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透红外硫系玻璃微压印工艺的仿真研究

2021-06-07 来源:易榕旅网
第33卷第2期 2011年4月 光学仪器 Vo1.33,No.2 April,2011 oPTICAL INSTRUMENTS 文章编号:1005—5630(2011)02—0083—06 透红外硫系玻璃微压印工艺的仿真研究 * 沈萍,刘卫国 710032) (西安工业大学微光电系统研究所,陕西西安摘要:为了获得更好的微压印工艺填充效果,利用有限元方法研究模压工艺的主要参数压印温 度、压印力和压印时间对压印效果的影响,并对工艺参数进行优化;对压印过程中不同的模具结 构的应力分布进行了研究。仿真结果表明,工艺参数优化为480℃,30N,1800s后,模具的填充 率达到97.2 ;对不同的模具结构,有相同的应力分布区域,在模具拐角处会有应力的高度集 中,与模具接触区域的应力相对较高,模具腔体区应力最低。 关键词:硫系玻璃;微压印;填充率;应力松弛 中图分类号:TN 405;TP 202文献标识码:A doi:10.3969/j.issrL 1005—5630.2011.02.018 Simulation study on micro-molding process of infrared chalcogenide glass SHEN Ping,LJL,Weiguo (Institute of Micro-opto-electrical Systems,Xi an Technological University,Xi an 710032,China) Abstract:In order to acquire a better filling effect of micro—molding process,the method of finite element analysis is used to study the effect of molding temperature,molding force and time on molding process,and the process parameters are optimised;stress distribution of different mold structures are also been studied.Simulation results showed that the mold S filling ratio will achieve 97.2 if we choose the optimised process parameter(480℃,30N, 1800s).For different mold structures the area of stress distribution is the same.The stress will highly concentrated at the corner of the molds.The stress will relatively increase at the contact area between molds and substrates.The stress va1ue in the molds cavitv is the lowest. Key words:chalcogenide glass;micro-molding;filling rate;stress relaxation 引 言 硫系玻璃,即元素周期表中第六主族的硫、硒、碲三元素为主要成分的玻璃,除硫系单质本身或硫系 单质之间相互结合组成玻璃外,硫系元素还与As、Ge、P、Sb、Ga、A1、Si等元素构造成两组分或多组分玻 璃 川。硫系玻璃的红外吸收极限波长超过氧化物玻璃,而且随着硫系玻璃中硫系单质原子量的增大,其 红外极限波长向更长的方向移动。 硫系玻璃因其较宽的透明窗口,高光学非线性和可掺杂稀土离子的能力,因而是作为构建光子集成 收稿日期:2010-10-20 基金项目:兵器预研基金资助项目(62301110705) 作者简介:沈萍(1986一),女,浙江湖州人,硕士研究生,主要从事模压工艺方面的研究。 ・84・ 光学仪器 第33卷 电路的一种良好材料[2]。当前制造硫系玻璃波导的方法包括湿法刻蚀,反应离子刻蚀,飞秒激光直写等, 另外,模压技术作为一种新型的工艺也可以用来加工硫系玻璃。 模压技术也即热压印,是华裔科学家美国普林斯顿大学的周郁在1995年提出的_2]。该技术一经提 出就受到了极大地关注。目前,热压印技术已广泛地应用于微流控芯片,光导纤维和微光学元件等的制 造,不仅制造工艺简单,精度高,而且可用于微器件的大批量生产,但是要全面代替传统的光刻技术还需 解决一些重要的问题。 在硫系玻璃微压印工艺的研究中,国内外的学者都进行了大量的实验研究,制造工艺和设备都得到 了改进。Pan W J等人r3]对硫系玻璃进行精密模压,实验发现随着压强的增大和真空环境的使用,压印结 构的质量得到改善。利用经过优化的压印条件,第一次在硫系玻璃表面获得亚微米级结构特征。Curatu G等人[4]为了节省广角热成像探测器的成本,采用模压硫系玻璃的方法制备探测器镜头。将模压出的非 球面硫系玻璃透镜与一片抛光后的球面锗透镜结合以代替衍射表面来矫正色差,大大减小了制造成本。 Seddon A B[5]等人将硫系玻璃的精密模压作为新型的光子集成电路制造方法进行研究,压印结果说明了 微米级和亚微米级的特征结构都有很好的保真度,热压印可作为生产高分辨力的光学元件以及低成本大 批量的集成电路。 微压印的效果评价比较容易实现,但是对压印过程的实验研究却很困难,模压工艺的理论分析相对 来说还很少。近年来,对模压工艺的理论研究也越来越受到人们的重视,利用有限元软件对模压工艺进 行仿真,可以得到很多实验中无法获得的结果。Zhou T F等人[6]对超精密透镜模压工艺中光学玻璃的粘 弹性进行研究,基于实验中获得的热机械和粘弹性参数,建立了玻璃模压工艺的有限元模型,使得应力/ 应变分布可视化,并可以预测玻璃中的残余应力。 Jain A[7]对玻璃的精密模压进行了实验研究和有限 元仿真,对模压过程中玻璃的流变特性和应力分布 进行了研究。利用有限元软件对模压工艺进行仿 真,不仅可以避免重复耗时的实验,还可以获得实 验中无法得到的结果,例如压印过程中的应力分 表1 PRONY级数参数 Tab.1 Parameters of PR0NY series 相对模量 相对时间 lO2.23 18.087 602 布,压印材料的流动形貌等l8 。 文中利用实验测得的硫系玻璃的热机械属性 对硫系玻璃的模压工艺进行仿真研究,研究了工艺 参数对模压工艺的影响。 表2 wLF方程的参数 Tab.2 Parameters of WLF equations 1工艺参数对模压工艺的影响 热压印工艺中,温度、压力和压印时间是决定 压印实验的三个最主要的工艺参数。以往对工艺 参数的研究都是基于反复试验的方法,不仅效率 低,还很难获得准确的实验结果。采用有限元仿真 可以直观简便的研究工艺参数的影响,仿真结果的 正确性依赖于所建立的模型。采用梅特勒公司生 对称 对称 产的热机械分析仪(TMA/SDTA840)对红外玻璃 (Ge3sAs Sess)的热机械特性进行了测试,进而获 得硫系玻璃的粘弹性模型的参数,采用有限元软件 ANSYS建立了硫系玻璃粘弹性材料模型。表1和 表2为实验数据拟合出的PRONY级数参数和 WLF方程的参数。 仿真所采用的模型如图1所示。 固定 固定 图1模压工艺的几何模型 Fig.1 The geometric model established 第2期 沈萍,等:透红外硫系玻璃微压印工艺的仿真研究 ・85. 图1中H 是模具沟道高,W 是模具沟道宽,H 是衬底的高,w 是衬底的宽。边界条件设置为,左右 对称,底部固定无滑移。模压过程中,对模具和衬底加热至一定的温度后,施加一个均布的压力,使衬底 发生变形,衬底材料流入模具沟道内。建模过程中,采用映射网格划分法,将衬底的单元边长设置为 0.02/ ̄m,并划分网格。 1.1温度对模压工艺的影响 为了研究温度对模压工艺的影响,建立如图1所示的几何模型,其中沟道高H 为1.5/2m,宽 1 m,衬底高2 m,宽2 m,选取模板和衬底的厚度均为2era。对其施加20N的集中力。 是 图2为不同压印温度下填充率随时间的变化图。随着压印温度的不断升高,模具腔体的填充率也随 之增大,且随着压印时间的增大,填充率的增加有趋缓的趋势。图3所示为相同的压印力(20N)和压印时 间(30min)下,模具的填充率随压印温度的变化。由图3,随着温度由450 ̄C逐渐增加,填充率也不断上 升,当温度达到480℃后,其填充率的增加趋势变得平缓。图4所示为相同的压印力(20N)和压印时间 (30rain)不同的压印温度下玻璃对模具腔体的填充形貌。 图2不同压印温度下填充率随时间的变化 图3填充率随压印温度的变化 Fig.2 The filling ratio change with time of Fig.3 The filling ratio change with different different molding temperatures molding temperatures (a)450℃ (b)460℃ (c)470℃ (d)480℃ 图4不同的压印温度下模具腔体的填充情况 Fig.4 Mold cavity s filling effect in different molding temperatures 1.2压印力对模压工艺的影响 图5为不同压印力下填充率随时间的变化图。随着压印力的不断升高,模具腔体的填充率也随之增 大,且随着压印时问的增大,填充率的增加有趋缓的趋势。图6为相同的压印温度(470 ̄C)和压印时间 (30min)下模具填充率随压印力的变化。由图6,随着压印力由10N逐渐增加,填充率也不断上升,当温 度达到40N后,其填充率的增加趋势变得平缓。图7所示为相同的压印温度(470 ̄C)和压印时间(30min) 不同的压印力下玻璃对模具腔体的填充形貌。 1.3压印时间对模压工艺的影响 由图2和图5可以看出,随着压印时间的增加,模具的填充率也不断增加,且随着压印时间增大到 ・ 86 ・ 光学仪器 第33卷 1500。后,填充率的增加有趋缓的趋势,压印至1800s填充率几乎没有增加。压印时间过长会直接导致工 艺周期变长,综合图2和图5的结果,选择压印时间1800s。 图5不同压印力下填充率随时间的变化 图6填充率随压印力的变化 Fig.5 The filling ratio change with time of Fig.6 The filling ratio change with different different forces molding forces (a)100s (c)15OOs 图8优化工艺参数后的压印结果 Fig.8 Molding result of optimum process parameters 第2期 沈萍,等:透红外硫系玻璃微压印工艺的仿真研究 ・87・ 2不同模具结构的压印特性 应用热压印工艺,可以压印多种不同截面形状的结构,例如台阶形,三角形,梯形和矩形沟道。对硫 系玻璃的微压印工艺进行仿真研究,可以得到实验中无法获得的应力分布。由图9可看出,不同的模具 形状,在压印的过程中都会有三个应力分布区。1区即模具拐点处及附近,此处的应力最为集中,在脱模 的过程中,1区由于应力过渡集中,很容易造成模板的损坏。2区即模具直接压印的区域,此区域由于直 接受到模板的挤压,使得底下的材料被挤压流人模具沟道,因而也会有应力的相对集中。3区为模具腔体 部分,由于没有受到模板的直接挤压,因而此区域的应力最小,在压印过程中也会伴随有明显的应力松弛 现象。 ■■■●■■IllIl■■I■l■I \\ (a)台阶形 (a)Level (b)三角形 (b)Triangle (c)梯形 (c)Trapezoid L (d)矩形 (d)Rectangle 图9不l司的模具结构f=材料的填充特性 Fig.9 Filling characteristics in different molding shape 此外,对于不同结构的模具,模具的顶点部分是最难填充的。若要获得更高的填充率,需要提高工艺 参数指标。但是温度过高,使得聚合物成为流动状态,使得压印效果无法控制;压印力过高会导致模板破 裂,影响模具的使用寿命;压印时间在到达一定程度后,填充率几乎没有进一步的提高。因而模压工艺存 在模具腔体填充不完全的问题,需要通过优化工艺参数,在真空下压印,选择不同材料的模具等措施,尽 量使得填充率得到提高,以满足使用需求。 3脱模过程中的应力变化 微压印的最后一步是降温降压脱模阶段,在脱模的过程中,会有因模具和玻璃材料的热膨胀系数不 同而引入的应力以及由于温度差而引入的热应力,另外还有模具的脱模角引入的机械应力等。这里只考 虑热应力的情况。温度的降低和压印力的卸载,使得材料中的应力集中区域会发生变化,使得应力高度 集中的1区向模具拐角移动的地方转移,这说明与模具边墙接触的区域会有应力的突变,因而很容易发 生材料的断裂或损坏。此外,在整个脱模过程中,会有明显的应力松弛现象。 0 104 j 0_ 72— i09 _33 i09 OA94 10 0 413×10 0.655×10 0 736×10 0 0 871×10 0 259×10’0431×10 0 602×10 0 774×1 o9 0 910×10。0 252×10 0 575×10。(a)脱模前 (a)Before demolding (b)脱模过程中 (b)During the demolding 图1O脱模过程中的应力变化 Fig.10 Stress change during the demolding process ・88 ・ 光学仪器 第33卷 4结论 文中采用有限元方法对硫系玻璃的模压工艺进行模拟,对影响聚合物填充过程的因素进行分析。 (1)通过对模压实验的仿真分析,分析了三个主要参数模压温度、压印力和压印时间对模压工艺的影 响,获得最佳工艺参数。 (2)在整个模压过程中都有应力松弛现象的发生,对压印过程中不同的模具结构的应力分布进行了 研究,获得了压印过程中模具内部的应力集中状态。 (3)在降温降压脱模的过程中,衬底材料中的应力高度集中区会向着模具移动方向转移,整个脱模过 程也会有明显的应力松弛现象。 为了进行更好的仿真研究,模型还应分析降温、脱模过程,留待今后的继续研究。 参考文献: [1] 张振远,凌根华.硫系玻璃红外光纤[J].玻璃纤维,2005(1):l4—18. 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