JP2005119300A - 不純物を伴わずに２つの加工材を接合する方法ならびにこの方法によって接合された加工材 - Google Patents

不純物を伴わずに２つの加工材を接合する方法ならびにこの方法によって接合された加工材 Download PDF

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Abstract

【課題】樹脂製加工材と樹脂以外の加工材とを結合（樹脂ハイブリッド接合）、特にミクロ、ナノ構造を有する加工材に適する、不純物を伴わない接合方法。
【解決手段】２つの加工材１０，１６を接合面２４で接合された加工材に接合する方法。接合面２４は互いに平面的に隣接する両方の加工材１０，１６の表面１３，１３′によって形成さる。第１の加工材１６は樹脂材料からなり、第２の加工材１０は樹脂以外の材料を接合する方法として、第１の工程で、少なくとも第１の加工材１６の表面１３′が高エネルギー放射線の照射によって活性化され、第２の工程で、加工材１０，１６が表面１３，１３′にて互いに接触するように合わせられ、第３の工程で、両方の加工材１０，１６を室温、特に１５ないし３０℃の温度で、表面１３，１３′を互いに圧接し、接合する。
【選択図】図５

Description

この発明は不純物を伴わない接合技術に関する。本発明は、請求項１前段に記載の不純物を伴わずに２つの加工材を接合する方法ならびにこの方法によって接合された加工材に関する。
不純物を伴わない樹脂ハイブリッド接合とは異なった化学的および／または物理的および／または機械的および／または光学的特性を有する材料からなる２つの加工材の接合を示しており、ここで１つの加工材は樹脂からなりもう一方の加工材は樹脂以外の材料（例えばセラミック、半導体（シリコン）、ガラス、金属）からなるものとする。両方の加工材の結合は不純物（例えば接着剤）を伴わないで実施される。
不純物を伴わないハイブリッド接合は：
ａ） ２つの加工材を接合するために使用することができ、ここで１つまたは両方の加工材がミクロおよび／またはナノ構造を有するものとすることができるとともに、一方の加工材が樹脂からなりもう一方の加工材は樹脂以外のものとされる。接合される加工材は特に以下の要素または機能を有する：
・センサおよびアクチュエータ
・化学、物理、機械、および光学フィルタ
・液体、気体、または光の注入／排出および誘導
・周囲環境に対するインタフェース
・有害な環境への影響に対する防護
ｂ） 樹脂加工材が高められた化学的、物理的、機械的および光学的要件を必要としそれが樹脂材料によっては満たすことが不可能であり従ってその部分に前記の要件を満たす非樹脂材料からなる加工材が使用される場所における接合に使用することができる。
この際、両方の加工材の結合は不純物を伴わないで行われる必要があり、それによって：
ａ） 加工材の機能が影響を受けないようにし；
ｂ） 接合領域と後に接合された加工材を使用する際にこの加工材を介して通流し接合領域と接触する液体状あるいは気体状媒体（例えば化学あるいは生物学物質）との間に反応および／または汚染が生じないようにする。
超音波または摩擦溶接等の従来の不純物を伴わない接合方法は、特に表面にミクロおよび／またはナノ構造が存在する際にこのミクロおよび／またはナノ構造を損傷あるいは破壊する可能性があるため、ミクロおよび／またはナノ構造を有する加工材には適していない。
レーザ溶接においては、加工材の表面にミクロおよび／またはナノ構造が存在しこれが同時に接合面である際にこれを損傷あるいは破壊しないように熱を調節することが困難である。また、レーザ溶接は連続接合方法であり従って大面積の接合においては非経済的である。
表面活性化を伴ったあるいは伴わない熱接合は、両方の加工材が同じ樹脂タイプからなる場合に有効にミクロおよび／またはナノ構造を有する加工材の接合に使用することができる。表面活性化を伴わない熱接合において、両方の加工材が結合するために接合温度は樹脂のガラス化温度を上回る必要がある。表面活性化を伴った熱接合においてはガラス化温度未満において既に両方の加工材が恒久的に結合する。ここで樹脂表面はプラズマあるいは紫外線照射（波長２５０ないし２８０ｎｍ）によって活性化される。しかしながら、この活性化は両方の加工材を室温で結合するには不十分である。従って、表面活性化を伴った接合または表面活性化を伴わない接合のいずれにおいても、両方の加工材の恒久的な結合を達成するために熱エネルギーの付加が必要となる。従って、両方の加工材の膨張係数の違いによって冷却に際して大きな引張圧力が生じそれによって結合の破壊につながるため、表面活性化を伴ったあるいは伴わない熱接合は樹脂ハイブリッド接合には適していない。
従って、本発明の目的は、樹脂製の加工材を樹脂以外の加工材と結合する（樹脂ハイブリッド接合）ために適しており、１つの工程で簡便に接合することができ、これに限定するものではないがミクロおよび／またはナノ構造を有する加工材に適している、不純物を伴わない接合方法を提供することである。
前記の課題は、請求項１に記載されている特徴の組み合わせによって解決される。本発明の中核は、接合に使用される樹脂加工材の表面に実質的な接合の前に高エネルギーの照射線の照射を行い、表面を互いに圧接することによって室温においてすなわち熱エネルギーを付加することなく加工材間に固定的な結合が形成されるよう表面を活性化することからなる。接合プロセスを室温で実施することができるため、異なった熱膨張係数に関する全ての問題が解消される。従って、特に加工材内に存在するミクロおよび／またはナノ構造を損傷せずに接合された加工材内に取り込むことができる。
本発明に係る方法の好適な実施形態は、第１の加工材の表面への照射に２００ｎｍ未満、特に１７２ｎｍの波長を有する紫外線を使用することを特徴とする。この処置によって既に極めて良好な結合が形成される。
別の構成形態により、第２のステップの前に第２の加工材の表面も好適には２００ｎｍ未満、特に１７２ｎｍの波長を有する紫外線等の高エネルギーの照射線によって照射すればさらに結合が良好になる。この照射によって所定の表面活性化がもたらされるが、特に表面の洗浄の効果がもたらされる。
第２の加工材の表面をまず特に湿式または乾式の化学処理によって洗浄すればさらなる改善が達成される。
紫外線照射のための紫外線放射源としてオスラム社製のＸｅｒａｄｅｘＴＭ２０型エキシマ光源を使用し、表面の照射に際してこの表面が僅か数ｍｍのみ放射源から離間しており、さらに照射が１０ないし６００秒の持続時間で実施されれば実用において特に好適である。
本発明の別の実施形態に従って第３の工程において２枚の平面状プレス板間において両方の加工材に圧力を付加し、この圧力が３００ないし６００バールであるとともに１０ないし６００秒の時間間隔で付加され、さらに接合された加工材を第３の工程終了後長時間、特に数日室温下で貯蔵すれば接合層が特に良好な品質となる。
第１の加工材はシクロオレフィン共重合体（ＣＯＣ）またはポリメチル酸メチル（ＰＭＭＡ）からなり、第２の加工材がシリコンあるいはガラスから形成されていれば好適である。
汚染またはプロセスの危険局面を確実に防止するために、１つまたは複数の加工材の照射をクリーンルーム内で実施するとともに第２の工程もクリーンルーム内で実施すれば好適である。
第１の加工材が樹脂からなるとともに第２の加工材が樹脂以外の材料からなり本発明に従って１つの接合面内で不純物を伴わずに互いに結合された加工材は、接合に際して本発明の方法を使用することを特徴とする。
この加工材は、特に加工材内にミクロおよび／またはナノ構造が形成されることを特徴とする。
次に、本発明の実施例につき、添付図面を参照しながら説明する。
本発明に従って新規に開発された室温下における不純物を伴わない樹脂ハイブリッド接合方法によれば、まず非樹脂の材料からなる加工材が表面の有機または無機残留物を除去するために湿式または乾式に化学洗浄される。
続いて、両方の加工材の接合のために必要な表面に２００ｎｍ未満の波長の紫外線が照射される。紫外線は、波長が短いほど高いエネルギーを有している。２００ｎｍ未満の波長の紫外線は樹脂表面の分子鎖を破壊して自由結合を形成し得るほどのエネルギーを有する。さらに、紫外線の周囲に原子状酸素（Ｏ）とオゾン（Ｏ３）が形成される。酸基とオゾンは極めて反応性であると同時に樹脂表面の活性化に寄与する。紫外線照射の後樹脂加工材の表面エネルギーが大幅に高められ：
活性化無しの樹脂表面エネルギー：２０−４０ｍＮ／ｍ
活性化を行った樹脂表面エネルギー：６０−７２ｍＮ／ｍ（７２ｍＮ／ｍ＝水の表面張力）
となる。
非樹脂材料からなる加工材の紫外線照射は表面活性化の作用が大きいものではなく、むしろ重要な表面の洗浄の効果をもたらすものである。原則的に非樹脂材料の紫外線照射を行わなくても樹脂製加工材との固定的な結合を形成することができる。
紫外線照射に続いて両方の加工材が互いに重ね合わされ、ここで両方の活性化されたあるいは洗浄された表面が接触する。この時点ではまだ両方の表面は互いに反応するためには大きく離れ過ぎている。圧力付加によって両方の表面が互いに反応するために充分に接近することが達成される。反応のために必要な最低圧力は材料の種類ならびに両方の加工材の表面の平滑性に依存する。樹脂が可塑性に変形された際に最大圧力に到達する。圧力付加は数秒から数分持続し得る。接合に続いて圧接（接合圧接）が解除され接合された加工材が取り出される。両方の接合された加工材は力学作用によってのみ分離することができる。その際白割れが発生し、これは割れが両方の加工材の境界上ではなく樹脂の内部で発生することを意味している。室温下における数日間の貯蔵によって結合強度がさらに高められる。
接合プロセスは室温下において実施される。従って、両方の加工材の熱膨張係数の違いは影響を及ぼさなくなる。接合された加工材の貯蔵の後、少なくとも６０℃までの過熱にも耐久しその後の冷却に際して層間剥離が生じることない程に結合が強化される。
これまでに、この新規の不純物を伴わない樹脂ハイブリッド接合方法において以下の接合の組み合わせが問題無く使用された：
・シリコン／ＣＯＣ（シクロオレフィン共重合体）
・シリコン／ＰＭＭＡ（ポリメチル酸メチル、プレキシグラス）
・ガラス／ＣＯＣ
・ガラス／ＰＭＭＡ
典型的な接合パラメータは：
紫外線照射：紫外線放射源への距離（数ｍｍ）に応じて１０秒ないし６００秒；
圧力付加：１０秒ないし６００秒に対して３００ないし６００バール；
であり、紫外線照射のためにオスラム社製のＸＥＲＡＤＥＸＴＭ２０エキシマ光源が使用された（キセノン充填；波長１７２ｎｍ）。
プロセスの経移について図１ないし図５を参照しながらもう一度説明する。
図１によれば、非樹脂材料からなる第２の加工材１０は例えばミクロ構造としてミクロ管１２を有しており、湿式および／または乾式洗浄剤１１および洗浄方法を使用して表面１３上の有機ならびに無機残留物を除去することによって洗浄される。
図２および図３には、照射源１４から放射された２００ｎｍ未満（１７２ｎｍ）の波長を有する紫外線１５によるこの第２の加工材１０ならびに樹脂製の第１の加工材１６の表面１３および１３′の照射が図示されている。この際、同様にミクロ構造としてミクロ管１８，１９および貫通孔１７，２０を備えている、第１の加工材１６の樹脂表面１３′が活性化される（活性化された表面は図２ないし図５において太線で示されている）。第２の加工材１０の表面１３の紫外線照射は不可欠なものではない。表面１３，１３′の汚染を防止するために、このプロセス工程（照射）はクリーンルーム内で行うべきである。
図４によれば、前処理された（表面洗浄および表面活性化された）両方の加工材１０および１６が両方の活性化された表面１３，１３′が互いに接触するように重ね合わされる。表面１３，１３′の汚染を防止するためにこのプロセス工程もクリーンルーム内で行うことが好適である。
図５に示されているように、両方の接合相手１０，１６は特に１５ないし３０℃の室温下において接合圧接器２１内で圧接され、これによって活性化された表面１３，１３′が広範囲で接触し互いに反応する。生成された応力Ｆによる圧力付加が接合面２４全体に均等に行われるように、接合圧接器２１の両方の圧接板２２，２３は極めて平滑かつ平行である必要がある。
図６には、接合圧接器２１から取り出されて荷重から解放された後の加工材２５が示されている。これに続く何日かの室温下における貯蔵によって、結合強度を高めることができる。
この新規の不純物を伴わない樹脂ハイブリッド接合方法の利点として以下の点が挙げられる：
・ 材料を傷めないように樹脂加工材を非樹脂加工材と接合することが可能となり、その際１つの加工材あるいは両方の加工材がミクロおよび／またはナノ構造を有することができる。
・ 接合が室温下で行われるため、異なった化学的、物理的、および機械的特性、特に異なった熱膨張係数を有する加工材の接合が可能になる。
・ 不純物を伴わない接合が可能になり、その結果接合のための装置コストが低下するとともに、接合領域がこの接合領域と接触する、（例えばミクロ管内に）誘導する媒体と反応して汚染される危険性が無くなる。
・ 大きな面積の経済的な接合が可能になる。
・ サイクル時間が短くなるとともに活性化が周囲気圧下で行われるため、紫外線照射による樹脂表面の活性化が極めて経済的になる。
・ プラズマ内における表面活性化に比べて紫外線照射においては樹脂加工材の表面を損傷し得る高エネルギーイオンが発生しない。
・ ＵＶ放射源は簡便に生産ライン内に組み込むことができる。
樹脂以外の材料からなる第２の加工材の前処理としての湿式または乾式の化学洗浄を概略的に示した断面図である。 後続する短波長（１７２ｎｍ）紫外線照射による第２の加工材の表面洗浄ならびに活性化を示した説明図である。 短波長（１７２ｎｍ）紫外線照射による樹脂製の第１の加工材の表面活性化を示した断面図である。 照射された表面を接合した両方の加工材の重ね合わせを示した説明図である。 圧力を付加し室温下で実施される接合工程の接合圧接を示した説明図である。 ミクロおよび／またはナノ構造を有する完成した接合加工材を示した断面図である。
符号の説明
１０ 加工材（例えばセラミック、シリコン、ガラス、金属等の樹脂以外の材料からなる）
１１ 洗浄剤（湿式または乾式の化学性）
１２ ミクロ管
１３，１３′ 表面
１４ 紫外線放射源（λ＝２００ｎｍ）
１５ 紫外線
１６ 加工材（樹脂製、例えばＣＯＣまたはＰＭＭＡ）
１７，２０ 貫通孔
１８，１９ ミクロ管
２１ 接合圧接器
２２，２３ 圧接板
２４ 接合面
２５ 接合された加工材
Ｆ 応力

Claims (13)

  1. 不純物を伴わないで２つの加工材（１０，１６）を接合面（２４）で接合された加工材（２５）に接合するものであり、前記接合面（２４）は互いに平面的に隣接する両方の加工材（１０，１６）の表面（１３，１３′）によって形成され、第１の加工材（１６）は樹脂材料からなり第２の加工材（１０）は樹脂以外の材料からなり、第１の工程において少なくとも第１の加工材（１６）の表面（１３′）が高エネルギー放射線（１５）の照射によって活性化され、第２の工程において加工材（１０，１６）が表面（１３，１３′）をもって接触するように合わせられ、第３の工程において両方の加工材（１０，１６）を接合するために室温、特に１５ないし３０℃の温度化において表面（１３，１３′）をもって互いに圧接することを特徴とする方法。
  2. 第１の加工材（１６）の表面（１３′）への照射に２００ｎｍ未満、特に１７２ｎｍの波長を有する紫外線（１５）を使用することを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 第２のステップの前に第２の加工材（１０）の表面（１３）も好適には２００ｎｍ未満、特に１７２ｎｍの波長を有する紫外線（１５）等の高エネルギーの照射線によって照射を行うことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
  4. 第２の加工材（１０）の表面（１３）をまず特に湿式または乾式の化学処理によって洗浄することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
  5. 紫外線（１５）のための紫外線放射源（１４）としてオスラム社製のＸｅｒａｄｅｘＴＭ２０型エキシマ光源を使用し、表面（１３，１３′）の照射に際してこの表面（１３，１３′）が僅か数ｍｍのみ放射源（１４）から離間しており、さらに照射は１０ないし６００秒の持続時間で実施することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
  6. 第３の工程において接合圧接器（２１）の２枚の平面状プレス板（２２，２３）間において両方の加工材（１０，１６）に圧力を付加することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
  7. 圧力が３００ないし６００バールであるとともに１０ないし６００秒の時間間隔で付加されることを特徴とする請求項６記載の方法。
  8. 接合された加工材（２５）を第３の工程終了後長時間、特に数日室温下で貯蔵することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
  9. 第１の加工材（１６）はシクロオレフィン共重合体（ＣＯＣ）またはポリメチル酸メチル（ＰＭＭＡ）からなり、第２の加工材（１０）がシリコンあるいはガラスからなることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
  10. １つの加工材（１６）または複数の加工材（１０，１６）の照射をクリーンルーム内で実施することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
  11. 第２の工程をクリーンルーム内で実施することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法。
  12. 第１の加工材（１６）が樹脂からなるとともに第２の加工材（１０）が樹脂以外の材料からなり１つの接合面（２４）内で不純物を伴わずに互いに結合され接合された加工材（２５）であり、接合のために請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法を使用することを特徴とする接合された加工材。
  13. 加工材（２５）内にミクロおよび／またはナノ構造（１７ないし２０）が形成されることを特徴とする請求項１２記載の加工材。
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