一種柔性材料輔助聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波鍵合封裝方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種柔性材料輔助聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波鍵合封裝方法，屬于聚合物MEMS制造領(lǐng)域，用于聚合物微結(jié)構(gòu)的密封性鍵合封裝。其特征是該技術(shù)將器件的連接和微結(jié)構(gòu)的密封分開(kāi)處理，采用宏觀尺度的導(dǎo)能筋結(jié)構(gòu)和超聲波方法實(shí)現(xiàn)器件的快速、高強(qiáng)度、永久性連接，利用柔性輔助材料實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的密封性封裝，充分利用超聲波熔融連接強(qiáng)度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，而規(guī)避了熔融液流延難以控制的缺陷。本發(fā)明的效果和益處：能夠解決傳統(tǒng)的超聲波封裝方法由于引入導(dǎo)能筋結(jié)構(gòu)造成的器件制作工序復(fù)雜和制作精度要求高的難題。封裝過(guò)程中導(dǎo)能筋離微結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，所以不會(huì)發(fā)生微結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形或堵塞問(wèn)題。而且由于柔性膜作為微結(jié)構(gòu)的一個(gè)側(cè)壁被引入微結(jié)構(gòu)中，所以可以根據(jù)器件的功能，在柔性膜上提前噴涂所需要的活性成分、催化劑或靶物質(zhì)，從而豐富了微器件的功能設(shè)計(jì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種柔性材料輔助聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波鍵合封裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聚合物MEMS制造領(lǐng)域的聚合物MEMS的封接。涉及一種新的聚合物微器件的鍵合封裝技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)聚合物微器件的快速、無(wú)變形、永久性、密封性封裝。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著聚合物材料的廣泛應(yīng)用，目前除傳統(tǒng)的硅和玻璃材料外，聚合物已成為了制作MEMS器件的主要材料之一。隨著聚合物微器件制造成本的降低，封裝成本所占的比重不斷上升，目前其封裝技術(shù)仍是通過(guò)改善微電子封裝工藝實(shí)現(xiàn)的，與聚合物MEMS技術(shù)的快速發(fā)展相比，其鍵合和封裝技術(shù)已大為落后。發(fā)展低成本、高效、高可靠性的鍵合封裝技術(shù)已成為聚合物MEMS器件實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的當(dāng)務(wù)之急。
[0003]聚合物MEMS器件的傳統(tǒng)鍵合方式主要有粘結(jié)劑膠連鍵合，熱鍵合，激光鍵合，溶劑鍵合，等離子輔助熱鍵合以及微波鍵合等，這些方法都不同程度的存在著各自的缺陷。2005年韋鶴、王曉東等人根據(jù)超聲波鍵合的特點(diǎn)，對(duì)微流控芯片超聲鍵合的可行性進(jìn)行了分析和數(shù)值仿真。結(jié)果表明，通過(guò)合理的鍵合連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，聚合物超聲波鍵合可行且能夠滿足微器件封裝的產(chǎn)業(yè)化需求。2006年，Truckenmueller等對(duì)微流控芯片、微單向閥以及盤(pán)形微瓣膜泵等特征尺寸為500 μ m的微器件進(jìn)行了超聲波鍵合試驗(yàn)。結(jié)果表明，利用超聲波進(jìn)行聚合物微器件鍵合封裝的可行性。超聲波焊接具有不需要外部加熱、對(duì)焊件破壞小、焊接時(shí)間短、焊接強(qiáng)度極高、殘余應(yīng)變小、器件局部受熱等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此超聲波聚合物微器件鍵合封裝技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)效率、節(jié)約制作成本、提高鍵合質(zhì)量。該技術(shù)有潛力成為聚合物微器件批量化生產(chǎn)的重要技術(shù)之一，具有很大的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。
[0004]在已有的超聲波塑料焊接過(guò)程中，超聲波的機(jī)械振動(dòng)傳遞到待焊接塑料的界面上，使界面分子間摩擦和材料粘彈性產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致連接界面附近材料的溫度升高，使材料熔融后在壓力作用下冷卻而實(shí)現(xiàn)連接。導(dǎo)能結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中起到能量集中和能量導(dǎo)向作用，在焊接過(guò)程中主要是通過(guò)導(dǎo)能結(jié)構(gòu)的熔融流動(dòng)后在結(jié)合界面間形成一層熔融連接層實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的連接。當(dāng)把超聲波塑料焊接技術(shù)用于微器件的連接時(shí)，傳統(tǒng)的熔融連接方法就有著較大的局限性，首先導(dǎo)能結(jié)構(gòu)的熔融液流延特性十分復(fù)雜，很難精確控制導(dǎo)能筋的熔融液流延至微結(jié)構(gòu)邊緣就停止。如果導(dǎo)能筋離微結(jié)構(gòu)太遠(yuǎn)，其熔融液無(wú)法到達(dá)微結(jié)構(gòu)邊緣就凝固，而形成變形的“T”形微結(jié)構(gòu)；如果導(dǎo)能筋離微結(jié)構(gòu)太近，其熔融液會(huì)流入微結(jié)構(gòu)而造成微結(jié)構(gòu)的變形和堵塞。因此當(dāng)該技術(shù)應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)的封裝鍵合時(shí)，它對(duì)輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作提出了非?？量痰囊?。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是能夠在普通宏觀器件的導(dǎo)能筋精度條件下，無(wú)需復(fù)雜的封裝輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作，引入柔性輔助材料，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的超聲波封裝，從而避免因?qū)芙罱Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作給器件的生產(chǎn)造成不便，拓展超聲波鍵合封裝方法的應(yīng)用領(lǐng)域。在此方法中，導(dǎo)能筋熔融后只起到器件之間的連接作用，而微結(jié)構(gòu)的密封性靠受擠壓的柔性材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明充分利用超聲波熔融連接強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，而規(guī)避了熔融液流延難以控制的缺陷。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:首先，在被封裝器件的基片或蓋片上制作導(dǎo)能筋結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)能筋結(jié)構(gòu)不用于微結(jié)構(gòu)的密封，因此要讓其離微結(jié)構(gòu)稍遠(yuǎn)且無(wú)需精確設(shè)計(jì)其尺寸和位置，力口工精度要求也較低。其次，根據(jù)被封裝微結(jié)構(gòu)的尺寸和功能，選擇適當(dāng)?shù)娜嵝圆牧虾秃穸?。如?duì)于常用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的器件可以選擇生物兼容性較好的硅膠膜，對(duì)于微結(jié)構(gòu)尺度在數(shù)十微米量級(jí)的結(jié)構(gòu)，輔助膜的厚度應(yīng)在0.1mm以下。膜上導(dǎo)能筋對(duì)應(yīng)的位置要預(yù)留出孔洞，用于導(dǎo)能筋熔融后的流延。然后依次將基片、柔性膜和蓋片放置在超聲波焊接設(shè)備的夾具上，啟動(dòng)超聲鍵合程序，利用超聲波能量自動(dòng)向?qū)芙罴械奶攸c(diǎn)，導(dǎo)能筋會(huì)在數(shù)秒內(nèi)完成熔融和流延過(guò)程，并進(jìn)入保壓階段。為了獲得較好的密封效果，保壓階段的壓力要略大于普通的超聲波塑料焊接過(guò)程。待保壓冷卻過(guò)程完成后，抬起工具頭，封裝過(guò)程結(jié)束。
[0007]本發(fā)明的效果和益處是能夠解決傳統(tǒng)的超聲波封裝方法由于引入導(dǎo)能筋結(jié)構(gòu)造成的器件制作工序復(fù)雜和制作精度要求高的難題。封裝過(guò)程中導(dǎo)能筋離微結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，所以不會(huì)發(fā)生微結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形或堵塞問(wèn)題。而且由于柔性膜作為微結(jié)構(gòu)的一個(gè)側(cè)壁被引入微結(jié)構(gòu)中，所以可以根據(jù)器件的功能，在柔性膜上提前噴涂所需要的活性成分、催化劑或靶物質(zhì)，從而豐富了微器件的功能設(shè)計(jì)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]說(shuō)明書(shū)是以帶有微通道的器件鍵合為例進(jìn)行說(shuō)明。
[0009]圖1是封裝器件裝配示意圖，圖2是封裝過(guò)程示意圖。
[0010]圖中:I基片；2柔性膜；3蓋片；4導(dǎo)能筋；5微結(jié)構(gòu)；6夾具；7工具頭。
【具體實(shí)施方式】
[0011]以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖以微通道的密封性封裝為例詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施步驟。
[0012]步驟一:基片、蓋片的設(shè)計(jì)與加工
[0013]基片I上只包含微結(jié)構(gòu)5，所以可以根據(jù)器件的功能需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用普通的微加工方法進(jìn)行加工。蓋片3上包含導(dǎo)能筋4，在超聲波封裝過(guò)程中導(dǎo)能筋4會(huì)發(fā)生熔融，為了防止熔融液堵塞微結(jié)構(gòu)5，導(dǎo)能筋4應(yīng)設(shè)計(jì)在離微結(jié)構(gòu)5較遠(yuǎn)的位置。在該方法中導(dǎo)能筋的流延并不需要精確控制，所以導(dǎo)能筋的尺寸精度要求較低，可以設(shè)計(jì)的較大一些，采用普通的加工方法實(shí)現(xiàn)，從而大大降低蓋片3的加工難度和加工成本。
[0014]步驟二:柔性輔助膜的選擇及加工
[0015]根據(jù)微器件的用途合理選擇柔性膜2的材料，如對(duì)于醫(yī)學(xué)用器件可以選擇生物兼容性和化學(xué)穩(wěn)定性較好的硅膠膜，對(duì)于化工用器件可以在硅膠膜上涂覆相應(yīng)的催化劑，已達(dá)到理想化學(xué)反應(yīng)效果。其次，還要根據(jù)微結(jié)構(gòu)5的尺寸合理選擇輔助膜2的厚度和彈性系數(shù)，微結(jié)構(gòu)5的尺寸越小輔助膜2的厚度應(yīng)越薄、彈性系數(shù)應(yīng)越大，這樣才能有效控制微結(jié)構(gòu)5封裝后的變形量。
[0016]輔助膜2選擇完成后，將其裁剪成適當(dāng)大小，并在導(dǎo)能筋4的相應(yīng)位置按照導(dǎo)能筋的分布情況裁剪出孔洞，為導(dǎo)能筋4在封裝過(guò)程中熔融流延留出空間。[0017]步驟三:超聲鍵合
[0018]將待封裝的基片1、柔性輔助膜2和蓋片3依次疊放在超聲波鍵合機(jī)夾具6和焊頭7之間，然后利用夾具6對(duì)器件進(jìn)行定位夾緊，防止鍵合過(guò)程中的橫向振動(dòng)和縱向跳動(dòng)，再通過(guò)焊機(jī)調(diào)平結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)器件表面和焊頭7的平行。調(diào)平后啟動(dòng)超聲封裝程序，隨著焊頭7下降到蓋片3的上表面，并不斷增大壓力，直至接觸壓力到達(dá)觸發(fā)壓力后，封裝系統(tǒng)發(fā)出超聲波，鍵合過(guò)程開(kāi)始。本過(guò)程開(kāi)始前要設(shè)置封裝工藝參數(shù)，本實(shí)例中選擇超聲鍵合時(shí)間為2S，超聲振幅30μπι，鍵合壓力300Ν，保持壓力600Ν，保壓時(shí)間3S，觸發(fā)壓力100Ν。
[0019]步驟三:冷卻取下封裝器件
[0020]超聲停止后，經(jīng)3s保壓過(guò)程，導(dǎo)能筋熔融液充分流延并冷卻，此時(shí)打開(kāi)夾具上的卡扣取下被封裝器件，封裝過(guò)程結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性材料輔助聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波鍵合封裝方法，其特征在于:該方法將器件的連接和密封分開(kāi)處理，采用宏觀尺度的導(dǎo)能筋結(jié)構(gòu)和超聲波方法實(shí)現(xiàn)器件的快速、高強(qiáng)度、永久性連接，利用柔性輔助材料實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的密封性封裝，充分利用超聲波熔融連接強(qiáng)度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，而規(guī)避了熔融液流延難以控制的缺陷。該技術(shù)采用宏觀尺度的導(dǎo)能筋(4)結(jié)構(gòu)，帶導(dǎo)能筋(4)的蓋片(3)和帶功能微結(jié)構(gòu)的基片(I)配合，或?qū)⒐δ芪⒔Y(jié)構(gòu)(5)和導(dǎo)能筋(4)制作在同一基片上。在超聲波作用下導(dǎo)能筋(4)處能量自動(dòng)集中發(fā)生熔融形成連接，柔性膜(2)被基片和蓋片持續(xù)壓緊，當(dāng)壓緊力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)微結(jié)構(gòu)(5)被密封但其結(jié)構(gòu)變形量被控制在合理的范圍內(nèi)。利用超聲波局部產(chǎn)熱特點(diǎn)和柔性材料高彈特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件微結(jié)構(gòu)的快速、密封性鍵合封裝。
2.利用權(quán)利要求1所述的一種柔性材料輔助聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波鍵合封裝方法，其特征在于:導(dǎo)能筋(4)遠(yuǎn)離微結(jié)構(gòu)(5)，以避免熔融液對(duì)微結(jié)構(gòu)造成影響。進(jìn)行超聲鍵合前需要在柔性膜(2)上導(dǎo)能筋(4)對(duì)應(yīng)的位置預(yù)留出孔洞，便于熔融液流延和展平。
3.利用權(quán)利要求1所述的鍵合方法，其特征在于:利用宏觀尺度的導(dǎo)能筋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)微結(jié)構(gòu)的快速、高強(qiáng)度、密封性熔融封裝，避免了輔助微結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和制作方面的困難，鍵合過(guò)程中的主要參數(shù)為:振幅20 μ m以上，鍵合時(shí)間10秒以內(nèi)，鍵合壓力300N左右，保持壓力500N以上。
【文檔編號(hào)】B29C65/08GK103640211SQ201310717194
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】張宗波, 張蕊蕊, 張冬至, 賀慶強(qiáng), 王立鼎 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)