玻璃微加工工艺：MEMS 零件的 7 个步骤

• 1
  要点速览
• 2
  玻璃在微尺度下为何表现不同
• 3
  先选玻璃牌号，再选刀具
• 4
  CNC 在玻璃上能保证什么、不能保证什么
• 5
  装夹与工件夹持决定结果
• 6
  分步执行：玻璃微加工工艺
• 7
  玻璃微加工工艺对比

玻璃通过脆性断裂去除材料，而非塑性流动。在铝上表现良好的硬质合金刀具，用同样的进给加工硼硅玻璃就会崩边。裂纹会先于切削刃扩展，因此损伤区比可见切屑更宽。这是选择玻璃微加工工艺前首先要接受的一点。

当特征尺寸小于 1 mm 时，边缘状况决定一切。300 μm 壁上的 50 μm 崩边就是 17% 的材料损失。实践中这意味着要规划刀路，让刀具从开放空间退出，绝不切入已加工壁面。

热膨胀低但不为零。硼硅玻璃约为 3.3 × 10⁻⁶ /°C，熔融石英约为 0.55 × 10⁻⁶ /°C。干切产生的局部升温仍可能在尖角处引发裂纹。大流量切削液使切削区接近室温，并稳定实测尺寸。

厚度会改变规则。1 mm 晶圆像薄膜一样，在夹紧力下会弯曲。6 mm 板则像刚体。夹紧压力、支撑间距和进给都会随这一差异而变化。

• 1
  脆性断裂材料以碎屑和微裂纹形式去除，而不是连续切屑。
• 2
  边缘优先思维设计刀路时让刀具从零件外退出，而不是切入壁面。
• 3
  厚度是变量薄晶圆需要更低的夹紧力和更细的走刀。

硼硅玻璃（Borofloat 33、Pyrex 7740）是微流控和 MEMS 封装的主力材料。它适合阳极键合，加工性能可预测，成本低于熔融石英。对于 100–800 μm 范围内的大多数通道和过孔，它是合适的起点。

熔融石英具有更好的光学透过率和低得多的热膨胀系数。它更硬、磨蚀性更强，因此刀具寿命下降，应预留更多走刀次数。当零件要经历高温工序或深紫外光照射时选用它。

钠钙玻璃便宜且易采购，但含有可移动离子。这使其不适用于许多电学和生物 MEMS 器件。对于离子迁移无关紧要的结构垫片和盖板，它没有问题。

刀具归结为三种选择。PCD（聚晶金刚石）立铣刀在长批量生产中保持刃口最久。金刚石涂层硬质合金是原型和小批量生产的低成本折中方案。整体硬质合金仅适用于极短批量或边缘质量不关键的粗加工。

• 1
  硼硅玻璃微流控通道和阳极键合的默认选择。
• 2
  熔融石英用于光学和高温零件；刀具磨损更快。
• 3
  钠钙玻璃用于垫片和盖板经济实惠，不适用于离子敏感器件。

深宽比是第一限制。CNC 铣削可较好地加工深宽比约 3:1 的通道和槽。超过 5:1 后，刀具偏摆和排屑都会变差，壁面开始崩边。如果设计需要 10:1，应改用刻蚀或激光。

内角不能比刀具半径更尖。200 μm 立铣刀会留下 100 μm 的圆角。工程师常在 CAD 中画尖锐的 90 度角，然后疑惑零件为何检验不合格。应在设计阶段增加清角或接受该圆角。

通孔遵循同样的规则。1 mm 板上的 300 μm 孔深宽比为 3.3:1，可用金刚石钻头加工。同一板上的 100 μm 孔为 10:1，会折断钻头。这类孔应使用超声加工或激光钻孔。

表面粗糙度可以实现，但并非免费。Ra 0.8–1.6 μm 是常规铣削结果。Ra 0.2–0.8 μm 需要用锋利金刚石刀具并降低进给进行精加工走刀。低于 Ra 0.2 μm 时，抛光或刻蚀通常是更好的路线。

• 1
  深宽比保持在 3:1 以下精心装夹下可达 5:1；超过则应更换工艺。
• 2
  圆角半径等于刀具半径用清角设计代替对抗物理规律。
• 3
  明确表面粗糙度目标Ra 0.8–1.6 μm 为标准；更细需要专门的精加工走刀。

玻璃不能承受点载荷。一颗硬质压紧螺钉就会引发裂纹，而裂纹要到三道工序之后才显现。使用 POM 等软质垫板或蜡装夹，并用橡胶或 PTFE 垫片把夹紧力分散到较大面积上。

对于 1 mm 以下的薄晶圆，在多孔平板上真空吸附是最干净的方式。它能把零件平整吸住，边缘不受应力。每次运行前检查吸盘面的平面度；10 μm 的凸起就会成为裂纹起始点。

蜡装夹适合形状不规则的零件。蜡必须涂布均匀并缓慢冷却。夹带的气泡会形成高点，刀具会先切到这些位置。30 分钟的可控冷却循环能避免大部分问题。

要支撑切削区域，而不只是零件周边。当沟槽横穿薄壁时，在该区域下方加一条牺牲垫条。垫条吸收出口力，防止底面崩边。

• 1
  避免点载荷用软垫片和柔性垫板分散夹紧力。
• 2
  薄晶圆用真空厚度 1 mm 以下用平整多孔吸盘。
• 3
  支撑切削区域薄壁下方加牺牲垫板，防止底面崩边。