CN115364913A - 一种热塑性芯片的键合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热塑性芯片的键合方法，属于芯片键合技术领域，所述方法包括：通过溶剂键合的方式将两块热塑性芯片进行预键合，获得预键合体；将所述预键合体进行加压并浸没于40～80℃的水中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，获得键合体。该方法能够有效改善溶剂键合中由于溶剂残留而导致的微通道变形和尺寸损失的问题，进而提高热塑性芯片的键合质量。

Description

一种热塑性芯片的键合方法
技术领域
本发明属于芯片键合技术领域，特别涉及一种热塑性芯片的键合方法。
背景技术
目前，微流体芯片广泛应用在分析化学、化学合成、生物学实验、药物开发以及生物医学诊断等领域。在微流控芯片的制造中，热塑性聚合物由于价格低廉、柔性、光学透明、化学惰性和生物相容性等优势，逐步替代硅和玻璃成为微流控芯片商业化的主流选择。
在热塑性芯片的制造中，热塑性基材上的微通道的密封方法有热压粘合、溶剂粘合、胶粘接键合、微波热键合、表面改性键合、超声波键合和激光键合。在这些方法中，由于工艺简单，溶剂键合和热键合是最常用的方法。溶剂键合是使用的溶剂(例如乙醇、丙酮、乙睛、二甲亚砜、二氯甲烷和异丙醇的混合溶液等)暂时软化并溶解热塑性塑料的表面，并在施加适当压力后使其粘合。热压键合是将热塑性聚合物材料加热到接近其玻璃化转变温度，使其变软或熔化以形成键。但是，热压键合需要高能量，因为该过程包括加热到接近玻璃化转变温度(通常超过100℃)并伴有加压，这可能导致通道变形。目前，基于溶剂键合和热压键合的优缺点，已有一种溶剂辅助的热压键合方法，即先溶剂键合的方法形成预键合，再使用热压键合机或在烘箱里夹持施压的方式进行键合，该方法利用溶剂键合进行快速键合、热压键合加强键合强度，同时不需要单一热压键合那么高的温度，是一种相对低温、快速的键合技术。但是采用这种方法，容易出现通道变形和尺寸损失的问题，进而影响键合的质量。
发明内容
为了解决热塑性芯片键合质量难以把控的技术问题，本发明提供了一种热塑性芯片的键合方法，该方法能够有效改善溶剂键合中由于溶剂残留而导致的微通道变形和尺寸损失的问题，进而提高热塑性芯片的键合质量。
本发明通过以下技术方案实现：
本申请提供一种热塑性芯片的键合方法，所述方法包括：
通过溶剂键合的方式将两块热塑性芯片进行预键合，获得预键合体；
将所述预键合体进行加压并浸没于40～80℃的水中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，获得键合体。
可选的，所述通过溶剂键合的方式将两块热塑性芯片进行预键合，获得预键合体，具体包括：
将两块热塑性芯片浸没在溶剂中软化1～5min；
将两块所述热塑性芯片贴合并垂直于贴合面施加0.5～5MPa压力，维持压力0.5～1min，获得预键合体。
可选的，所述将所述预键合体进行加压并浸没于40～80℃的水中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，获得键合体，具体包括：
将所述预键合体垂直于贴合面进行加压并浸没于40～80℃的水中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，维持5～30min，获得键合体。
可选的，所述热塑性芯片的材质包括聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯和聚丙烯中的至少一种。
可选的，两块所述热塑性芯片的材质相同或不同。
可选的，所述水的温度大于或等于两块所述热塑性芯片的玻璃化转变温度中的最低温度。
可选的，所述水为纯水、去离子水和蒸馏水中的任意一种。
可选的，所述水浴键合中，所述预键合体的加压通过夹持装置进行。
可选的，所述热塑性芯片的形状包括圆柱体、长方体和正方体中的任意一种。
可选的，所述溶剂包括乙醇、丙酮、乙睛、二甲亚砜、二氯甲烷和异丙醇中的至少一种。
本发明中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1.本发明一种热塑性芯片的键合方法，通过溶剂键合的方式对两块热塑性芯片进行预键合，对获得的预键合体浸没于水中加压键合，水浴环境使得待键合芯片受热更加均匀，有助于键合的均匀性，水浴键合环境也使得溶剂键合过程流入热塑性芯片微通道里的溶剂迅速被稀释，从而改善溶剂键合中由于溶剂残留而导致的微通道变形和尺寸损失的问题，进而提高热塑性芯片的键合质量。
2.本发明一种热塑性芯片的键合方法，先通过溶剂键合，暂时软化并溶解热塑性芯片的表面，并施加适当压力后使其粘合，预键合后水浴键合，预键合能够降低水浴键合所需温度和压力，避免热塑性芯片微通道变形，进而提高热塑性芯片的键合质量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本申请中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一种热塑性芯片的键合方法流程图；
图2是本发明一种热塑性芯片的键合方法示意图。
图2中，1-热塑性芯片一，2-热塑性芯片二，3-上板，4-下板，5-水浴槽，6-纯水。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
还需要说明的是，本发明中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
本申请提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
申请人经过试验和研究发现，目前溶剂键合+热键合工艺容易出现通道变形和尺寸损失问题的原因在于：溶剂键合环节中有机溶剂会残留在微流控芯片的通道中，在后续热压键合中受温度和压力作用下继续对热塑性材料起作用，进而会导致通道的变形、尺寸损失，影响键合的质量。基于此，本发明提供一种热塑性芯片的键合方法。
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种热塑性芯片的键合方法，如图1所示，所述方法包括：
S1.通过溶剂键合的方式将两块热塑性芯片进行预键合，获得预键合体；
S2.将所述预键合体进行加压并浸没于40～80℃的水中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，获得键合体。
本发明中，通过溶剂键合的方式对两块热塑性芯片进行预键合，对获得的预键合体浸没于水中加压键合，水浴环境使得待键合芯片受热更加均匀，有助于键合的均匀性，水浴键合环境也使得溶剂键合过程流入热塑性芯片微通道里的溶剂迅速被稀释，从而改善溶剂键合中由于溶剂残留而导致的微通道变形和尺寸损失的问题，进而提高热塑性芯片的键合质量。
本发明中，先通过溶剂键合，暂时软化并溶解热塑性芯片的表面，并施加适当压力后使其粘合，预键合后水浴键合，预键合能够降低水浴键合所需温度和压力，避免热塑性芯片微通道变形，进而提高热塑性芯片的键合质量。
作为一种可选的实施方式，所述通过溶剂键合的方式将两块热塑性芯片进行预键合，获得预键合体，具体包括：
将两块热塑性芯片浸没在溶剂中软化1～5min；
将两块所述热塑性芯片贴合并垂直于贴合面施加0.5～5MPa压力，维持压力0.5～1min，获得预键合体。
本申请中，软化时间为1～5min的好处是使两块所述热塑性芯片表面产生充分液化溶解，预键合压力为0.5～5MPa，压力维持时间为0.5～1min的好处是使得两块所述热塑性芯片之间产生预键合，低于该范围带来的不利影响是预键合不彻底导致后续水浴键合中水进入热塑性芯片之间，高于该范围带来的不利影响是热塑性芯片表面溶剂未挥发完全前持续溶解热塑性芯片，增大热塑性芯片变形的风险。
作为一种可选的实施方式，所述将所述预键合体进行加压并浸没于40～80℃的水中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，获得键合体，具体包括：
将所述预键合体垂直于贴合面进行加压并浸没于40～80℃的水中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，维持5～30min，获得键合体。
本申请中，水的温度为40～80℃的好处是在高温作用下，两块所述热塑性芯片接触面的大分子扩散运动会加剧，使得两块热塑性芯片的分子链更好的交联在一起，作用压力为0.5～5MPa的好处是在适当压力下，使得两块热塑性芯片的分子链更好的交联在一起，该温度和压力能够避免热塑性芯片在键合过程中通道变形。
作为一种可选的实施方式，所述热塑性芯片的材质包括聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯和聚丙烯中的至少一种。
本申请中，热塑性芯片的材质可采用上述现有材料，也可采用其他材料。
作为一种可选的实施方式，两块所述热塑性芯片的材质相同或不同。
作为一种可选的实施方式，所述水的温度大于或等于两块所述热塑性芯片的玻璃化转变温度中的最低温度。
本申请中，水的温度大于或等于两块所述热塑性芯片的玻璃化转变温度中的最低温度，可避免在水浴键合中，由于温度超过热塑性芯片的玻璃化转变温度导致的热塑性芯片受压后通道变形。
作为一种可选的实施方式，所述水为纯水、去离子水和蒸馏水中的任意一种。
作为一种可选的实施方式，所述水浴键合中，所述预键合体的加压通过夹持装置进行。
本申请中，所述预键合体的加压通过夹持装置进行，操作时将预键合体置于夹持装置的两个夹板之间，施加压力。
作为一种可选的实施方式，所述热塑性芯片的形状包括圆柱体、长方体和正方体中的任意一种。
本申请中，热塑性芯片的形状可以为上述形状，也可为其他形状。
作为一种可选的实施方式，所述溶剂包括乙醇、丙酮、乙睛、二甲亚砜、二氯甲烷和异丙醇中的至少一种。
本申请中，溶剂可采用上述现有溶剂，也可采用其他溶剂。。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本申请一种热塑性芯片的键合方法进行详细说明。
实施例
一种热塑性芯片的键合方法，如图2所示，包括：
(1)预键合：将长方体状的热塑性芯片一1和热塑性芯片二2浸没在溶剂中软化1～5min；将热塑性芯片一1和热塑性芯片二2贴合并垂直于贴合面施加0.5～5MPa压力，维持压力0.5～1min，其中，溶剂具体采用乙醇，溶剂温度为60℃。
(2)将夹持装置的上板3和下板4对步骤(1)获得的预键合体垂直于贴合面进行加压，后浸没于水浴槽5内40～80℃的纯水6中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，维持5～30min，获得键合体。
(3)水浴键合完成后，将夹持装置从水浴槽5中取出，去除夹持装置，得到键合后的热塑性芯片。
基于上述制备方法，本发明提供2个典型的实施例，各实施例的工艺参数如表1所示。
表1实施例1、2的工艺参数
Figure BDA0003072053690000051
Figure BDA0003072053690000061
对比例
一种热塑性芯片的键合方法，包括：
(1)预键合：将长方体状的热塑性芯片一和热塑性芯片二浸没在溶剂中软化1～5min；将热塑性芯片一和热塑性芯片二贴合并垂直于贴合面施加0.5～5MPa压力，维持压力0.5～1min，其中，溶剂具体采用乙醇，溶剂温度为60℃。
(2)将夹持装置的上板和下板对步骤(1)获得的预键合体垂直于贴合面进行加压，后置于40～80℃的烘箱内，在0.5～5MPa压力下进行键合，维持5～30min，获得键合体。
(3)键合完成后，将夹持装置从烘箱中取出，去除夹持装置，得到键合后的热塑性芯片。
基于上述制备方法，本发明提供2个对比例，各对比例的工艺参数如表2所示。
表2对比例1、2的工艺参数
Figure BDA0003072053690000062
表1、2中，芯片一材质和芯片二材质分别指的是热塑性芯片一材质和热塑性芯片二材质，各实施例和对比例的芯片一和芯片二均为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材质。
相关实验：
将实施例1、2和对比例1、2制得的热塑性芯片进行性能检测，测试结果如表3所示。
相关测试方法：
通道变形率的测试方法为：键合前通过显微镜等仪器测量两块热塑性芯片上通道的尺寸，根据测量尺寸计算通道的容量S0；键合后通过注射泵将有色溶液注入制得的热塑性芯片，测量热塑性芯片注满有色液体所用的液体容量S1；通道变形率为
Figure BDA0003072053690000063
芯片尺寸变形率的测试方法为：键合前和键合后都通过显微镜等仪器测量两块热塑性芯片上通道的尺寸，分别为L0和L1；尺寸变形率为
Figure BDA0003072053690000064
表3实施例1、2和对比例1、2制得的热塑性芯片性能检测结果
Figure BDA0003072053690000065
Figure BDA0003072053690000071
从表1-3可以得出，实施例1和2采用本发明一种热塑性芯片的键合方法，能够有效改善溶剂键合中由于溶剂残留而导致的微通道变形和尺寸损失的问题，进而提高热塑性芯片的键合质量。
对比例1的键合方法与本发明不同，对比例1的键合方法不采用水浴键合，采用的是在烘箱中键合，其余工艺及各工艺参数均与实施例1相同，制得的热塑性芯片的通道变形率和芯片尺寸变形率显著高于实施例1，这说明本发明的水浴键合方式能够有效降低热塑性芯片的通道变形率和尺寸损失率。
对比例2的键合方法与本发明不同，对比例2的键合方法不采用水浴键合，采用的是在烘箱中键合，其余工艺及各工艺参数均与实施例2相同，制得的热塑性芯片的通道变形率和芯片尺寸变形率显著高于实施例2，这说明本发明的水浴键合方式能够有效降低热塑性芯片的通道变形率和尺寸损失率。
本申请中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)本申请一种热塑性芯片的键合方法，通过溶剂键合的方式对两块热塑性芯片进行预键合，对获得的预键合体浸没于水中加压键合，水浴环境使得待键合芯片受热更加均匀，有助于键合的均匀性，水浴键合环境也使得溶剂键合过程流入热塑性芯片微通道里的溶剂迅速被稀释，从而改善溶剂键合中由于溶剂残留而导致的微通道变形和尺寸损失的问题，进而提高热塑性芯片的键合质量。
(2)本申请一种热塑性芯片的键合方法，先通过溶剂键合，暂时软化并溶解热塑性芯片的表面，并施加适当压力后使其粘合，预键合后水浴键合，预键合能够降低水浴键合所需温度和压力，避免热塑性芯片微通道变形，进而提高热塑性芯片的键合质量。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种热塑性芯片的键合方法，其特征在于，所述方法包括：
通过溶剂键合的方式将两块热塑性芯片进行预键合，获得预键合体；
将所述预键合体进行加压并浸没于40～80℃的水中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，获得键合体。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性芯片的键合方法，其特征在于，所述通过溶剂键合的方式将两块热塑性芯片进行预键合，获得预键合体，具体包括：
将两块热塑性芯片浸没在溶剂中软化1～5min；
将两块所述热塑性芯片贴合并垂直于贴合面施加0.5～5MPa压力，维持压力0.5～1min，获得预键合体。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性芯片的键合方法，其特征在于，所述将所述预键合体进行加压并浸没于40～80℃的水中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，获得键合体，具体包括：
将所述预键合体垂直于贴合面进行加压并浸没于40～80℃的水中，在0.5～5MPa压力下进行水浴键合，维持5～30min，获得键合体。
4.根据权利要求1所述的一种热塑性芯片的键合方法，其特征在于，所述热塑性芯片的材质包括聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯和聚丙烯中的至少一种。
5.根据权利要求1或4所述的一种热塑性芯片的键合方法，其特征在于，两块所述热塑性芯片的材质相同或不同。
6.根据权利要求5所述的一种热塑性芯片的键合方法，其特征在于，所述水的温度大于或等于两块所述热塑性芯片的玻璃化转变温度中的最低温度。
7.根据权利要求1所述的一种热塑性芯片的键合方法，其特征在于，所述水为纯水、去离子水和蒸馏水中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的一种热塑性芯片的键合方法，其特征在于，所述水浴键合中，所述预键合体的加压通过夹持装置进行。
9.根据权利要求1所述的一种热塑性芯片的键合方法，其特征在于，所述热塑性芯片的形状包括圆柱体、长方体和正方体中的任意一种。
10.根据权利要求2所述的一种热塑性芯片的键合方法，其特征在于，所述溶剂包括乙醇、丙酮、乙睛、二甲亚砜、二氯甲烷和异丙醇中的至少一种。
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