CN105268490A - 一种微流控芯片的封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片的封装方法，用于对具有微通道结构的微米级基片和与基片相固定连接的盖片进行封装得到微流控芯片，包括下述步骤：S1.根据微流控芯片上的图案制备基片与盖片；S2.根据微流控芯片上的图案制备与其图案相同的自蔓延多层膜；S3.分别将进行表面处理后的所述基片和所述盖片层叠在所述自蔓延多层膜两侧面以形成封装结构；S4.对所述封装结构施加压力并引燃所述自蔓延多层膜，燃烧引起材料融化实现所述基片和所述盖片的焊接固定以实现微流控芯片的封装。本发明方法解决了传统的封装工艺中微流道易被堵塞、芯片易受损的问题，并提高了互连的长期可靠性。

Description

一种微流控芯片的封装方法

技术领域

本发明属于微观结构封装技术领域，更具体地，涉及一种微流控芯片的封装方法。

背景技术

由于集成了多种分析功能，具有微通道结构的微流控芯片在生物、化学、医药等领域得到了广泛应用。目前，微流控芯片的封装一般采用胶水粘结、表面改性粘结、热压键合、超声键合和激光互连等方法。然而这些封装工艺存在如下不足：胶水粘结和热压工艺会损害或者堵塞微流道，影响微流控芯片的性能；表面改性粘结虽然可以实现无损互连，但其长期可靠性不佳；超声键合对设备要求很高，必须具有足够高的精度来保证超声能量的集中，否则会造成芯片基体的损伤；而激光互连虽然可以实现快速可靠的互连，却只能用来连接具有不同激光吸收系数的异种材料。因此，上述封装方法的应用范围有限，而为了在不损害微流道的情况下实现长期可靠的互连，就必须要对微流控器件的封装技术进行优化。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种微流控芯片的封装方法，旨在解决传统的封装工艺中微流道堵塞、芯片受损的问题，并提高互连的长期可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种微流控芯片的封装方法，用于对具有微通道结构的微米级别基片和与基片相层叠连接的盖片进行封装得到微流控芯片，其特征在于，包括下述步骤：

S1：根据微流控芯片上的图案制备基片与盖片；

S2：根据微流控芯片上的图案制备与该图案相同的自蔓延多层膜；

S3：分别将进行表面处理后的所述基片和所述盖片层叠在所述自蔓延多层膜两侧面以形成封装结构；

S4：对所述封装结构施加压力并引燃所述自蔓延多层膜，燃烧引起材料融化实现所述基片和所述盖片的焊接固定以实现微流控芯片的封装。

进一步的，所述基片与所述盖片材料为无机非金属材料、高分子材料或者金属中的一种或者多种。

进一步的，在步骤S2中，所述自蔓延多层膜材料为Al-Ni合金、Ti-Al合金或Al-Si合金中的一种或者多种。

进一步的，在步骤S2中，所述自蔓延多层膜是通过沉积或溅射或冲压工艺得到的镀层或预成型片或预成型环中的一种或者多种。

进一步的，所述自蔓延多层膜的图案通过在沉积或溅射或冲压工艺过程中设置遮挡层的方法制备。

进一步的，在步骤S3中，所述的表面处理包括切割、研磨抛光的平整化工艺及清洗干燥的去污工艺的一种或者多种。

进一步的，在步骤S4中，压强范围为0.1～1MPa，施压时间为1～10s。

进一步的，在步骤S4中，所述引燃的方式为电火花、激光或微波中一种或多种。

总体而言，通过与现有相比，本发明技术方案具有如下显著的有益效果：

1、本发明采用自蔓延层燃烧使材料融化而对基片和盖片进行焊接封装，可适用于各种不同工艺制造的多种材料组合的微流控芯片的封装互连，该封装方法适用性强，可被广泛使用。

2、本发明中由于自蔓延燃烧反应升降温速度快、热量集中、反应原材料及反应产物均为固体，因此不会损伤或堵塞微通道，提高了微流控芯片封装过程中的成品率，同时，反应中互连界面处的基体材料受热熔化与反应产物形成可靠互连，提高了器件的长期可靠性。

3、本发明中封装方法操作简便，简化了微流控芯片的生产工艺、降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微流控芯片的封装方法流程图；

图2是本发明实施例提供的塑料微流控芯片的封装结构示意图；

图3是本发明实施例提供的玻璃/硅晶圆微流控芯片的封装结构示意图；

图4是本发明实施例提供的高分子/金属微流控芯片的封装结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-塑料基片，2-塑料盖片，3-塑料基片上的微通道结构，4-自蔓延多层膜环，5-玻璃盖片，6-硅晶圆基片，7-硅晶圆基片上的微通道结构，8-过渡金属化层，9-钎料层，10-自蔓延多层膜，11-金属基片，12-金属基片上的微通道结构，13-高分子盖片，14-图案与金属基片微通道结构相同的自蔓延多层膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例提供的微流控芯片的封装方法实现流程图，以下通过三个具体实施例对其进一步详细说明。

实施例1

图2是本发明实施例提供的塑料微流控芯片的封装结构示意图，在塑料微流控芯片中，可使用本发明所述封装方法直接完成封装。主要工艺步骤包括：

S1：用高分子塑料制作所需尺寸的塑料基片1和塑料盖片2，通过压印的方法在塑料基片1上制备微通道结构3。

S2：根据微通道结构3的图案及盖片2的尺寸使用溅射+遮挡层技术制备图案与塑料基片1上微流控芯片图案相同的自蔓延多层膜环4，自蔓延多层膜环4的材料为Al-Ni合金；

S3：对塑料基片1和塑料盖片2进行平整化工艺和去污工艺，将自蔓延多层膜环4放置于塑料基片1和塑料盖片2之间，且保证微流控结构3、塑料基片1、塑料盖片2以及自蔓延多层膜环4四者的边缘相对准，以形成封装结构；

S4：对步骤S3中所述封装结构施加0.1MPa的压力，施压时间约1s，利用直流电源产生的电火花透过塑料盖片2引燃自蔓延多层膜环4，自蔓延多层膜环4燃烧并熔化界面处的塑料实现具有微通道结构3的塑料基片1与塑料盖片2的焊接，实现对微流控芯片的封装互连。

实验结果证明，塑料盖片和塑料基片的互连强度高且对微通道结构无损伤，没有造成其堵塞，该封装方法实现了微流控芯片的高可靠性封装。

实施例2

如图3所示，由玻璃盖片5和硅晶圆基片6构成的微流控芯片中，硅基片6上制备有微通道结构7，与玻璃盖片5共同构成微流控芯片结构，其封装过程的主要工艺步骤包括：

S1：切割出所需尺寸的玻璃盖片5和硅晶圆基片6，并根据微通道结构7图案通过光刻+刻蚀的工艺在硅晶圆基片6上制备微通道结构7。

S2：根据硅晶圆基片6上的微通道结构7采用冲压工艺制备具有相同图案的自蔓延多层膜10，其材料为Al-Si合金；

S3：先在玻璃盖片5和硅晶圆基片6上通过电镀或沉积的方法制备过渡金属化层8，并在过渡金属化层上制备一层钎料层9。所制备的钎料层9为预成型的钎料箔或丝网印刷或者电镀的焊膏，过渡金属化层8的材料为Ti/Au，钎料层9为预成型的Sn或AuSn的共晶钎料。然后，将自蔓延多层膜片10放置于玻璃盖片5和硅晶圆基片6中间，且保证微通道结构7、玻璃盖片5、硅晶圆基片6以及自蔓延多层膜10四者的边缘相对准，以层叠形成封装结构；

S4：对S3中所述封装结构施加1MPa的压力，施压时间为10s，并利用激光引燃自蔓延多层膜10，自蔓延多层膜燃烧并熔化钎料层9实现玻璃盖片5与硅晶圆基片6的封装互连。

封装过程中，使用过渡金属化层及钎料层提高了玻璃盖片5及硅基片6的界面润湿能力，同时避免了微通道7图形结构的变形及损伤，实现了微流控芯片中异质材料的冶金互连。

实施例3

如图4所示，由高分子盖片13和金属基片11构成的微流控芯片中，金属基片6上制备有微通道结构12，其封装过程的主要工艺步骤包括：

S1：切割出所需尺寸的高分子盖片13和金属基片11，并根据微通道结构12图案通过微细铣削或激光加工的工艺在金属基片11上制备微通道结构12。

S2：根据金属基片11上的微通道结构12，采用遮挡层+物理或化学气相沉积的工艺制备具有相同图案的Ti-Al合金自蔓延多层膜14；

S3：对金属基片11和高分子盖片13进行平整化工艺和去污工艺，将自蔓延多层膜14放置于金属基片1和高分子盖片13之间，且保证金属基片11、微通道结构12、高分子盖片13以及自蔓延多层膜14四者的边缘相对准，以形成封装结构；

S4：对步骤S3中所述封装结构施加0.55MPa的压力，施压时间约5s，利用微波引燃自蔓延多层膜14，自蔓延多层膜14燃烧并熔化界面处的高分子材料和金属材料完成具有微通道结构12的金属基片11与高分子盖片12的焊接，实现对微流控芯片的封装互连。

封装过程中，使用自蔓延多层膜14直接互连金属基片11和高分子盖片12，实现了微流控芯片中物理性能差异较大的异质材料的互连。

上述各实施例中各步骤中盖片和基片的材料组合、自蔓延多层膜的材料、对封装结构施压的压力以及施压维持时间仅用于示例和解释，本发明的方案中并不限于上述具体的数值，即不具体限定施压的压力为0.1MPa、0.55MPa、1.0MPa，且不具体限定施压时间为1s、5s以及10s，也不限定于上述具体的材料以及相互的组合，只要在权利要求书所述的范围内，即施压时间为1s～10s、施压压力为0.1～10MPa均属于本发明的保护范围，且只要在权利要求书所述基片与盖片材料、自蔓延多层膜的材料、施压压力、施压时间以及引燃方式间进行组合均属于本发明所保护范围内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微流控芯片的封装方法，其特征在于，用于对具有微通道结构的微米级别基片和与基片相层叠连接的盖片进行封装得到微流控芯片，包括下述步骤：

S1：根据微流控芯片上的图案制备基片与盖片；

S2：根据微流控芯片上的图案制备与该图案相同的自蔓延多层膜；

S3：将进行表面处理后的所述基片和所述盖片分别层叠在所述自蔓延多层膜两侧面以形成封装结构；

S4：对所述封装结构施加压力并引燃所述自蔓延多层膜，燃烧引起材料融化使所述基片和所述盖片相焊接固定以实现微流控芯片的封装。

2.如权利要求1所述的一种微流控芯片的封装方法，其特征在于，所述基片与所述盖片的材料为无机非金属材料、高分子材料或者金属中的一种或者多种。

3.如权利要求1或2所述的一种微流控芯片的封装方法，其特征在于，在步骤S2中，所述自蔓延多层膜材料为Al-Ni合金、Ti-Al合金和Al-Si合金中的一种或者多种。

4.如权利要求1-3之一所述的封装方法，其特征在于，在步骤S2中，所述自蔓延多层膜是通过沉积或溅射或冲压工艺得到的镀层或预成型片或预成型环中的一种或者多种。

5.如权利要求1-4之一所述的封装方法，其特征在于，在步骤S2中，所述自蔓延多层膜的图案通过在沉积或溅射或冲压工艺过程中设置遮挡层的方法制备。

6.如权利要求1-5之一所述的封装方法，其特征在于，在步骤S3中，所述的表面处理包括平整化工艺和去污干燥工艺的一种或者多种，其中，平整化工艺包括切割和研磨抛光的一种或者多种。

7.如权利要求1-6之一所述的封装方法，其特征在于，在步骤S4中，压强范围为0.1～1Mpa。

8.如权利要求1-7之一所述的封装方法，其特征在于，在步骤S4中，施压时间为1～10s。

9.如权利要求1-8之一所述的封装方法，其特征在于，在步骤S4中，所述引燃方式为电火花、激光和微波中一种或多种。