一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法

本发明属于微纳加工的，尤其涉及一种铜基高深宽比微结构快速低成本微加工制造方法。

背景技术：

1、在微纳加工领域，铜基高深宽比微结构广泛应用于微机电系统(mems)、光学和光子学器件、生物芯片和生物医学器件、能源和环境领域、微纳加工和纳米技术研究等领域。随着技术的进步，对于更复杂、更精密的微结构的需求也在不断增加。

2、中国专利cn1736851a公开一种金属微构件批量加工方法，通过制备模具、微复制技术、微电铸工艺，在高分子聚合物基片上制备所需的金属微构件。具体而言，首先根据待制备微构件的形状制备模具，然后利用模具在高分子聚合物基片上批量压印出高分子聚合物模具接着高分子聚合物表面导电处理，再对表面导电的高分子聚合物模具进行微电铸，再磨平电铸后表面多余金属，最后去除高分子聚合物基片得到所需要的金属微构件。

3、另一种传统的铜基高深宽比微结构的制备方法常用uv-liga工艺(光刻-电镀)，uv-liga工艺具有高分辨率、高精度、可实现复杂的结构设计，以及可适用于多种材料和多层结构的制备的优点，并在微纳制造领域具有广泛的应用前景。

4、然而，现有的工艺存在微电铸时间长和去胶困难等不足，制约它的产业化推广应用。

5、为此，本发明提出了一种快速成型且避免去胶工序的低成本高通量高深宽比微结构铜基部件制备技术。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，以铜粉填充高深宽比柔性微模具结合高深宽比结构电镀实现高深宽比铜基微结构的快速成型；以机械脱模释放金属微结构避免传统uv-liga工艺去胶难题。上述两个方面的突出创新克服了铜基高深宽比微结构规模化应用的主要技术障碍，同时通过大幅度缩短电镀时间，刚性模具多次复制柔性微模具，柔性微模具可以重复利用，大幅度降低工艺成本。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，制备工艺流程主要包括：刚性微模具制备、柔性微模具复制、铜粉填充柔性微模具、填充物电镀一体化成型、铜基微结构与微模具机械分离。

3、在本发明的一个实施例中，

4、步骤1)刚性微模具制备：采用合适的工艺制备刚性的高深宽比微结构模具，其微观结构与目标铜微结构一致；

5、步骤2)柔性微模具复制：采用优选的高弹性柔性材料前驱体注入刚性微模具，通过倒模工艺复制一个与上述刚性微模具结构互补的柔性微模具；

6、步骤3)当柔性微模具不具备导电性时，在铜粉填充柔性微模具之前，完成柔性模具表面金属化加工：采用适当的金属沉积工艺对柔性微模具进行表面金属化加工，使之具有导电性，以方便后续电镀；当柔性微模具备导电性时，则不需要进行柔性模具表面金属化加工；

7、步骤4)铜粉填充柔性微模具：选择颗粒直径小于目标微结构最小尺寸的铜粉填充上述表面金属化柔性微模具的孔洞和缝隙；

8、步骤5)填充物电镀一体化成型：将填充了铜粉的柔性模具放入铜电镀槽中，并连接到阴极，以磷铜作为阳极，对柔性微模具填充物进行内部电镀处理，填充其中的空隙，形成一体化的铜基微结构；

9、步骤6)铜基微结构与柔性微模具机械分离：利用柔性微模具高弹性变形能力，通过机械力使电镀铜微结构与柔性微模具，便可以得到与初始刚性模具结构一致的金属铜微结构；分离后的柔性模具可循环利用以降低成本。

10、在本发明的一个实施例中，所述步骤1中刚性微模具制备可以采用的方法包括但不限于以下几种：uv-liga、liga、深硅刻蚀、激光加工、3d打印、精密机械加工等。

11、在本发明的一个实施例中，所述步骤2中形成柔性微模具的高弹性柔性材料应能够注入微模具中并在其中成型，且具有较高弹性模量、撕裂强度和弹性变形比，以及良好的化学稳定性，包括但不限于以下几种：pdms(聚二甲基硅氧烷)、各种模具硅橡胶、硅胶海绵及各种复合材料等。

12、在本发明的一个实施例中，所述步骤3中能够在柔性微模具表面沉积金属种子层的工艺，包括但不限于：溅射、蒸镀、化学镀等。

13、在本发明的一个实施例中，所述步骤5中的铜电镀液优先选择高深宽比结构铜电镀液，因为高深宽比结构铜电镀液具有优先填充最小间隙的能力，能够使铜粉填充微模具形成的聚集体先一体化，再逐步密实化，同时并不排除使用其它可以填充间隙的成型方法。

14、在本发明的一个实施例中，刚性模具可以多次复制柔性模具，柔性模具具有高弹性且可以重复利用。

15、本发明的铜基高深宽比微结构快速成型制造方法采用铜粉预填充结合高深宽比结构镀铜技术解决了制备铜基高深宽比微结构耗时过长的缺点，大幅度缩短电镀时间，有利于降低成本。

16、本发明的铜基高深宽比微结构快速成型制造方法可以通过机械分离模具与成型体实现目标微结构释放，解决了传统uv-liga工艺去胶的难题，克服了规模化应用的主要障碍。

17、与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

18、1、本发明的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，通过采用铜粉预填充结合高深宽比结构镀铜技术，克服了铜基高深宽比微结构微电铸成型耗时过长的缺点，大幅度缩短加工时间，降低制作时间成本，提高生产效率，且可以通过控制电镀时间和参数调节铜基微结构的机械性能，解决了困扰其规模化应用的主要难题之一。

19、2、本发明的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其中采用成熟工艺制备的刚性微模具可以多次复制柔性微模具，柔性微模具可以重复利用，有利于大幅度降低工艺成本，不受尺寸和形状限制，拥有批量化加工的潜力。

20、3、本发明的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，通过采用高弹性柔性微模具作为金属微结构微电铸复制的工具，可以通过机械力分离模具与复制工件，实现无损伤脱模，回避了传统uv-liga工艺去胶的难题却并不会导致加工精度的损失，突破了规模化应用的关键障碍。

技术特征：

1.一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，

3.如权利要求2所述的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，所述步骤1中刚性微模具制备的方法包括但不限于以下几种：uv-liga、liga、深硅刻蚀、激光加工、3d打印、精密机械加工。

4.如权利要求2所述的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，所述步骤2中形成柔性微模具的高弹性柔性材料包括但不限于以下几种：pdms(聚二甲基硅氧烷)、各种模具硅橡胶、硅胶海绵及各种复合材料。

5.如权利要求2所述的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，所述步骤3中在柔性微模具表面沉积金属种子层的工艺包括但不限于：溅射、蒸镀、化学镀。

6.如权利要求2所述的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，所述步骤5中的铜电镀液为高深宽比结构铜电镀液，使铜粉填充微模具形成的聚集体先一体化，再逐步密实化。

7.如权利要求1所述的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，利用刚性模具多次复制柔性模具，柔性模具具有高弹性且能够重复利用。

8.如权利要求1所述的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，在填充物电镀一体化成型的步骤中，电镀的电流密度在0.5-10a/dm2的范围内。

9.如权利要求1所述的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，在铜粉填充柔性微模具的步骤中，铜粉填充后利用压力机进行震动和压实，确保填充密实，并避免铜粉在电镀液中分散。

10.如权利要求1所述的一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，其特征在于，在填充物电镀一体化成型步骤中，采用辅助措施来提高高深宽比结构电镀液的润湿的均匀性，所述辅助措施包括但不限于使用搅拌装置或超声波辅助电镀，以促进电解液在结构内的流动，帮助电渡液均匀分散和沉积。

技术总结本发明涉及一种铜基高深宽比微结构快速成型制造方法，包括刚性微模具制备、柔性微模具复制、微模具表面金属化加工、铜粉填充柔性微模具、填充物电镀一体化成型、铜基微结构与柔性微模具机械分离等六个工序，可实现铜基高深宽比微结构的批量低成本制造。本发明采用铜粉预填充结合高深宽比结构镀铜技术，解决了传统UV‑LIGA工艺(光刻‑电镀)去胶难题，克服了制备铜基高深宽比微结构耗时过长的缺点，大幅度缩短电镀时间，有利于降低制作时间成本，且可以通过控制电镀时间和参数来精确控制微结构的机械性能。此外，刚性微模具可以多次复制柔性微模具，柔性微模具可以重复利用，进一步降低制造成本。本发明的制造方法不受尺寸和形状限制，拥有批量制造潜力。技术研发人员：王艳,翟鑫梦,丁桂甫,孙云娜,苏少雄受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27