[发明专利]一种超精密金属机械零部件的加工方法

说明书

本发明公开了一种超精密金属机械零部件的加工方法，通过纳米压印方法制备得到所需的精密金属零件形状的凹形模板；利用凹形模板，通过LIGA工艺制备得到所需精密金属零件。本发明突破零件厚度限制，达到机械加工所无法达到的精度，填补了半导体加工和精密机加工中间从几十微米至毫米级精密加工的空白，零件精细部分一次成型，加工精密度高，可达到几十纳米级别，沿深度方向的直线性和垂直度好，可在加工过程中直接完成零件装配，装配精度高，设备简单，成本低、产能高，可以平行大批量加工。

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，特别涉及一种超精密金属机械零部件的加工方法。

背景技术

毫米级超精密零部件的加工一直是机加工的难题，以加工一个机械手表所需的齿轮为例，要经过精密冲压齿轮体，滚齿，研磨，抛光等多道工序，加工中工件夹持难度大，成本高，质量难控制，一件一件加工产能低。

LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung和Abformung三个词，即光刻、电镀和模具复制的缩写。LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使LIGA技术能够制造出高深宽比，结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。

但是由于LIGA技术需要昂贵的同步辐射光源，所以近几年发展了紫外LIGA技术，即在微米级分辨率前提下，将常规的近紫外光和激光扩展应用到厚层光刻胶的成形，从而大大降低了加工设备的投资。紫外LIGA技术被广泛应用于几微米至几十微米级别的MEMs加工制造中。与X射线LIGA技术相比，紫外LIGA技术设备简单，但是由于紫外光平行度的限制，无法用于生产厚度比较大的结构，无法应用于宏观毫米级精密机械零部件的生产。

X射线LIGA尽管理论上可以制作厚度在毫米级别的零部件，但是在实际生产中，X射线和紫外LIGA都受限于旋涂光刻胶和烘烤过程，厚度超过100微米的光刻胶在烘烤过程中会由于热板不是完全水平而流动，造成整个基片上光刻胶膜厚度不均匀，生产良率下降。除此之外，这两种方式所能选择的光刻胶材料都十分有限，价格昂贵。

因此，半导体微纳制造中的LIGA工艺可以加工微米级别精度的金属零部件，但是受工艺的限制，无法加工厚度在毫米级别的零件，而机械传动中因为强度问题往往需要厚度更大的零件。

纳米压印技术是一种通过模版将图形转移到相应的衬底上的微纳加工技术，转移的媒介通常是一层压印材料，一般为聚合物膜，通过热压或者辐照等方法使其结构硬化从而保留下转移的图形。这种技术突破了传统光刻在特征尺寸减小过程中的难题，具有分辨率高、低成本、高产率的特点。广泛应用于半导体制造、MEMS、生物芯片、生物医学等领域。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种超精密金属机械零部件的加工方法，突破了LIGA技术零件厚度的限制，同时又具有机械加工所无法达到的精度，填补了半导体加工和精密机加工中间从几十微米至毫米级精密加工的空白。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超精密金属机械零部件的加工方法，通过纳米压印方法制备得到所需的精密金属零件形状的凹形模板；利用凹形模板，通过LIGA工艺制备得到所需精密金属零件。

其包括以下步骤：

(1)在压印模版表面制造所需的精密金属零件形状，用作压印模版反复使用；

(2)在基片表面通过镀膜技术沉积一层设定厚度的金属层作为电镀种子层；

(3)在基片上金属电镀种子层表面均匀涂布一层热塑性材料；

(4)将基片表面热塑性材料加热至材料玻璃化温度以上，利用压力将压印模版压印至热塑性材料中，然后将热塑性材料冷却至玻璃化温度以下固化成型；