CN101607688B - 一种基于温度补偿的无导能筋聚合物超声波键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度补偿的无导能筋聚合物超声波键合方法，属于聚合物MEMS制造领域，用于聚合物微器件的键合封装。其特征是该技术利用低振幅下超声波产生局部表面热的特性，结合温控装置加热进行温度补偿，实现了低于聚合物临界振幅的超声波聚合物器件大面键合封装。本发明的效果和益处是：利用此方法进行超声焊接时，不需要制作专门的导能筋结构，减少了器件制作工序，降低了制作难度；由于超声振幅大大低于器件的临界振幅，所以材料接触界面的最高温度在其玻璃转化温度左右，避免了过热易引起的气泡现象和器件结构形貌的变化。

Description

一种基于温度补偿的无导能筋聚合物超声波键合方法

技术领域

本发明属于聚合物MEMS制造领域柧酆衔颩EMS的封接。涉及一种新的聚合物微器件的键合封装技术，用于实现聚合物微器件的快速、无变形、密封性封装。

背景技术

聚合MEMS器件在制作技术和成本方面的独特优势使其逐渐从研发阶段走向产业化。通过键合技术形成功能微结构是聚合物微器件制作的关键技术之一，目前大多数键合方法在制作效率、质量以及生物兼容性和化学适应性等方面存在局限，成为制约其批量化生产的瓶颈问题。与聚合物MEMS技术的快速发展相比，其键合和封装技术已大为落后。发展低成本、高效、高可靠性的键合封装技术已成为聚合物MEMS器件实用化和产业化的当务之急。

聚合物MEMS器件的传统键合方式主要有粘结剂胶连键合，热键合，激光键合，溶剂键合，等离子辅助热键合以及微波键合等，这些方法都不同程度的存在着各自的缺陷。2005年韦鹤、王晓东等人根据超声波键合的特点，对微流控芯片超声键合的可行性进行了分析和数值仿真，结果表明通过合理的键合连接结构设计和参数优化，聚合物超声波键合可行且能够满足微器件封装的产业化需求。2006年，Truckenmueller等对微流控芯片、微单向阀以及盘形微瓣膜泵等特征尺寸为500μm的微器件进行了超声波键合试验，结果表明利用超声波进行聚合物微器件键合封装的可行性。超声波焊接具有不需要外部加热、对焊件破坏小、焊接时间短、焊接强度高、残余应变小、器件局部受热等诸多优点，因此超声波聚合物微器件键合封装技术可以大大提高生产效率、节约制作成本、提高键合质量。该技术有潜力成为聚合物微器件批量化生产的重要技术之一，具有很大的应用和市场前景。

在已有的超声波塑料焊接过程中，超声波的机械振动传递到待焊接塑料的界面上，使界面分子间摩擦和材料粘弹性产生热量，导致连接界面附近材料的温度升高，使材料熔融后在压力作用下冷却而实现连接。导能结构在焊接过程中起到能量集中和能量导向作用，在焊接过程中主要是通过导能结构的熔融流动后在结合界面间形成一层熔融连接层实现对器件的连接。当把超声波塑料焊接技术用于微器件的连接时，传统的熔融连接方法就有着较大的局限性，首先导能结构的熔融液流延特性十分复杂，会造成对微结构形貌变形的影响。其次，由于材料局部要上升到材料的熔融温度才能实现有效连接，即要大于焊接材料的临界振幅，而且超声键合过程温度升高快且难以控制，所以局部材料会由于温度太高而产生气泡，影响微器件的制作精度。此外，由于导能筋结构的引入会使微器件的制作过程变得复杂，对于有些器件甚至是不可行的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是实现无导能筋结构的超声波键合，从而避免因导能筋结构的存在给器件的制作造成的不便，拓展该键合方法的应用领域。通过温度补偿实现在低于基体材料临界振幅下的聚合物器件超声波键合封装，由于超声振幅大大低于材料的临界振幅，其界面最高温度在玻璃转化温度附近，所以在整个的键合过程中没有材料熔融过程的发生，因此本发明能够避免熔融液流延难以控制、易引起器件结构形变和局部过热产生气泡等传统超声键合方法的缺陷。

本发明的技术方案：首先在超声波塑料焊接系统的基础上，设计温度控制装置，实现对焊件的温度控制，温度控制装置主要由加热板、温控表、热电偶和冷却模块组成。在键合前利用温控装置使待键合器件的温度补偿至低于材料玻璃转化温度10-30℃的温度范围内。然后进行超声键合，利用低于材料临界振幅值的超声波使器件接触表面的温度进一步升高10-30℃，器件其它部分材料温度不变。超声键合时不需在待键合器件盖片和基片上制作传统的具有能量引导功能的导能筋结构，待键合器件的键合表面是整体的面和面的直接接触。主要键合工艺参数为：振幅低于材料超声键合所需临界振幅值，超声振幅为5μm-15μm，键合时间10S-50S，键合压力100N-500N。在超声振动和键合压力的作用下，实现聚合物器件无导能结构的整体无变形快速键合。超声关闭后超声焊头仍以设定的压力压紧待键合器件，关闭加热模块并开启冷却模块对焊件进行降温，待温度降至50℃以下时升起焊头，键合过程结束。

本发明的效果和益处是能够解决传统的超声波键合方法由于引入导能筋结构造成的器件制作工序复杂和制作困难的问题，并能成功实现超声波对器件整体大面积键合。由于键合过程中只有接触表面的温度升高到材料玻璃转化温度附近，器件上其它部分材料的温度低于玻璃转化温度10-30℃，所以该方法不易引起微结构变形，由于所用振幅低于材料临界振幅，能够避免由于局部过热产生气泡等缺陷。

附图说明

说明书是以带有微通道的器件键合为例进行说明。

附图是键合器件装配示意图。

图中：1基片；2盖片；3温控装置；4焊头；5键合机底座。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图以微通道的密封性键合为例详细叙述本发明的具体实施例。

步骤一：对器件进行温度补偿

将待键合的基片1和盖片2放置在超声波键合机底座5和焊头4的中间，对器件进行定位夹紧，防止键合过程中的横向振动和纵向跳动，再通过焊机调平结构实现器件表面和焊头4的平行。调平后使焊头4下降，以设定的压力压紧待键合器件，调节温控装置3使温度升高到设定的温度，完成焊接前对待键合器件的温度补偿。

步骤二：超声波键合

待键合器件的温度达到所设定的温度后，将焊头4抬起。然后启动超声键合程序，随着焊头4下降到盖片2至接触压力到达触发压力后发出超声，键合过程开始。本过程开始前要设置键合工艺参数，这里选用超声键合时间为25s，超声振幅7μm，键合压力100N，保持压力300N，保压时间10s，触发压力50N。

步骤三：冷却

超声停止后，调节温控装置3进行冷却，待试件温度达到50℃以下，抬起焊头4，键合过程结束。

Claims (2)

1.一种基于温度补偿的无导能筋聚合物超声波键合方法，其特征在于：该方法采用温控装置(3)将待键合聚合物器件盖片(2)和基片(1)的温度加热补偿到键合所需温度，该温度低于材料玻璃转化温度10-30℃，再利用低于材料临界振幅的超声波使器件接触表面的温度进一步升高10-30℃，器件其它部分材料温度不变，在键合压力和超声振动场的作用下实现对器件的整体无变形的快速键合封装；不需在待键合器件盖片(2)和基片(1)上制作传统的具有能量引导功能的导能筋结构，待键合器件的键合表面是整体的面和面的直接接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于温度补偿的无导能筋聚合物超声波键合方法，其特征还在于：振幅低于超声键合所需材料临界振幅值，键合主要工艺参数为：超声振幅5μm-15μm，键合时间10S-50S，键合压力100N-500N。