книги / Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач

Иногда при изготовлении формующего инструмента требуется его механическая до­ работка. В таких случаях применяют комбинацию процессов шлифования, притирки и полирования, эффективно используемых в промышленности полупроводников.

Отделение подложки от слоя резист-металл достигается термомеханпческим спосо­ бом. Чтобы удалить отработанный резист, применяется метод выборочного «сухого»- или «мокрого» травления. Для отделения пластин, полученных в матрицах методом гальвано­ пластики, используется также обработка проволочным электродом ( Wire Electro Discharge Machining — Wire EDM).

9.2 .3 . Технологии индивидуального формообразования

Микрообработка фрезерованием. Микромеханическое фрезерование — процесс непо­ средственной механической обработки заготовок. Особенности данной технологии в ус­ ловиях обработки микрозаготовок связаны с применением специального станочного обо­ рудования и режущего инструмента, адаптированного для очень малого пространства об­ работки. Кроме того, для получения приемлемой точности необходимо, по возможности, исключить деформации режущего инструмента. В практике мшсрофрезерования известны примеры образования канавок в заготовке из полиметилметакрилата (ПМ М А) фрезой диаметром 22 мкм с толщиной стенок между канавками 8 мкм [15]. Все движущиеся эле­ менты монтируются на газовых подшипниках; предусматривается позиционное управле­ ние движением инструмента с обратной связью. При малой подаче и низкой скорости ре­ зания возможно как проявление эффекта прерывистого движения («slip-stick» эффекта), так и приложение значительной ударной нагрузки к режущей кромке инструмента, что может стать причиной его поломки. Поддержание постоянной скорости рабочего стола при малой подаче и низкой скорости резания обеспечивается быстродействующим приво­ дом с обратной связью.

Микрофрезерование используется для ускорения изготовления композитных рент­ генолитографических масок. Маска представляет собой графитовую подложку толщи­ ной 250 мкм, на которую нанесены пленки золота и титана толщиной 8 и 3 мкм соответ­ ственно. Используется также графит, который имеет низкий коэффициент поглощения рентгеновского излучения и хорошую обрабатываемость. Золото действует как первич­ ный поглотитель рентгеновских лучей, но этот слишком вязкий компонент при обработ­ ке дает чрезмерный грат (заусенцы), в то время как при изготовлении верхнего слоя из титана устраняются практически все возникающие при обработке подобные неровности. Показатели фрезерования канавок в пробной рентгенолитографической маске твердо­ сплавной вольфрам-карбидной концевой фрезой с номинальным диаметром 1000 мкм приведены в работе [16]. При номинальных размерах толщ ины стенок 50; 20; 15 и 10 мкм их фактическая толщина после фрезерования маски составила соответственно 50,4; 20,7; 18,4 и 11,1 мкм, а толщина стенок изделия из ПММА, сформированного с по­ мощью маски, была соответственно 48,2; 16,0; 13,6 и 9,6 мкм.

Алмазная микрообработка. Алмазная обработка обычно используется для производ­ ства очень гладких поверхностей с высокоточной геометрией для оптики и многих других целей. Алмаз в качестве инструмента представляет собой суперматериал благодаря его высокой твердости, жесткости, термической стойкости, низкому трению на воздухе и от­ носительной инертности [18].

Посредством данной технологии были получены различные изделия в миниатюрном исполнении [19, 20], включая теплообменники, валы и другие детали. Обработанный ал-

мазным инструментом пал из алюминия диаметром 25 мкм и отношением L/D = 4 имел среднюю высоту микронеровностей менее, чем 0,1 мкм [21].

Микроэлектроэрозиоииая обработка [11]. Электроэрозионная обработка (EDM) — хо­ рошо известная и исследованная прецизионная технология, используемая, в частности, при изготовлении формующего инструмента для литья, прессования, штамповки и тому подобных процессов формообразования. В ее основе лежит процесс эрозии электропрово­ дящего материала заготовки, при котором частицы материала удаляются в результате раз­ ряда высокой энергии между электродом и заготовкой, погруженными в диэлектрическую жидкость. За последние годы характеристики электроэрозиониой обработки были суще­ ственно улучшены, что дало возможность обрабатывать практически любые электропро­ водящие материалы (нержавеющую сталь, титан, твердые сплавы, керамику типа ти­ тан-бор и даже кремний) с допусками в несколько микрометров и шероховатостью по­ верхности R„ до 100 нанометров. Для изготовления указанным методом элементов МЭМС соответствующим образом адаптируется и технологическое оборудование [12].

В качестве электродов при изготовлении детален методом вырезания используются проволочки, обычно из латуни или вольфрама. Самый тонкий серийно применяемый электрод имеет диаметр 30 мкм и позволяет получать электроискровой разрез шириной до 50 мкм и внутренний радиус — до 20 мкм.

Первичный инструмент, с помощью которого обрабатывается электрод, придает заго­ товке соответствующую форму посредством дополнительного вертикального движения инструмента. Дополнительные движения электрода особенно необходимы при обработке микроэлементов. Такой инструмент обычно изготавливают фрезерованием или электроэрозионной обработкой проволочными электродами ( Wire-EDM). В качестве примеров можно привести зубчатую рейку, изготовленную фрезерованием алмазным инструментом, или цилиндрическую заготовку диаметром 1 мм, на которой посредством комбинации го­ ризонтального перемещения и вращения электрода были получены резьбоподобные мик­ роканавки [11]. Цилиндрические электроды для мнкроштампов часто изготавливают не­ посредственно на электроэрозионных станках. Быстровращающийся вал-электрод взаи­ модействует с заготовкой (проволокой или стержнем) из твердого сплава. Таким путем можно получить электроды диаметром до 20 мкм. При вертикальном перемещении элек­ трода перпендикулярно или под углом к поверхности заготовки электрод образует в ней отверстие (электроэрозионное сверление или EDM-drilling), при горизонтальном движе­ нии вращающийся электрод-фреза формирует канавки (электроэрозионное фрезерова­ ние, EDM-milling) (рис. 9.9).

Например, в работе [13] описана технология формирования канавки ши­ риной 40 мкм электроэрозионным фре­ зерованием в твердосплавной заготовке титан-бор. Для получения более слож­ ных пространственных форм применя­ ются комбинированные процессы обра­ ботки по 1/(?Л-технологиям, когда на подложке с высокой точностью взаим­ ного расположения размещаются чер­ новые и чистовые электроды сложной формы (рис. 9.10), посредством кото­ рых в заготовке последовательно фор­ мируются полости необходимой конфи­ гурации [14]. По такой технологии мо-

Лазерная микрообработка использует обычный импульсный лазерный источник на криптоне-фторе с длиной волны 248 нм. Продолжительность импульса — десятые доли наносекунды и частота пульсации — около 2 килогерц или менее. Каждый импульс обра­ зует небольшое термическое повреждение (прижог) и таким образом материал из обраба­ тываемой зоны постепенно удаляется. Обычная средняя мощность лазера — десятые доли милливатта и пик мощности в течение импульса — 1 кВт. Хотя эти величины не кажутся достаточными для обработки, тем не менее, поскольку энергия фокусируется на пятне диаметром, несколько микрометров, возникает поток высокой удельной мощности. Лазе­ ры, используемые в этом виде микрообработки, имеют неравномерное распределение энергии по сечению луча. По этой причине важно сформировать пучок так, чтобы подвер­ гать окончательной фокусировке лишь его центральную часть. Это позволяет получить достаточно высокое качество стенок выжигаемой канавки и более стабильные параметры ее профиля. Используемая оптика имеет малое фокусное расстояние, поэтому важен кон­ троль смещения поверхности заготовки относительно фокуса. В противном случае может быть недостаточна плотность энергии, чтобы выжечь материал, т.к. сходящийся или рас­ ходящийся пучок недостаточно эффективен.

Глубина, на которую материал будет удален лазерным лучом, зависит от интенсивно­ сти импульса, размера пятна, поглощения света материалом, а также температуры и энер­ гии испарения материала заготовки. Типичная глубина резания за один цикл составляет несколько десятых долей микрометра. Поэтому, чтобы удалить объем материала последо­ вательно слой за слоем, требуются большое количество циклов и относительно продолжи­ тельное время. Преимуществом является надлежащий контроль размеров детали и пара­ метров технологического режима.

Обработка сфокусированным ионным пучком. В данном процессе используется энер­ гия пучка ускоренных ионов металла, который «бомбардирует» поверхность обрабатывае­ мой детали. Ионный пучок фокусируется на площади диаметром всего нескольких нано­ метров с высоким уровнем кинетической энергии ионов (50 А /см 2 и более). Процесс предпочтителен для получения микрообрабатывающего инструмента; в частности, он применялся для изготовления ранее упоминавшейся микрофрезы диаметром 22 мкм [17].

Первоначально поверхность заготовки фрезы имеет форму цилиндра. Затем с помо­ щью ионного пучка производится предварительная обработка, посредством которой па­

раллельно продольной оси фрезы формируются две прямоугольные площадки. При даль­ нейшей обработке ионный пучок, направляемый под определенным углом к поверхности площадки, благодаря гауссовскому распределению энергии по его сечению скругляет верхнюю по сечению пучка кромку площадки и заостряет ннжшою, которая используется в качестве режущей кромки. После поворота заготовки на 180° процесс повторяется. Та­ ким образом формируются две режущие кромки микрофрезы.

Когда наклонный пучок «бомбардирует» поверхность заготовки, атомы материала об­ разца проникают в подповерхностный слой, вследствие чего создается кратерный эффект, при этом размеры кратеров могут быть порядка атомных интервалов. Средние микроне­ ровности обрабатываемой поверхности соответствуют этим размерам и их значения со­ ставляют до 10 нанометров и менее. Так как в процессе обработки наклон пучка к поверх­ ности кратера увеличивается, поверхность постепенно становится менее подверженной прямому воздействию пучка, поскольку площадь, обрабатываемая распыляемым пучком, постоянно увеличивается.

Полимеризация лазерным пучком. Фотополимеры могут отверждаться ультрафиоле­ товым излучением. Этот процесс аналогичен общепринятому методу стереолитографии, за исключением меньшего (несколько микрометров) размера пятна обработки; соответст­ венно скорость обработки снижается. Для реализации данного микропроцесса использу­ ется лазер на ксеноне-фторе с длиной волны 351 им. Особенность процесса состоит в том, что после нанесения слоя резиста частично погруженный в жидкий полимер отвержден­ ный материал должен быть расположен таким образом, чтобы поверхность предыдущего нанесенного слоя была ниже поверхности жидкости на несколько микрометров. Реализа­ ция этого требования затрудняется высокой вязкостью и эффектом поверхностного натя­ жения жидкости, а также высокой адгезией полнмеризованпого слоя к покрытой прозрач­ ным слоем пластине, предназначенной для контроля нанесения жидкого слоя.

Методы формования (микролитье под давлением, штамповка, спекание). Массовое производство микромеханнческих систем немыслимо без применения высокопроизводи­ тельных методов формования мнкродеталей, исключающих дополнительную механиче­ скую обработку. К ним относятся литье под давлением, прессование, штамповка и спека­ ние, которые особенно часто используются при тиражировании изделий из пластмасс объемом от нескольких см3 до нескольких м3. В перечень материалов для изготовления микроизделий литьем под давлением входят традиционные конструкционные полимер­ ные материалы, а именно, полиамиды, полнбутнлентерефталат, поликарбонат, полиэти­ лен, полиметилметакрилат, полнокснметилсн, полипропилен, полнсульфон, полифеннленсульфои, полиэфирэфиркетон, полиэфиримид и другие [14]. Аналогично формуются изделия из алюминиевых сплавов. Последние достижения в этой области существенно расширили класс перерабатываемых материалов, включая керамику и нержавеющую сталь [10].

Благодаря высокому качеству обработки формующего инструмента по £/СЛ-техноло- гиям получены новые технологические преимущества при литье под давлением [ 13]. В ча­ стности, гладкие поверхности стенок инструмента, получаемые по Z./G/1-технологням, обеспечивают беспрепятственную выемку литых деталей из формообразующих матриц, что позволяет избежать технологических уклонов.

Как известно, изготовление изделий под давлением может осуществляться как по изотермическому, так и по нензотермпческому циклу. В первом случае обеспечивается короткий цикл длительностью несколько секунд, ио удается тиражировать бездефектные изделия лишь сравнительно простой конструкции в формах с небольшим количеством гнезд, т. к. немногие объемные детали с тонкими стенками можно формовать в много­ гнездных формах с относительно холодными матрицами. Длительность неизотермнческо-

356 Глава 9

го цикла может составить несколько минут. Однако, используя Z./G/1-технологии, можно воспроизводить одновременно большое количество литьевых формующих матриц в про­ цессе изготовления одной партии формующего инструмента. Затем с помощью этих мат­ риц можно одновременно получать большое количество отливок сложных объемных тон­ костенных изделий.

При изготовлении микроконструкцин из керамики — окиси алюминия, окиси цирко­ ния, нитрида кремния и пьезокерамики — обработка ведется в следующем порядке: изго­ товление ленточной заготовки литьем, штамповка полуфабрикатов, удаление связующего и последующая финишная обработка спеканием. Недостатками такой технологии явля­ ются большая усадка и недостаточно высокое качество поверхности — высота микроне­ ровностей достигает нескольких нанометров. Более приемлемой является технология, по которой процесс изготовления начинается с предварительной обработки материала (ли­ тье, штамповка), предшествующей основному процессу, а затем производятся частичный пиролиз и финишный процесс спекания. По такой технологии изготавливаются, напри­ мер, элементы МЭМ С из кремиий-карбонитридных керамик.

Волоконная технология. Сущность стекловолоконной технологии заключается в спекании пучка полых или сплошных стекловолокон, различающихся избирательно­ стью к травлению по отношению к растворителю, вытягивании этого пучка до требуемо­ го поперечного размера, разрезании вытянутой части пучка на куски и вытравливании растворимых волокон. Укладка волокон в пучок осуществляется таким образом, что не­ растворимые волокна образуют в сечении пучка структуру (топологию) изготавливае­ мой микроструктуры в некотором масштабе. Процессы сборки пучка и его вытягивания позволяют изготавливать детали с минимальными поперечными размерами отверстий до 0,2 мкм при высоте (глубине, длине) от 100 мкм до 1 см.

По этой технологии возможно изготовление деталей с винтообразными поверхностя­ ми путем скручивания вытянутого пучка вокруг его оси, характерными для винтов, чер­ вячных и косозубых колес, которые принципиально не могут быть реализованы с помо­ щью IJG/4-технологии.

Технология корпускулярно-лучевого формообразования. В настоящее время суще­ ствуют два направления корпускулярно-лучевого формообразования: локально-стимули­ рованный рост (осаждение или полимеризация) и локально-стимулированное прецизион­ ное травление, в основе которых лежит воздействие на среду или материал концентриро­ ванного потока энергии (световые, электронные, ионные пучки), управляемого во времени и пространстве. Традиционной технологией формирования объемного рисунка в стекле, полимерах, керамике является обработка объекта остросфокусированным лазерным пуч­ ком (лазерное микрофрезерование).

Данный вид воздействия в зависимости от локально выделяемой мощности (105109 Вт/см2), длительности и скважности воздействия, поглощающей способности обра­ батываемого материала и его температуропроводности позволяет осущ ествлять как про­ цессы модифицирования материала, так и его удаления путем испарения.

В последнее время применительно к решению задач формирования трехмерных мик­ рообъектов активно ведутся исследования в области локального стимулированного роста ЗП-структур сложной конфи1урации. Основные направления получения объемных мик­ рообъектов путем лазерной стимуляции:

—лазерное осаждение из газовой фазы (LCVD);

—фотостимулированная полимеризация.

Последний вариант получения объемных микрообъектов из полимеров назван микро­ стереолитографией. Осаждение и полимеризация осуществляются слой за слоем и позво­

ляют получить разнообразные трехмерные объекты размером до нескольких миллимет­ ров с микронным разрешением.

Наряду с лазерным формообразованием возможно применение электронной, ионной и плазменной микрообработкн.

9.3. Изготовление, сборка и испытания зубчатых микромеханизмов

Для получения зубчатых колес и других деталей приводов, описанных в п. 9.1.1, ис­ пользовались в основном процессы обработки по Z./G/1-технологиям.

Зубчатые колеса для механизма типа Wolfrom изготавливали микрогальванопласти­ кой. При изготовлении литьевых форм для многослойных деталей водила пластины, из­ готовленные с применением микротехнологий типа LIGA, укладывают на специальное основание. Для корпуса формируют слой резиста толщиной 2300 мкм и производят его облучение. По такой же технологии изготавливают матрицы для зубчатых колес. Про­ цесс наращивания слоев методом гальванопластики продолжается до тех пор, пока ие будет получена достаточно жесткая плита основания, фиксирующая центральный знак, который образует посадочное отверстие. Как отмечено выше, метод LIGA обеспечивает высокий класс чистоты поверхности стенок формующей полости, что облегчает извлече­ ние отливки из формы при литье под давлением.

Ниже дается описание технологии полнснликоновой поверхностной микрообработ­ ки, используемой при изготовлении микроминиатюрных механических приводов. Она яв­ ляется разновидностью технологии производства МЭМС, базируется на инфраструктуре производства интегральных схем и предназначена преимущественно для изготовления механизмов микроприводов [35]. Основным аргументом в пользу данной технологии яв­ ляется возможность упрощения серийного производства продукции, не требующего поде­ тальной и поузловой сборки. В результате обеспечивается массовый выпуск дешевых, полностью собранных и готовых к эксплуатации электромеханических приводов.

При фотолитографическом способе производства после реализации последней опера­ ции привод с полностью собранными деталями готов к эксплуатации, поскольку удается достаточно точно соблюсти геометрию деталей микронных размеров с соответствующими допусками.

Конструктивно привод, выполненный по данной технологии, содержит добавленные и селективно наращиваемые слои тонких пленок на кремниевой подложке. Таким обра­ зом, N-слойная (N-уровневая) технология определяется количеством накладываемых од­ на на другую силиконовых пленок, включающих обе их разновидности — жертвенные, подвергаемые последующему травлению через маску, и структурные, селективно наращи­ ваемые в нужных местах подложки. Наиболее часто первый слой представляет собой тон­ кую токопроводящую пленку из полисилоксана толщиной около 0,3 мкм, предназначен­ ную для создания электрического контакта. Последующие полнснлоксановые слон (обыч­ но толщиной 0,5-4,0 мкм) являются структурными, из которых изготавливаются детали системы привода. В промежутках между полнснлоксановыми слоями располагаются слон удаляемой при травлении пленки (обычно из диоксида кремния), обеспечивающие зазо­ ры между полисилоксановыми слоями и действующие как матричная фаза, фиксирующая структуру изделия в процессе изготовления.

Таким образом, технология микрообработкн поверхности N-слоя полисилоксана включает в качестве базового типовой процесс, который состоит из повторяющихся цнк-