新型微機械加工為微器件開(kāi)辟新應用領(lǐng)域

硅微機械加工被認為是能創(chuàng )造種類(lèi)繁多的機電元件的一種加工手段。雖然硅基的微機械學(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(lèi)型的器件在實(shí)驗室外取得成功卻很有限?，F在人們開(kāi)發(fā)出了一種新型的微機械加工工藝，它基于金屬材料而非硅材料，可望制成以前無(wú)法制造的新型微器件。EFAB是一種通過(guò)金屬電鍍來(lái)制造微器件結構的工藝，它可以實(shí)現傳統的微機械加工無(wú)法制作的復雜的形狀和結構。
EFAB工藝對各式各樣的電氣元件的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)極為理想，諸如繼電器、電感器、濾波器、變壓器和連接器等。這些器件用硅微機械加工很難制造，因為要用到復雜形狀(線(xiàn)圈和繞組)或者高電導率金屬(銅或金)。特別是對于RF器件來(lái)說(shuō)，如果制造在硅襯底上將會(huì )出現令人無(wú)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(lái)生成3維微結構，如帶磁芯的繞組與線(xiàn)圈。EFAB工藝可以完成基于高導電性材料(如銅和金)的低損耗器件。此外，EFAB工藝在單臺完全自動(dòng)化的機器中即可完成，避開(kāi)了硅基微制造中通常所需的一系列昂貴的半導體制造設備。


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(lèi)型多樣的、具有復雜3D形狀的微器件


圖3  EFAB適合于制作種類(lèi)繁多的微器件，如圖中的高速變壓器。該器件利用CAD數據生成，簡(jiǎn)化了設計過(guò)程。軟件自動(dòng)完成整個(gè)制造流程的模擬，無(wú)需進(jìn)行工藝設計或開(kāi)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立的多重金屬層。從原理上來(lái)說(shuō)，EFAB與立體光刻等快速原型制作技術(shù)類(lèi)似，它把多層圖形化的結構疊放起來(lái)實(shí)現幾乎任意一種所需的幾何結構。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。另外，EFAB采用工程化材料，而且精度優(yōu)于立體光刻。
EFAB 通過(guò)一種稱(chēng)為 Instant Masking的原位圖形制作方法來(lái)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)構成。Instant Masking在襯底上制作圖形的過(guò)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(cháng)材料，然后從襯底上移開(kāi)掩膜。結果，通過(guò)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，一天之內可以完成十多個(gè)甚至更多的結構層制作。相比之下，采用硅微機械加工只有3層結構的器件卻要花費8周甚至更多的時(shí)間。
EFAB部件的每一層都由結構材料和保護材料(sacrificial material)兩者構成。EFAB工藝制作的器件暫時(shí)嵌入到一塊保護材料中，對結構材料起到臨時(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，讓某一層的結構材料懸空在前一層的結構材料之上——甚至從前一層斷開(kāi)?，F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)現單片化制造，免除了隨后進(jìn)行焊線(xiàn)或組裝的步驟。
為了制造多層器件，可以用專(zhuān)門(mén)軟件根據所期望的3維幾何結構自動(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)兩層材料組成的結構被施以平面化，以保證精確的厚度和平坦度。對所有層都重復這一工藝后，圖1d所示的嵌入多層結構再經(jīng)腐蝕工藝后，就可以得到所期望的器件結構(圖1e)。
EFAB工藝可保證的層厚范圍是4~20mm。傳統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成，而在EFAB工藝中，通過(guò)多層結構可以制造出尺寸大得多而且更堅固的器件。這對于要產(chǎn)生較大力量的執行器應用來(lái)說(shuō)特別重要。EFAB可以用任何一種能實(shí)現電化淀積的金屬或合金制作成各種結構，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構。以硅微機械技術(shù)加工不同種類(lèi)的器件的話(huà)，則需要采用各種不同的、相互間不兼容的制造工藝。

EFAB的應用領(lǐng)域
EFAB適合于制作類(lèi)型多樣的微器件，特別適合于需要采用復雜3D結構和高導電性金屬的應用。一個(gè)應用領(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(kāi)關(guān)。采用3D工藝后，微帶傳輸線(xiàn)可以為完全同軸微傳輸線(xiàn)所取代，以改善高頻特性。種類(lèi)多樣的微同軸器件，如濾波器和分頻器也可以制作出來(lái)。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系統成為可能。
電磁器件是另一個(gè)應用領(lǐng)域。EFAB可以用于制作磁動(dòng)執行器的銅繞組和坡莫合金磁芯，諸如微型螺線(xiàn)管、變壓器、泵和閥等都有可能實(shí)現。另一個(gè)應用領(lǐng)域是高密度的電連接器，它的引腳密度極高，用傳統的金屬加工工藝無(wú)法實(shí)現(例如間距小于0.5mm)。EFAB技術(shù)則使得幾何精度為mm級、大小為mm級的微型連接器制造成為可能。

結語(yǔ)
EFAB技術(shù)首次實(shí)現了基于3維CAD固體模型對具有完整功能的、幾乎任意幾何形狀的微器件的制作。對于硅微機械加工技術(shù)來(lái)說(shuō)，EFAB在需要采用金屬器件的應用方面是良好的互補加工技術(shù)。我們可以預計，在硅微機械加工技術(shù)無(wú)法很好發(fā)揮其作用的應用中，EFAB工藝將大顯身手，為我們帶來(lái)各種各樣新型的微器件?！? 分頻器相關(guān)文章:分頻器原理