CN115256819A - 基片注塑模具、微流控芯片注塑模具及键合方法 - Google Patents

Abstract

提供一种基片注塑模具用于制备微流控芯片的基片，基片包括微流道和流道接口，该基片注塑模具包括定模、动模及型腔，型腔由定模与动模合模形成，用于容纳注塑液体，以成型基片，定模包括定模板和定模镶件，定模镶件朝向型腔一侧包括定模凸台和凹模，凹模用于限定基片的外表面，定模凸台用于成型微流道；动模包括动模板和动模镶件，至少部分动模镶件凸出设置并延伸至型腔内，形成针形凸出；其中，至少部分定模凸台的尾端与针形凸出的表面相抵，以通过靠破方式成型流道接口，定模凸台的截面呈梯形，以使微流道的切面呈倒梯形。上述模具能够高效地制造基片。还提供一种微流控芯片注塑模具和微流控芯片键合方法。

Description

基片注塑模具、微流控芯片注塑模具及键合方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，具体涉及微流控芯片注塑及键合工艺领域。

背景技术

近年来，微流控芯片技术具备在微尺度条件下控制流体，具备制备、反应、检测、分离等一体化功能，因此在药物合成与分析、微滴合成、PCR分析、以及环境检测等重要领域得到较为广泛的应用。从目前微流控芯片的设计、加工和测试方法来看，一方面基于各类材料的微流控芯片，缺乏统一的加工工艺规范，另一方面微流控芯片的芯片流道设计、接口技术及设计、封装质量检测技术也没有相应标准等问题。

微流控芯片产品主要分为主体加工和键合封接两大方面。首先主体结构是通过加工方式实现批量生产，其次需要通过封接方式，将主体结构密封，即键合工艺，最终实现完整微流控芯片的制备。一般地说，键合工艺主要分为热键合和阳极键合，两种键合方式比在玻璃和硅片上加工微结构的方式更困难，温度较高容易使芯片上的通道变形，甚至塌陷现象，造成芯片成品率不高。因此开发温和、适宜的键合工艺是微流控芯片生产的关键点。

中国专利CN113290770A及CN109482247B公开了微流控芯片的注塑制造工艺，并公开了模具的装配结构图，但未涉及接口与流道的设计、微结构的设计，同时只是针对简单流道的加工，模具简单，未提出芯片的封装工艺，整套方案存在精度低、质量偏离度高、批次间差异等不确定性因素。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基片注塑模具，能够高效地制造基片。

为实现上述目的的一种基片注塑模具用于制备微流控芯片的基片，所述基片上包括微流道和流道接口，该基片注塑模具包括定模、动模及型腔，所述型腔由所述定模与所述动模合模形成，用于容纳注塑液体，以成型所述基片，所述定模包括定模板和定模镶件，所述定模镶件朝向所述型腔一侧包括定模凸台和凹模，所述凹模用于限定所述基片的外表面，所述定模凸台用于成型所述微流道；所述动模包括动模板和动模镶件，至少部分所述动模镶件凸出设置并延伸至所述型腔内，形成针形凸出；其中，至少部分所述定模凸台的尾端与所述针形凸出的表面相抵，以通过靠破方式成型所述流道接口，所述定模凸台的截面呈梯形，以使所述微流道的切面呈倒梯形。

在一个或多个实施例中，所述定模凸台的梯形截面至少部分内角大于90°并小于120°，以使脱模角度小于30°。

在一个或多个实施例中，所述注塑模具还包括顶针和顶针底座，所述顶针设置在所述顶针底座上，贯穿所述动模并设置成与所述基片的边缘直接接触，以在边缘顶出成型后的所述基片。

在一个或多个实施例中，所述流道接口与所述微流道的延伸方向彼此垂直，所述定模凸台的尾端与所述针形凸出的表面垂直设置。

在一个或多个实施例中，该模具还包括贯穿所述定模的主流道，用于向所述型腔注入注塑液体。

在一个或多个实施例中，所述主流道通向所述型腔的尾部包括扇形浇口。

在一个或多个实施例中，该基片注塑模具的注塑材料为有机聚合物。

本发明的另一个目的是提供一种微流控芯片注塑模具，用于制备微流控芯片，所述微流控芯片包括基片与背板，该注塑模具包括如权利要求-任一项所述的基片注塑模具，其中，所述注塑模具还包括背板定模镶件和背板动模镶件，以分别替换所述基片注塑模具的定模镶件和动模镶件，用于制造所述背板。

本发明的再一个目的是提供一种微流控芯片键合方法，用于热键合微流控芯片的背板和基片，所述背板和所述基片由权利要求所述的微流控芯片注塑模具制成，该方法包括如下步骤：S1.将含有微流道的基片正对背板对齐，接口向外地放置于光滑平台上，将环境调整为真空并保持一段时间；S2.对所述基片与所述背板进行加压和升温；S3.在压力和温度同时作用下以一定键合压力和键合时间对所述基片和所述背板进行键合，获得微流控芯片。

在一个或多个实施例中，在步骤S2中，进行加压的压力范围为0.005-0.5MPa，进行升温的温度范围为100～150℃，在步骤S3中，键合时间范围为1～30min。

在一个或多个实施例中，在步骤S1前先预热所述光滑平台。

上述基片注塑模具通过将定模凸台的截面设计梯形，能够便于脱模，防止撕裂等现象发生，使基片在脱模过程中平稳推出；还通过将针形凸台与定模凸台设置成彼此接触，能够通过靠破的方式获得产品的接口。

上述微流控芯片注塑模具通过对芯片的注塑模具版式进行开发，同时对芯片微结构的垂直进料、顶针排布、脱模角度等设计，具有复制度高的特点，且操作简单方便，能够实现工业上高效批量化的生产。

上述微流控芯片键合方法通过控制材质属性、键合温度、真空度实现二次熔融的基片与背板的封接，保证流道未塌陷与变形，具备批量化生产、成品率高、成本低等优势，有助于为多品质、多结构微流控芯片提供实现方案。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是基片注塑模具的结构示意图。

图2是基片的平面示意图。

图3A是定模凸台的结构示意图。

图3B是微流道的结构示意图。

图4是微流控芯片的平面示意图。

图5是针形凸出的示意图。

图6是基片和背板进行键合时的示意图。

图7是制备液滴的4X显微图片。

图8A是定模凸台和针形凸出的靠破结构示意图。

图8B是基片中微流道和流道接口的位置示意图。

图9是微流控芯片键合方法的流程图。

符号标记说明

1 定模

2 动模

3 型腔

4 顶针

6 主流道

9 微流控芯片

11 定模板

12 定模镶件

14 定模凸台

15 凹模

23 动模板

24 动模镶件

26 针形凸出

41 顶针底座

60 扇形浇口

91 基片

92 背板

911 微流道

912 流道接口

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

微流控芯片的加工技术起源于半导体及集成电路芯片的微细加工，因此最早的单晶硅作为微流控芯片材料，其具有化学惰性和热稳定性，加工工艺成熟，可使用光刻和蚀刻的技工技术实现生产。但其最大缺点为材料表面性质单一、易碎、价格昂贵，不适应于产业化应用。

对于玻璃和石英作为微流控芯片材料，多采用光刻和蚀刻技术进行加工，具有很好的电渗性质、优良的光学性质，且可用化学方法进行表面改性，缺点是光刻的加工成本较高，造成芯片单价可能高达千元级别，同时最主要是针对芯片结构上的流道，键合难度较大，无法封装。

对于有机聚合物作为微流控芯片材料，考虑成本低、品种多，可通过阳模热压法、模塑法等方法得到深宽比大的能道，同时可廉价大量地生产，价格可低至数元，成为生产微流控芯片的重要途经之一。

微流控芯片9包括基片91与背板92，基片91上含有微流道，背板92表面光滑。如图4和图6所示，基片91与背板92彼此相对，基片91上包括微流道911和流道接口912，通过热键合的方式获得完整的微流控芯片9。本公开的基片注塑模具用于高效地批量制备基片91。

参照图1至图3所示，基片注塑模具包括定模1、动模2及型腔3，型腔3由定模1与动模2合模形成，用于容纳注塑液体，以成型基片91。注塑粒子为有机聚合物，优选聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)、环烯烃聚合物(Cyclo Olefin Polymer，COP)等材质。微流控芯片材质选用有机聚合物材料，避免传统材料的成本高问题，便于市场推广与应用。

定模1包括定模板11和定模镶件12，定模镶件12可以通过螺丝安装于定模板11上。定模镶件12朝向型腔3的一侧包括定模凸台14和凹模15。凹模15用于限定基片91的外表面，定模凸台14用于成型微流道911。例如，定模镶件12的部分凸出表面并延伸至型腔3内，形成定模凸台14。

凹模15如图4所示，用于存储高温下的有机聚合物，凹模15的大小限定出基片91的尺寸，例如为长方形玻片。定模凸台14参照图3A和图3B理解，在注塑阶段，高温下呈液态的有机聚合物流至定模凸台14附近的A区域，并在冷却后成型。受定模凸台14的限定，区域A将形成图3B所示的微流道911，区域B即为合模时定模凸台14所在位置，由此通过注塑方式限定出微流道911，加工宽度最低可达50μm。

可以理解的是，定模凸台14的形状将决定微流道911的形状。微流道911整体可以为十字性和T型组合的结构。将定模凸台14的截面设置为呈梯形，以使微流道911的切面呈倒梯形，便于脱模。因脱模角度的存在，可防止基片91发生撕裂，使基片91在脱模过程中平稳推出。

进一步的，在一些实施例中，定模凸台14的梯形截面至少部分内角大于90°并小于120°，如图3A中角β所示，以使脱模角度a小于30°。将脱模角度a设置为小于30°，能够有效增加芯片的平面度，降低翘曲变形。

动模2包括动模板23和动模镶件24，动模镶件24可以通过螺丝安装与动模板23上。至少部分动模镶件24凸出设置并延伸至型腔3内，形成针形凸出26。其中，至少部分定模凸台14的尾端与针形凸出26的表面相抵，以通过靠破方式成型流道接口912。

具体的，参照图5、图8A和图8B理解，图8A中定模凸台14所在区域将在冷却后注塑形成图8B中的微流道911，与定模凸台14表面接触的针形凸出26将避免注塑粒子流过该接触部分的定模凸台14的表面，从而在开模时通过靠破的方式产生孔隙，该孔隙即为微流道911相连通的基片91流道接口912，如图8B所示，从而高效简单的实现接口的注塑成型。

优选的，在一些实施例中，流道接口912与微流道911的延伸方向彼此垂直，定模凸台14的尾端与针形凸出26的表面垂直设置，针形凸出26与定模凸台14的靠破角度为垂直方向，从而在脱模后限定出产品的接口流道接口912贯穿微流控芯片9。采用靠破方式进行连接，方便垂直进样。此时微流道911成型于基片91的一侧，流道接口912由于贯穿基片91，其开口在基片91的另一侧。

该模具还包括贯穿定模1的主流道6，用于向型腔3注入注塑液体。优选的，主流道6通向型腔3的尾部包括扇形浇口60，扇形浇口有利于聚合物熔体在宽度方向得到较好的分配，获得平缓的流动前沿，降低制品内应力。

注塑模具还包括顶针4和顶针底座41，顶针4设置在顶针底座41上，贯穿动模2并设置成与基片91的边缘直接接触，以在边缘顶出成型后的基片91。

具体的，如图2所示，在注塑时，有机聚合物粒子经过前端熔融之后，经合模，由主流道6进入型腔3，并由扇形浇口60浇注，再经保压、冷却阶段，成型后的基片91留在动模2一侧，再由顶针4顶出。

通过将顶针4设置在芯片的边缘位置，注塑结束后，扇形浇口60与边缘顶针4可以通过切割方式进行去除，切除后完成微流控芯片的基片91，上述方法能够使透明的微流控芯片上无印痕，使成品不留有推杆痕迹。

在一些实施例中，基片注塑模具为316不锈钢材质。可经受模次大于30万次，产量约100片/h，符合工业的批量化生产需求。

在一些实施例中，该基片注塑模具还包括电加热调温系统，保证注塑粒子从主流道到型腔过程中，持续保温，同时避免粒子过冷聚合，提高整体注塑件的强度。

上述基片注塑模具通过将定模凸台14的截面设计梯形，能够便于脱模，防止撕裂等现象发生，使基片在脱模过程中平稳推出；顶针分布在主体边缘，避免印痕问题；此外还通过将针形凸出26与定模凸台14设置成彼此接触，能够通过靠破的方式获得产品的接口。通过对芯片的注塑模具版式进行开发，同时对芯片微结构的垂直进料、顶针排布、脱模角度等设计，具有复制度高的特点，且操作简单方便，能够实现工业上高效批量化的生产。

结合上述对基片注塑模具的介绍，还可以理解到一种微流控芯片注塑模具，该模具用于制备微流控芯片9，微流控芯片9包括基片91与背板92，也即该注塑模具能够同时制造基片91和背板92。

微流控芯片注塑模具的包括上述基片注塑模具，基本结构与图1所示的基片注塑模具结构相同，其中，注塑模具还包括背板定模镶件和背板动模镶件，以分别替换基片注塑模具的定模镶件12和动模镶件24，用于制造背板92。

也即通过将前述定模镶件12和动模镶件24替换为用于制造背板的背板定模镶件和背板动模镶件，可以通过一套模具单独制备出彼此匹配的基片91与背板92，芯片的成品率较高，具有较佳的经济性和便捷性。

还可以理解到一种微流控芯片键合方法，用于热键合微流控芯片9的背板92和基片91，例如前述通过微流控芯片注塑模具注塑获得的基片91与背板92，实现注塑键合流程的连续化操作。

基片91与背板92采用同等材质，具备相同的玻璃化转变温度，以实现二者的热键合。

参照图9所示的流程图，该方法包括如下步骤。

首先进行步骤S1，将含有微流道911的基片91正对背板92对齐，接口向外地放置于光滑平台上，将环境调整为真空并保持一段时间。维持真空的目的是将间隙中气泡去除。键合环境优选为真空度为-0.1Mpa的真空环境，以有效去除基片91与背板92之间的气泡。

随后进行步骤S2，对基片91与背板92进行加压和升温，获得适于热键合的环境。压力和温度由注塑材料确定。

如在一些实施例中，进行升温的温度范围为100～150℃，进行加压的压力范围为0.005-0.5MPa。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为例，较为合适的压力为0.01Mpa，较为合适的温度为102℃。

获得合适的压力和温度后，进行步骤S3，在压力和温度同时作用下以一定键合压力和键合时间对基片91和背板92进行键合，获得微流控芯片。在一些实施例中，键合时间的范围为1～30min，优选2-10min；键合压力可以理解为步骤S2中的加压压力，范围为0.005-0.5Mpa，优选0.05-0.1MPa。在S2完成加压之后，无需再调节键合压力。

具体的，注塑粒子以聚甲基丙烯酸甲酯PMMA为例，通过上述模具制备出基片91与背板92，将含有微流道911的基片91正对背板92，流道接口912向外；然后将基片91与背板92对齐放置在光滑的玻璃平面上，将环境调整真空度为-0.1MPa，一直维持真空，目的将间隙中气泡去除；启动加压装置，设置压力0.01MPa，将两片材加压；再启动加热装置，设置温度102℃，升温至102℃，记录保压键合时间为2min，停止加热，去除压力，取出冷却，完成微流控芯片的有效键合。

在另一些实施例中，可以在步骤S1前先预热光滑平台，由于从室温到目标温度的键合平台的升温过程时间较长，可以先预热，保证加工的连续性。如注塑粒子以环烯烃聚合物COP为例，通过上述模具制备出基片与背板，预先启动加热装置，升温至135℃，然后将对齐放置于加热平台上，抽真空，再启动加压装置，设置压力0.08MPa，将两片材加压，记录保压时间为3min，停止加热，去除压力，取出冷却，完成微流控芯片键合，此过程无升温程序，能够实现快速键合，进一步批量化生产。

此外，在完成第一个微流控芯片的键合后，第二个芯片的平台已经相当于预热后，可直接进行键合。

通过上述方法制备的微流控芯片，特别是在控制材质属性、键合温度、真空度下实现二次熔融的基片与背板的封接，保证流道未塌陷、变形，且芯片表面无物料收缩、无表面缩痕等宏观缺陷，从而能够批量化获得完整的微流控芯片。

通过热键合方式将注塑后的基片与背板封接，时间短，效率高，即可获得完整的微流控芯片，大大降低复杂的生产工艺，具备批量化生产、成品率高、成本低等优势，有助于为多品质、多结构微流控芯片提供实现方案。

此外，在微流控芯片的性能检测方面，到目前为止尚没有国际或行业组织制定相关标准。然而要实现微流控芯片的大规模产业化和推广应用，芯片的性能和质量检测是必不少。而芯片的键合强度是量产化芯片主要测试的内容微流控芯片的键合强度，其键合强度直接影响了芯片在液体操控过程中承压性能。

通过液滴试验以测量微流控芯片的耐压和微流道的使用性能。液滴试验是直接最终使用对象，因此通过终端应用能够有效检测微流控芯片的性能和价值。图7示出了经由上述微流控芯片注塑及键合方法获得的微流控芯片所制备的液滴照片，经注射成型，微流控芯片的流道长、宽尺寸为100um、深尺寸为50um，再通过热压键合方式，按照COP材质进行键合。各液滴具有完整球状结构，液滴制备均匀，大小一致，显示微流道未变形及光滑，具有良好的实际应用性能。同时稳定运行72h，且运行后芯片完整，未破裂，显示其较强的键合强度，彰显微流控芯片结构设计的合理性、剪切力稳定，同时未发生漏液等优势，符合微流控芯片的大规模产业化和推广应用。

本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基片注塑模具，用于制备微流控芯片(9)的基片(91)，所述基片(91)包括微流道(911)和流道接口(912)，该基片注塑模具包括定模(1)、动模(2)及型腔(3)，所述型腔(3)由所述定模(1)与所述动模(2)合模形成，用于容纳注塑液体，以成型所述基片(91)，其特征在于，

所述定模(1)包括定模板(11)和定模镶件(12)，所述定模镶件(12)朝向所述型腔(3)一侧包括定模凸台(14)和凹模(15)，所述凹模(15)用于限定所述基片(91)的外表面，所述定模凸台(14)用于成型所述微流道(911)；

所述动模(2)包括动模板(23)和动模镶件(24)，至少部分所述动模镶件(24)凸出设置并延伸至所述型腔(3)内，形成针形凸出(26)；

其中，至少部分所述定模凸台(14)的尾端与所述针形凸出(26)的表面相抵，以通过靠破方式成型所述流道接口(912)，所述定模凸台(14)的截面呈梯形，以使所述微流道(911)的切面呈倒梯形。

2.如权利要求1所述的基片注塑模具，其特征在于，所述定模凸台(14)的梯形截面至少部分内角大于90°并小于120°，以使脱模角度小于30°。

3.如权利要求1所述的基片注塑模具，其特征在于，所述注塑模具还包括顶针(4)和顶针底座(41)，所述顶针(4)设置在所述顶针底座(41)上，贯穿所述动模(2)并设置成与所述基片(91)的边缘直接接触，以在边缘顶出成型后的所述基片(91)。

4.如权利要求1所述的基片注塑模具，其特征在于，所述流道接口(912)与所述微流道(911)的延伸方向彼此垂直，所述定模凸台(14)的尾端与所述针形凸出(26)的表面垂直设置。

5.如权利要求1所述的基片注塑模具，其特征在于，该模具还包括贯穿所述定模(1)的主流道(6)，用于向所述型腔(3)注入注塑液体。

6.如权利要求5所述的基片注塑模具，其特征在于，所述主流道(6)通向所述型腔(3)的尾部包括扇形浇口(60)。

7.如权利要求1所述的基片注塑模具，其特征在于，该基片注塑模具的注塑材料为有机聚合物。

8.一种微流控芯片注塑模具，用于制备微流控芯片(9)，所述微流控芯片(9)包括基片(91)与背板(92)，其特征在于，该注塑模具包括如权利要求1-7任一项所述的基片注塑模具，

其中，所述注塑模具还包括背板定模镶和背板动模镶件，以分别替换所述基片注塑模具的定模镶件(12)和动模镶件(24)，用于制造所述背板(92)。

9.一种微流控芯片键合方法，用于热键合微流控芯片(9)的背板(92)和基片(91)，其特征在于，所述背板(92)和所述基片(91)由权利要求8所述的微流控芯片注塑模具制成，该方法包括如下步骤：

S1.将含有微流道(911)的基片(91)正对背板(92)对齐，接口向外地放置于光滑平台上，将环境调整为真空并保持一段时间；

S2.对所述基片(91)与所述背板(92)进行加压和升温；

S3.在压力和温度同时作用下以一定键合压力和键合时间对所述基片(91)和所述背板(92)进行键合，获得微流控芯片。

10.如权利要求9所述的微流控芯片键合方法，其特征在于，在步骤S2中，进行加压的压力范围为0.005-0.5MPa，进行升温的温度范围为100～150℃，在步骤S3中，键合时间范围为1～30min。

11.如权利要求9所述的微流控芯片键合方法，其特征在于，在步骤S1前先预热所述光滑平台。

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