微米、纳米级制造技术介绍

微尺寸制造，是现代制造业的最重要的一种方式。从电子半导体，到生物医疗，再到航空航天工业，企业正在使用更小、更精密的组件。制造方法必须适应这些组件的精密生产和成本效益。传统制造方法可能无法在这种规格尺寸上进行加工，但微制造方法不但尺寸精密，而且产能高效，并且质量可靠。更重要的还是节省材料，成本优势巨大。

所谓的微观制造，主要是指制造微小尺寸的零件。这些类型的微加工技术常用制造电子和机械元件，再用这些元件来创建微观、或高精度组件。

通常，被认为是微型部件，最终产品的尺寸需要在10毫米以下，公差在0.1到1微米的范围以内，甚至几个纳米。微观制造生产工艺因所讨论的产品而异，下面就详细列举讨论一些常见的微观制造方法：

蚀刻法，是常用的减材制造方法，可以在基材内创建三维立体结构。蚀刻法通过有干法或湿法两种工艺，用来在硅片上加工出所需的结构形状。

湿法蚀刻使用化学溶剂来实现这一点，而干法蚀刻使用等离子体从所需区域去除材料。通过光刻技术在晶圆表面添加掩膜，以防止不需要加工的位置被蚀刻，然后蚀刻化学剂从未受保护的部分去除材料。这种生产方法的主要优点是它非常便宜，并且最适合创建具有简单几何形状的微结构。

沉积法是在基板材料上再附加材料的过程。通常是通过沉积一系列的涂层来完成，可以再使用蚀刻法对沉积层进行修改。在一般的表面微加工过程中，首先添加一个遮蔽层，使用蚀刻工艺进行雕刻，然后在其上添加一个功能层，然后去除遮蔽层，从而在产品表面产生所需的功能结构。这种工艺过程较为昂贵，但它的材料损耗低，尺寸小，结构均匀性好。

以上两种方法主要用于制造芯片或一些电子元件，大多情况是两种方法配合使用，以制造出非常复杂的微观结构。

模具成型是一种用于多种材料的工艺过程，包括塑料、玻璃和金属等，将基材模塑成所需的形状。这种制造方法通常将液态材料注射到模具中，在模腔内凝固形成一个固体零件。微成型将这一概念转化为更小的尺度，允许创建尺寸或厚度为毫米、微米级的复杂物体。这些微小尺寸的制造，需要使用专用的材料来进行。这种微成型技术在电子和医疗行业被广泛应用。

传统的电弧焊是对工件施加电脉冲，熔化材料进行熔接。微焊接使用相同原理，用较低的电流，在更精确的水平上实现类似的结果。另外，使用激光的微焊技术，被更加广泛使用。

微焊接也被称为精密焊接，它使用非常薄的材料和严格的公差，通常焊接要求低于一微米。这也是一个很容易自动化的过程，并且可以做到非常高的精度和一致性。微焊接通常用于生产电子元件，也用于生产医疗植入器材和航空航天元件。

数控加工在整个制造业中普遍用于在宏观尺度，生产复杂的几何形状。数控工加同样可以加工出微观尺度，同样可以达到微观的公差，使用塑料或金属材料加工出微观复杂的结构形状。机械加工通常包括铣削、车削、磨削等，在做微观尺度加工时，需要专门的数控设备，这些加工的精度同样能够达到1微米以内的精度，甚至0.1微米，几十纳米的精度，都是可以用机加工的方法达到的。精微加工常用于生产医疗和航空航天部件，特别是复杂部件。

增材工艺包括在基材上添加更多材料的任何过程。沉积是制造中最常见的增材工艺之一，在微制造中非常有用。激光金属沉积特别受欢迎，将金属粉末熔化到基材上，形成具有控制尺寸的牢固结合涂层。这种方法可以用堆叠层来改变零件的形状和尺寸。这种方法需要的能量较低，不需要切削液，不产生灰尘，并且非常快速，高效，变形也很小。

微制造概念的核心思想是，小型化操作可以在有限的空间和材料下实现高吞吐量，这样做可以为制造商和消费者带来更多方便和利益。微观制造工艺更能满足当今工业市场的加工需求。因为微制造方法的具有以下的几点好处：

微制造工艺可以生产特征尺寸小于0.1毫米的零件，仅比人类头发略厚（发丝直径为60至80微米）。并且能在这种小尺寸加工中保证高水平的精度。这对于精度要求高的电子、医疗和航空航天应用至关重要。

小尺寸产品的生产时间通常更短。这意味着更快地周转时间，更低的成本和更高的客户满意度。

微观制造正在成为制造业的一大趋势，并且仍有很大的发展空间，技术也有待完善。随着微技术的不断发展和对使用该技术的产品需求的增加，微制造技术将继续发展和提高。

微制造操作可以生产难以置信的微小产品，而且产生质量高，成本低，这些好处将继续增长。随着时间的推移，特别是随着世界越来越多地转向微技术，企业将通过采用微制造技术获得更大的投资回报。

审核编辑：黄飞