CN103640211A

CN103640211A - 一种柔性材料辅助聚合物微结构超声波键合封装方法

Info

Publication number: CN103640211A
Application number: CN201310717194.2A
Authority: CN
Inventors: 张宗波; 张蕊蕊; 张冬至; 贺庆强; 王立鼎
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明公开了一种柔性材料辅助聚合物微结构超声波键合封装方法，属于聚合物MEMS制造领域，用于聚合物微结构的密封性键合封装。其特征是该技术将器件的连接和微结构的密封分开处理，采用宏观尺度的导能筋结构和超声波方法实现器件的快速、高强度、永久性连接，利用柔性辅助材料实现微结构的密封性封装，充分利用超声波熔融连接强度高、速度快的优点，而规避了熔融液流延难以控制的缺陷。本发明的效果和益处：能够解决传统的超声波封装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精度要求高的难题。封装过程中导能筋离微结构较远，所以不会发生微结构严重变形或堵塞问题。而且由于柔性膜作为微结构的一个侧壁被引入微结构中，所以可以根据器件的功能，在柔性膜上提前喷涂所需要的活性成分、催化剂或靶物质，从而丰富了微器件的功能设计。

Description

一种柔性材料辅助聚合物微结构超声波键合封装方法

技术领域

本发明属于聚合物MEMS制造领域的聚合物MEMS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、永久性、密封性封装。

背景技术

随着聚合物材料的广泛应用，目前除传统的硅和玻璃材料外，聚合物已成为了制作MEMS器件的主要材料之一。随着聚合物微器件制造成本的降低，封装成本所占的比重不断上升，目前其封装技术仍是通过改善微电子封装工艺实现的，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、焊接强度极高、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，很难精确控制导能筋的熔融液流延至微结构边缘就停止。如果导能筋离微结构太远，其熔融液无法到达微结构边缘就凝固，而形成变形的“T”形微结构；如果导能筋离微结构太近，其熔融液会流入微结构而造成微结构的变形和堵塞。因此当该技术应用于微结构的封装键合时，它对辅助结构的设计和制作提出了非常苛刻的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是能够在普通宏观器件的导能筋精度条件下，无需复杂的封装辅助结构设计和制作，引入柔性辅助材料，实现微结构的超声波封装，从而避免因导能筋结构的设计和制作给器件的生产造成不便，拓展超声波键合封装方法的应用领域。在此方法中，导能筋熔融后只起到器件之间的连接作用，而微结构的密封性靠受挤压的柔性材料来实现。本发明充分利用超声波熔融连接强度高的优点，而规避了熔融液流延难以控制的缺陷。

本发明的技术方案：首先，在被封装器件的基片或盖片上制作导能筋结构，该导能筋结构不用于微结构的密封，因此要让其离微结构稍远且无需精确设计其尺寸和位置，加工精度要求也较低。其次，根据被封装微结构的尺寸和功能，选择适当的柔性材料和厚度。如对于常用于医学领域的器件可以选择生物兼容性较好的硅胶膜，对于微结构尺度在数十微米量级的结构，辅助膜的厚度应在0.1mm以下。膜上导能筋对应的位置要预留出孔洞，用于导能筋熔融后的流延。然后依次将基片、柔性膜和盖片放置在超声波焊接设备的夹具上，启动超声键合程序，利用超声波能量自动向导能筋集中的特点，导能筋会在数秒内完成熔融和流延过程，并进入保压阶段。为了获得较好的密封效果，保压阶段的压力要略大于普通的超声波塑料焊接过程。待保压冷却过程完成后，抬起工具头，封装过程结束。

本发明的效果和益处是能够解决传统的超声波封装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精度要求高的难题。封装过程中导能筋离微结构较远，所以不会发生微结构严重变形或堵塞问题。而且由于柔性膜作为微结构的一个侧壁被引入微结构中，所以可以根据器件的功能，在柔性膜上提前喷涂所需要的活性成分、催化剂或靶物质，从而丰富了微器件的功能设计。

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。

图1是封装器件装配示意图，图2是封装过程示意图。

图中：1基片；2柔性膜；3盖片；4导能筋；5微结构；6夹具；7工具头。

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封装为例详细叙述本发明的具体实施步骤。

步骤一：基片、盖片的设计与加工

基片1上只包含微结构5，所以可以根据器件的功能需要进行设计，并用普通的微加工方法进行加工。盖片3上包含导能筋4，在超声波封装过程中导能筋4会发生熔融，为了防止熔融液堵塞微结构5，导能筋4应设计在离微结构5较远的位置。在该方法中导能筋的流延并不需要精确控制，所以导能筋的尺寸精度要求较低，可以设计的较大一些，采用普通的加工方法实现，从而大大降低盖片3的加工难度和加工成本。

步骤二：柔性辅助膜的选择及加工

根据微器件的用途合理选择柔性膜2的材料，如对于医学用器件可以选择生物兼容性和化学稳定性较好的硅胶膜，对于化工用器件可以在硅胶膜上涂覆相应的催化剂，已达到理想化学反应效果。其次，还要根据微结构5的尺寸合理选择辅助膜2的厚度和弹性系数，微结构5的尺寸越小辅助膜2的厚度应越薄、弹性系数应越大，这样才能有效控制微结构5封装后的变形量。

辅助膜2选择完成后，将其裁剪成适当大小，并在导能筋4的相应位置按照导能筋的分布情况裁剪出孔洞，为导能筋4在封装过程中熔融流延留出空间。

步骤三：超声键合

将待封装的基片1、柔性辅助膜2和盖片3依次叠放在超声波键合机夹具6和焊头7之间，然后利用夹具6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7的平行。调平后启动超声封装程序，随着焊头7下降到盖片3的上表面，并不断增大压力，直至接触压力到达触发压力后，封装系统发出超声波，键合过程开始。本过程开始前要设置封装工艺参数，本实例中选择超声键合时间为2S，超声振幅30μm,键合压力300N，保持压力600N，保压时间3S,触发压力100N。

步骤三：冷却取下封装器件

超声停止后，经3s保压过程，导能筋熔融液充分流延并冷却，此时打开夹具上的卡扣取下被封装器件，封装过程结束。

Claims

1.一种柔性材料辅助聚合物微结构超声波键合封装方法，其特征在于：该方法将器件的连接和密封分开处理，采用宏观尺度的导能筋结构和超声波方法实现器件的快速、高强度、永久性连接，利用柔性辅助材料实现微结构的密封性封装，充分利用超声波熔融连接强度高、速度快的优点，而规避了熔融液流延难以控制的缺陷。该技术采用宏观尺度的导能筋（4）结构，带导能筋（4）的盖片（3）和带功能微结构的基片（1）配合，或将功能微结构（5）和导能筋（4）制作在同一基片上。在超声波作用下导能筋（4）处能量自动集中发生熔融形成连接，柔性膜（2）被基片和盖片持续压紧，当压紧力达到一定的数值时微结构（5）被密封但其结构变形量被控制在合理的范围内。利用超声波局部产热特点和柔性材料高弹特性，实现对器件微结构的快速、密封性键合封装。

2.利用权利要求1所述的一种柔性材料辅助聚合物微结构超声波键合封装方法，其特征在于：导能筋（4）远离微结构（5），以避免熔融液对微结构造成影响。进行超声键合前需要在柔性膜（2）上导能筋（4）对应的位置预留出孔洞，便于熔融液流延和展平。

3.利用权利要求1所述的键合方法，其特征在于：利用宏观尺度的导能筋结构实现对微结构的快速、高强度、密封性熔融封装，避免了辅助微结构在设计和制作方面的困难，键合过程中的主要参数为：振幅20μm以上，键合时间10秒以内，键合压力300N左右，保持压力500N以上。