǔ)。這種模具溫度下微圓柱最大高度約150pm,除了熔料的快速冷凝外，微型腔內(nèi)的殘余空氣是導(dǎo)致填充不足的主要原因。當(dāng)模具溫度在100C左右時(shí)，無(wú)保壓或保壓時(shí)間較短時(shí)微圓柱徑向收縮；當(dāng)保壓時(shí)間大于10s、注射壓力大于100MPa時(shí)，微圓柱脫模后有微小的膨脹，這是由于熔料是在較大的壓力下凝結(jié)的；這種模溫下微圓柱高度在200pm左右，仍沒(méi)有得到完全的填充。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在模具溫度、注射壓力、保壓時(shí)間都較大時(shí)，容易出現(xiàn)脫模困難的現(xiàn)象，其中一個(gè)原因就是上述膨脹現(xiàn)象，另一個(gè)主要原因是微型腔沒(méi)有脫模斜度，因?yàn)長(zhǎng)IGA、準(zhǔn)LIGA、離子蝕刻工藝加工的微型腔垂直度都很好，很難使型腔壁產(chǎn)生斜度。對(duì)微圓柱高度填充情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，如圖8所示。模具溫度對(duì)微圓柱高度影響較大，微圓柱高度隨模具溫度的升高明顯增加。注射壓力對(duì)微圓柱高度的影響受模具溫度的制約當(dāng)模具溫度較低時(shí)（小于50C），微圓柱高度隨注射壓力的增加略有增大；中等模具溫度下（80C）,隨注射壓力的增加微圓柱高度明顯增大；在高模具溫度下（100C）,熔料流動(dòng)性好且凝結(jié)速度較慢，該壓力范圍幾乎都可以達(dá)到極限高度，因此注射壓力對(duì)其影響也很小。圖9所示為微型注塑件。材料為聚丙烯，熔料溫度220C，模具溫度100C，壓力80MPa,塑件為直徑約295pm、厚度約294pm的微圓片，澆口寬30pm。對(duì)最小微圓片徑向尺寸統(tǒng)計(jì)分析知，其尺寸偏差在-10~3pm范圍內(nèi)。其中徑向收縮除了前面提到的原因外，微小的澆口也是一個(gè)主要原因，即冷卻過(guò)程中微小澆口中的熔料較型腔熔料冷凝較快，因此型腔中熔料冷凝收縮后不能得到繼續(xù)填充?？梢酝ㄟ^(guò)提高模具溫度，降低模具冷卻速度來(lái)減小徑向收縮。微圓片模具可以通過(guò)分型面來(lái)排氣，填充完成后型腔內(nèi)無(wú)殘留氣體，因此厚度方向可以得到完全的填充。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)避免前面提到的脫模后的膨脹現(xiàn)象,因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)塑件的微小部分是固定在基片上的，可以通過(guò)頂出基片帶動(dòng)微結(jié)構(gòu)部分脫出，而如果微型圓片與型腔壁間存在較大的壓力，將導(dǎo)致無(wú)法脫模。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模具溫度低于50r時(shí)熔料在微小流道中冷凝過(guò)快，易造成無(wú)法繼續(xù)填充，如圖10所示，靠增加注射壓力是無(wú)法保證微圓片填充完全的。結(jié)論本實(shí)驗(yàn)注射成形了微結(jié)構(gòu)零件及微型零件，通過(guò)分析不同工藝參數(shù)下微圓柱及微圓片的填充情況，發(fā)現(xiàn)模具溫度、注射壓力及保壓時(shí)間是影響微