新型微機(jī)械加工為微器件開辟新應(yīng)用領(lǐng)域

硅微機(jī)械加工被認(rèn)為是能創(chuàng)造種類繁多的機(jī)電元件的一種加工手段。雖然硅基的微機(jī)械學(xué)在壓力和加速度傳感器的制造方面取得了巨大的成功，但很多其它類型的器件在實(shí)驗(yàn)室外取得成功卻很有限?，F(xiàn)在人們開發(fā)出了一種新型的微機(jī)械加工工藝，它基于金屬材料而非硅材料，可望制成以前無法制造的新型微器件。EFAB是一種通過金屬電鍍來制造微器件結(jié)構(gòu)的工藝，它可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的微機(jī)械加工無法制作的復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)。
EFAB工藝對(duì)各式各樣的電氣元件的開發(fā)來說極為理想，諸如繼電器、電感器、濾波器、變壓器和連接器等。這些器件用硅微機(jī)械加工很難制造，因?yàn)橐玫綇?fù)雜形狀(線圈和繞組)或者高電導(dǎo)率金屬(銅或金)。特別是對(duì)于RF器件來說，如果制造在硅襯底上將會(huì)出現(xiàn)令人無法接受的寄生損耗。相比之下，EFAB工藝采用了一種自動(dòng)化的多層淀積方法來生成3維微結(jié)構(gòu)，如帶磁芯的繞組與線圈。EFAB工藝可以完成基于高導(dǎo)電性材料(如銅和金)的低損耗器件。此外，EFAB工藝在單臺(tái)完全自動(dòng)化的機(jī)器中即可完成，避開了硅基微制造中通常所需的一系列昂貴的半導(dǎo)體制造設(shè)備。


圖1  EFAB工藝步驟圖解


圖2  EFAB工藝可以在同一襯底上制造類型多樣的、具有復(fù)雜3D形狀的微器件


圖3  EFAB適合于制作種類繁多的微器件，如圖中的高速變壓器。該器件利用CAD數(shù)據(jù)生成，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。軟件自動(dòng)完成整個(gè)制造流程的模擬，無需進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)或開發(fā)


EFAB原理
EFAB工藝以一種自動(dòng)化的電鍍方式形成圖形互相獨(dú)立的多重金屬層。從原理上來說，EFAB與立體光刻等快速原型制作技術(shù)類似，它把多層圖形化的結(jié)構(gòu)疊放起來實(shí)現(xiàn)幾乎任意一種所需的幾何結(jié)構(gòu)。但與立體光刻不同，EFAB是一種批量化加工技術(shù)，適合于大批量制造具有完整功能的器件，而不僅僅是模型和原型機(jī)。另外，EFAB采用工程化材料，而且精度優(yōu)于立體光刻。
EFAB 通過一種稱為 Instant Masking的原位圖形制作方法來定義材料層。Instant Mask由附在陽(yáng)極面表面的圖形化絕緣體(圖1a)構(gòu)成。Instant Masking在襯底上制作圖形的過程較為簡(jiǎn)單：把掩膜貼放到襯底上，用電化淀積在絕緣體孔隙生長(zhǎng)材料，然后從襯底上移開掩膜。結(jié)果，通過單步工藝快速完成了材料的淀積和圖形化(圖1b)。這一工藝比光刻法快得多，一天之內(nèi)可以完成十多個(gè)甚至更多的結(jié)構(gòu)層制作。相比之下，采用硅微機(jī)械加工只有3層結(jié)構(gòu)的器件卻要花費(fèi)8周甚至更多的時(shí)間。
EFAB部件的每一層都由結(jié)構(gòu)材料和保護(hù)材料(sacrificial material)兩者構(gòu)成。EFAB工藝制作的器件暫時(shí)嵌入到一塊保護(hù)材料中，對(duì)結(jié)構(gòu)材料起到臨時(shí)支撐作用。在整個(gè)一層的表面上還可以不受限制地淀積另外的材料。于是，保護(hù)材料的使用就可以消除所有幾何形狀的限制，讓某一層的結(jié)構(gòu)材料懸空在前一層的結(jié)構(gòu)材料之上——甚至從前一層斷開。現(xiàn)在，這種幾何自由度使各種分立的、互連部件組成的 “組件”實(shí)現(xiàn)單片化制造，免除了隨后進(jìn)行焊線或組裝的步驟。
為了制造多層器件，可以用專門軟件根據(jù)所期望的3維幾何結(jié)構(gòu)自動(dòng)的確定各層截面的幾何形狀，生成包括器件特定截面形狀的一層或多層Instant Mask。EFAB工藝由下列步驟組成，每一層都重復(fù)這些步驟。

整個(gè)工藝流程示于圖1中。在圖1a，第一層材料在襯底上形成圖形。在圖1b中，第二層材料以覆蓋式淀積方式疊加到第一層材料上，這樣，在未被第一層材料覆蓋的地方就可以與襯底發(fā)生接觸。隨后，如圖1c所示的那樣，整個(gè)兩層材料組成的結(jié)構(gòu)被施以平面化，以保證精確的厚度和平坦度。對(duì)所有層都重復(fù)這一工藝后，圖1d所示的嵌入多層結(jié)構(gòu)再經(jīng)腐蝕工藝后，就可以得到所期望的器件結(jié)構(gòu)(圖1e)。
EFAB工藝可保證的層厚范圍是4~20mm。傳統(tǒng)的平面化微加工器件由若干層只有幾個(gè)微米厚的薄膜材料構(gòu)成，而在EFAB工藝中，通過多層結(jié)構(gòu)可以制造出尺寸大得多而且更堅(jiān)固的器件。這對(duì)于要產(chǎn)生較大力量的執(zhí)行器應(yīng)用來說特別重要。EFAB可以用任何一種能實(shí)現(xiàn)電化淀積的金屬或合金制作成各種結(jié)構(gòu)，唯一的限制條件是伴隨使用的犧牲金屬材料必須能在各層形成之后被選擇性的腐蝕掉。EFAB器件可以在各種襯底上制作，包括電介質(zhì)襯底，從而形成電隔離的器件。圖2示出在同一次制造流程中，在單個(gè)襯底上制作出的各式各樣的微結(jié)構(gòu)。以硅微機(jī)械技術(shù)加工不同種類的器件的話，則需要采用各種不同的、相互間不兼容的制造工藝。

EFAB的應(yīng)用領(lǐng)域
EFAB適合于制作類型多樣的微器件，特別適合于需要采用復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)電性金屬的應(yīng)用。一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是RF元器件。EFAB可以用于制造高Q值電感、可變電容、濾波器和開關(guān)。采用3D工藝后，微帶傳輸線可以為完全同軸微傳輸線所取代，以改善高頻特性。種類多樣的微同軸器件，如濾波器和分頻器也可以制作出來。另外，EFAB工藝能在低溫下完成，因此適合于這些器件與硅電路的片上集成，使得在單個(gè)芯片上制作出整個(gè)RF系統(tǒng)成為可能。
電磁器件是另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。EFAB可以用于制作磁動(dòng)執(zhí)行器的銅繞組和坡莫合金磁芯，諸如微型螺線管、變壓器、泵和閥等都有可能實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是高密度的電連接器，它的引腳密度極高，用傳統(tǒng)的金屬加工工藝無法實(shí)現(xiàn)(例如間距小于0.5mm)。EFAB技術(shù)則使得幾何精度為mm級(jí)、大小為mm級(jí)的微型連接器制造成為可能。

結(jié)語(yǔ)
EFAB技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了基于3維CAD固體模型對(duì)具有完整功能的、幾乎任意幾何形狀的微器件的制作。對(duì)于硅微機(jī)械加工技術(shù)來說，EFAB在需要采用金屬器件的應(yīng)用方面是良好的互補(bǔ)加工技術(shù)。我們可以預(yù)計(jì)，在硅微機(jī)械加工技術(shù)無法很好發(fā)揮其作用的應(yīng)用中，EFAB工藝將大顯身手，為我們帶來各種各樣新型的微器件。■ 分頻器相關(guān)文章:分頻器原理