CN102190287B - 一种提高注塑成型pmma微流控芯片热压键合率的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高注塑成型PMMA微流控芯片热压键合率的方法，属于微制造技术领域，特别涉及到提高微流控芯片热压键合质量的方法。其特征是，在热压键合前对芯片进行水处理，区别于传统的热压键合工艺流程“超声清洗——烘箱烘干——热压键合”，该方法采用“超声清洗——水处理——氮气吹干表面——热压键合”。本发明的效果和益处是克服了紫外线和MMA单体表面改性等处理方法存在的处理方法复杂、成本高、影响微流体系统使用性能等问题；该处理方法高效、成本低、不改变微流体系统性能、操作简单，在相同的热压键合工艺参数下，较之未经处理的芯片，有效键合面积明显增加，其键合率平均增加20％，有效的提高了芯片键合质量。
Description
技术领域
本发明属于微制造技术领域，特别涉及到提高微流控芯片热压键合质量的方法。
背景技术
聚合物微流控芯片由于体积小、成本低、便于携带、分析速度快、分析所需样品少等特点在生命科学、医学、食品和环境卫生检查等领域得到了广泛应用。目前常用的高聚物材料包括聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。用于PMMA微流控芯片键合的方法主要有热压键合，胶粘接，超声键合和激光键合等方法，其中热压键合法应用最为广泛。为了提高芯片的生产效率，通常采用注塑机注塑成型得到芯片的盖片和基片，但由于注塑成型薄壁塑件存在难以解决的工艺问题，使成型后的芯片厚度分布不均。将盖片和基片在一定的温度、压力、时间下热压键合易存在有效键合面积不足的现象。芯片键合质量主要包括微通道质量、有效键合面积、键合强度。芯片有效键合面积(键合率)是芯片键合质量重要指标之一，有效键合面积不足会减小芯片键合强度，影响芯片密闭性，有时还会影响芯片微通道质量，导致芯片无法正常使用。为了提高芯片键合质量，键合前经常采用一些表面处理方法：杂志Microsystem Technologies 2007年第13期第403～407页中，提出了基于表面改性技术的PMMA热压键合新方法，即将PMMA表面首先用其单体MMA进行改性，然后在真空热压设备中热压键合，可以在较小的热压工艺参数下得到密封性良好，键合强度高的芯片，但该表面处理方法包括等离子体处理和MMA改性等步骤，一定程度上增加了芯片键合成本且操作较复杂。杂志Lab Chip 2007年第7期第499～505页中，利用紫外光对PMMA进行表面改性，可减小PMMA表面与水的接触角，增加PMMA材料的亲水性，从而使键合所需温度降低，键合强度增加。但是该方法容易使PMMA材料发生降解，材料性能发生改变，这也会大大地改变微流体系统的性能，影响微流控芯片的使用。总之，上述文献提供的方法可以应用于提高PMMA芯片键合质量，但存在处理方法复杂，生产效率低、处理成本高、处理方法破坏微流体系统性能，影响微流控芯片使用等一系列问题。
注塑成型得到的芯片厚度分布不均，热压键合后易存在有效键合面积不足、密封性不良、键合强度相对较低等问题。如何对芯片进行处理，使在提高芯片生产效率的同时，提高芯片键合质量是注塑成型PMMA微流控芯片热压键合亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服紫外线和MMA单体表面改性等处理方法存在的处理方法复杂、成本高、影响微流体系统使用性能等问题，针对注塑成型PMMA微流控芯片，提出一种提高其热压键合质量的水处理方法。基于该方法处理后的芯片热压键合有效面积显著增加，较之未经处理的芯片，其键合率平均增加20％，芯片密封性良好、键合强度较大，且该处理方法具有：经济、简便、高效、不改变微流体系统性能等优点。
本发明的技术方案是：对芯片盖片和基片进行水处理后热压键合的方法。水处理是指芯片经超声清洗后，在水浴中静置一定时间后取出，用氮气吹干其表面，直接进行热压键合以增加芯片有效键合面积的方法。其特征是，在热压键合前对芯片进行水处理，区别于传统的热压键合工艺流程“超声清洗——烘箱烘干——热压键合”，该方法采用“超声清洗——水处理——氮气吹干表面一一热压键合”。PMMA微流控芯片制作方法步骤如下：
a.注塑成型芯片盖片与基片：
注塑机注塑成型带有储液池的PMMA微流控芯片盖片和带有微通道图形的芯片基片；
b.激光切割：
激光雕刻切割机激光切割芯片，得到一定合理尺寸的盖片和基片；
c.超声清洗：
超声清洗芯片3次，第1次：取华星DZ-1号洗液与去离子水，按洗液∶去离子水＝100∶2000ml比例配比，待水浴温度达到45℃后，将一定数量的盖片和基片超声清洗10min；第2次：将芯片取出，用去离子水冲洗以去除残余洗液，并置于45℃的去离子水浴中(清水，不加洗液)，超声清洗10min；第3次：再次将芯片取出，去离子水冲洗，置于水浴温度45℃的去离子水中，超声清洗10min；
d.水处理：
将超声清洗后的芯片从超声设备中取出，并继续置于去离子水浴中1h；
e.氮气吹干芯片表面：
1h后，将芯片从水浴中取出，并用氮气吹干其表面；
f.热压键合：
将表面己吹干的芯片盖片和基片，对准后置于热压键合机的上下压头之间，在温度：91～93℃，压力：1.4～1.6Mpa，时间：6min的工艺参数下热压键合。
本发明的效果和益处是：克服了紫外线和MMA单体表面改性等处理方法存在的处理方法复杂、成本高、影响微流体系统使用性能等问题；该处理方法高效、成本低、不改变微流体系统性能、操作简单，在相同的热压键合工艺参数下，较之未经处理的芯片，有效键合面积明显增加，其键合率平均增加20％，有效的提高了芯片键合质量。
附图说明
图1是注塑成型PMMA微流控芯片制作流程示意图。
图2是具有“十字形”微通道图形的微流控芯片示意图。
图中：a)是芯片盖片示意图；b)是芯片基片示意图；c)是微通道示意图。
图3是注塑成型得到的芯片盖片和基片的外形示意图。
图4是芯片超声清洗流程示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实例：利用水处理方法，制作尺寸为78×28mm的微流控芯片。按附图1流程制作该芯片，具体步骤如下：
1、注塑成型PMMA微流控芯片：
注塑成型PMMA微流控芯片的盖片和基片(设备型号：震德CJ80M3V注塑成型机)，模温85℃，熔体温度250℃，填充时间3s，注射压力140Mpa，保压时间3s。注塑得到芯片外形尺寸为82×40mm，其中盖片上具有“十字形”微通道图形，两条十字交叉的微通道分别长65mm、15mm，微通道尺寸为宽80μm，深50μm；盖片上4个尺寸为Φ2的小孔，为芯片储液池，见附图2、3。
2、激光切割芯片盖片和基片：
激光切割芯片盖片与基片(设备型号：镭神CLS2000型激光雕刻切割机)，切割电流为3.5mA，走刀2～3次，切边后芯片尺寸为78×28mm。
3、超声清洗：
按附图4流程清洗芯片，具体步骤如下：
(1)洗液清洗：
取华星DZ-1号洗液，按比例配置芯片清洗液(洗液∶去离子水＝100∶2000ml)，将一定数量的芯片置于盛有洗液的容器中。将容器置于超声清洗器(设备型号：KQ250DB型数控超声清洗器)中，待清洗槽内水浴温度达到45℃时，超声清洗芯片10min，超声频率33KHz，超声功率100～150W；
(2)清水清洗：
将容器从清洗槽中取出，用去离子水冲洗芯片表面后，将芯片置于盛有去离子水的容器中，并将其置于超声清洗槽中，超声工艺参数相同，水浴温度45℃，超声清洗10min；
(3)清水清洗：
重复步骤(2)。将容器从超声设备中取出，再次用去离子水冲洗芯片，以确保芯片表面没有残余洗液，将芯片置于盛有去离子水的容器中并将其置于超声清洗槽中，超声工艺参数相同，水浴温度45℃，超声清洗10min。
4、水处理：
将超声清洗后的芯片连同容器一起从超声清洗器中取出，不取出芯片，使其继续置于容器中1h。
5、氮气吹干芯片表面：
1h后，将芯片用镊子从容器中取出，并用氮气吹干芯片表面。
6、热压键合：
将吹干的芯片盖片和基片对准，置于JHJ-I型热压键合机上下压头之间，在温度：93℃，压力1.6Mpa，时间：6min的工艺参数下热压键合，得到成品芯片。
采用本发明提出的，热压键合注塑成型PMMA微流控芯片时，将超声清洗后的芯片水处理1h后热压键合的方法，得到的芯片有效键合面积增加，与未处理芯片相比键合率平均提高20％，芯片键合强度大，密封性良好。本方法在一定的热压工艺参数下可提高芯片键合质量，不改变微流控芯片系统性能且该方法经济、简便、高效。
Claims (1)
1.一种提高注塑成型PMMA微流控芯片热压键合率的方法，其特征是，在热压键合前对芯片进行水处理，其制作方法的具体步骤如下：
a. 注塑成型芯片盖片与基片：
注塑机注塑成型带有储液池的PMMA微流控芯片盖片和带有微通道图形的芯片基片；
b. 激光切割：
激光雕刻切割机激光切割芯片，得到一定合理尺寸的盖片和基片；
c. 超声清洗：
超声清洗芯片3次，第1次：取华星DZ-1号洗液与去离子水，按洗液：去离子水=100：2000ml比例配比，待水浴温度达到45℃后，将一定数量的盖片和基片超声清洗10min；第2次：将芯片取出，用去离子水冲洗以去除残余洗液，并置于45℃的去离子水浴中，超声清洗10min；第3次：再次将芯片取出，去离子水冲洗，置于水浴温度45℃的去离子水中，超声清洗10min；
d. 水处理：
将超声清洗后的芯片从超声设备中取出，并继续置于去离子水浴中1h；
e. 氮气吹干芯片表面：
1h后，将芯片从水浴中取出，并用氮气吹干其表面；
f. 热压键合：
将表面已吹干的芯片盖片和基片，对准后置于热压键合机的上下压头之间，在温度：91~93℃，压力：1.4~1.6Mpa，时间：6min的工艺参数下热压键合。
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