JP2007276409A

JP2007276409A - インサート成形体

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Publication number: JP2007276409A
Application number: JP2006109214A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Yamashita; 和之山下
Original assignee: Richell Corp
Current assignee: Richell Corp
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2026-04-11
Also published as: JP4137137B2

Abstract

【課題】マイクロチップ等の薄いものや、割れやすい基板をモールド成形によりインサート成形するインサート成形体の提供を目的とする。
【解決手段】肉厚が１０μｍ〜２．０ｍｍの薄い基板と、樹脂製のベース部材とを備え、基板は、ベース部材にモールドインサート成形されたものであり、基板の表面の少なくとも一部が外部に露出し、且つ裏面が隠蔽され、基板が、光又は熱硬化性の樹脂製又は割れやすいシリコンウェハ、ガラス、セラミックス製であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄い板材や割れやすい板材からなる基板を樹脂製のベース部材にモールド成形によりインサート成形した成形体に関し、特に基板が医学、生物工学、生化学、生物学等の分野で使用されるマイクロウェル、マイクロ流路、マイクロバイオリアクター等のマイクロチップである場合に適用するのが効果的なインサート成形体に係る。

医学、生物工学、生化学、生物学等の分野においては、細胞、抗体、タンパク質、ＤＮＡ等のナノないしミクロンオーダーの対象物に対して、解析、試験、反応等が実施されている。
このような微小の対象物を取り扱うマイクロウェル、マイクロ流路、マイクロバイオリアクター等のマイクロチップにおいてはチップの表面に微細なウェルや凹凸形状の精密構造を形成する必要があることから加工精度の高い基板からなるマイクロチップが要求される。
現在、シリコンウェハを用いてエッチング加工したシリコン製マイクロチップ、レーザー加工機やマイクロ切削機等を用いて精密加工したガラス製マイクロチップ又はセラミックス製マイクロチップ、転写成型を用いた光又は熱による硬化性の樹脂製マイクロチップ等が提案されている。
これらのマイクロチップは薄板状であるのが一般的であり、変形しやすかったり、割れやすいという問題がある。

薄い板状あるいは割れやすい板状の基板（チップ）をそのまま、解析装置、試験装置、反応装置等に装着するのは取り扱いにくいので、このチップを取り扱いやすい大きさからなるプレート状のベース部材に接合しているのが一般的である。
この場合に、チップをベース部材上に圧接や接着等により接合するが、接着剤等の塗布厚にバラツキが生じ、ベース部材上に傾いて接合されると、チップの表面の水平性が低下して解析装置において焦点が合わなくなり解析ができないという問題も生じている。
また、チップ表面が傾いていると試験後が片側に流れる問題もあった。
また、チップ上に液溜まりが必要な時は、チップ上から液が漏れないための周囲枠が要求されるが、チップ表面への周囲枠の接着ではシール性が問題となる。

そこでチップ表面の水平性が高く、シール性に優れ、安価で量産性の高いインサート成形体が望まれていた。

一方、インサート成形体を製造する場合において、薄い板材や割れやすい板材からなる基板（チップ）を樹脂製のベース部材にインサート成形することはこれらの基板を金型内に配置するのが難しく、且つ、樹脂を金型内に充填する際に基板が変形して割れるために実現出来たとの報告はない。
特開２００１−１３７３号公報には基板を金型内の所定部分に押し付けるように裏面側から弾性体で押圧配置するインサート成形技術を開示するが、押圧した弾性体の部分に樹脂が充填されないだけでなく、薄い板材や割れやすい板材の場合に変形や割れを抑えつつ、金型内への配置の位置ずれを防止するのが困難である。
さらには、金型内のキャビティ面に押し付けた部分が外部に露出する表面となるが、基板の表面に微細加工がしてあるので、機能素子が設けられている場合にキャビティ面に押し付けるとこれら表面部の変形や、破壊する恐れも高く、マイクロチップをインサートしたモールド成形を行うことはできないものであった。

特開２００１−１３７３号公報

本発明は、マイクロチップ等のように薄い板材や、割れやすい板材からなる基板をモールド成形によりインサート成形したインサート成形体の提供を目的とする。

請求項１記載に係るインサート成形体は、肉厚が１０μｍ〜２．０ｍｍの薄い基板と、樹脂製のベース部材とを備え、基板は、ベース部材にモールド成形によりインサート成形されたものであり、基板の表面の少なくとも一部が外部に露出し、且つ裏面が隠蔽され、基板が、光又は熱硬化性の樹脂製の薄い材料で製造されたものであることを特徴とする。
また、請求項２記載のインサート成形体は、肉厚が１０μｍ〜２．０ｍｍの割れやすい基板と、樹脂製のベース部材とを備え、基板は、ベース部材にモールド成形によりインサート成形されたものであり、基板の表面の少なくとも一部が外部に露出し、且つ裏面が隠蔽され、基板が、シリコンウェハ、ガラス、セラミックス等の割れやすい材料で製造されたものであることを特徴とする。

ここで肉厚が１０μｍ〜２．０ｍｍであると基板の表面に部分的に突起や厚肉部があってもよく、解析等に必要な部分における一般肉厚をいう。
表面の少なくとも一部が外部に露出しとは、基板の必要な表面部が外部に表われていることをいい、裏面が隠蔽されているとは、モールド成形時に樹脂が裏面部に廻り込み、外部に露出していないことをいう。
基板の大きさは大きい程、インサート成形が難しくなるが、マイクロチップの場合には３０ｍｍ×３０ｍｍ以内である。
基板の形状は特に限定されず、３０ｍｍ×３０ｍｍ以内に収まる大きさをいう。
基板の例としては、薄い基板からなる光又は熱硬化性の樹脂製チップが挙げられる。
割れやすい基板としては、ガラス製チップ、シリコン製チップ、セラミックス製チップ等が挙げられる。
これらは脆弱であって非常に割れやすい。
また、インサート成形体は型内にインサートする基板を配置し、キャビティ内に樹脂を充填する方法であれば特に限定されないが、射出成形やトランスファー成形等の量産性が良い。

樹脂製のベース部材とは、基板を取り扱うための例えばプレート状の基台をいい、ベース部材となるモールド成形用の樹脂材料には限定がなく、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂、ナイロン樹脂などの熱可塑性樹脂が適用される。
ベース部材は、厚み０．５ｍｍ〜３０ｍｍ、大きさ５０ｍｍ×１５０ｍｍ以内がよい。
これらのチップには表面に微細な加工がしてあってもよく、マイクロウェル、マイクロ流路、マイクロバイオリアクター、ＤＮＡチップ等のマイクロチップに適用するのが効果的である。
またチップの表面上に各種機能素子や配線パターンが設けられていてもよい。
マイクロチップの表面に施してある微細加工の大きさは凹部又は／及び凸部の深さ又は高さが１μｍ〜５００μｍ、幅１μｍ〜５００μｍあるいは接円直径が１μｍ〜３０μｍであるのがよい。

マイクロチップとして使用するためには、インサート成形された後の基板の平面度の値が５０μｍ／１０ｍｍ以下がよく、解析装置の焦点合せのためにはインサート成形体を解析装置基準面に載置し、マイクロチップ表面の水平度の値が５０μｍ／１０ｍｍ以下であるのがよい。
特にＣＣＤカメラ解析する場合には平面度及び水平度の値が２５μｍ／１０ｍｍ以下であることがよい。
ここで、平面度とは、平面形態の正確な平面からの狂いの度合いをいい、具体的にはマイクロチップの表面長さ１０ｍｍ当たりの曲がり変形の大きさをいい、数値が小さい程、平面度が良いことを示す。
また、水平度とは、インサート成形体の裏面を水平な基準盤に載置した状態でのマイクロチップ表面の水平性をいい、水平性が悪い場合にはマイクロチップの平面度が高くてもマイクロチップが傾いていることになり、解析装置にて焦点合せができなくなる。
マイクロチップをモールド成形によりインサートしたインサート成形体であっては、マイクロチップの表面周囲を囲む１０ｍｍ以下の周囲壁を形成すると液モレ防止になる。
また、生体関連物質を取り扱う場合には周囲壁を検出、診断又は分析等を阻害しない材料がよい。

本発明に係るインサート成形体は、樹脂製のベース部材に基板の表面が外部に露出するようにインサート成形してあるので、マイクロチップのインサート成形体に適用するのに効果的であり、ベース部材をプレート等のように取り扱い易い大きさにすることで、解析装置等に装着しやすくなる。
特に、本発明に係るインサート成形体は、ベース部材にインサートした後の基板表面の平面度が高く、基板表面の水平性に優れるためにスキャニング解析やＣＣＤカメラによる解析時の焦点合わせが容易であり、実用価値が高い。
また、モールド成形する際にマイクロチップの表面周囲に立壁部からなる周囲壁を形成することも可能であり、後から別体の周囲枠を取り付ける必要がなくなる。
このようにマイクロチップをインサート成形したインサート成形体は安価で量産性に優れる。

図１に本発明に係るインサート成形体の例を示す。
インサート成形体はマイクロチップ等の基板１０を樹脂製のベース部材２０にインサート成形してある。
ベース部材２０には周囲壁２１を形成してあり、この周囲壁は基板１０の表面の周囲を囲むように設けた立壁状の枠となっている。
基板がマイクロチップの場合にマイクロチップ表面に微細加工が施してあり、直径１μｍ〜３０μｍ程度のマイクロウェルアレイチップや、深さ１μｍ〜５００μｍ、幅１μｍ〜５００μｍの溝や流路を形成したマイクロ流路、マイクロバイオリアクター等の場合には、表面部に解析用の液体試料、反応液などを滴下、注入する必要があるがこの周囲壁２１がモールド成形体に一体成形してあるのでマイクロチップの裏面への液の廻り込み及び周囲壁の外部への薬液漏れを防止できる。
マイクロチップ等の場合にはマイクロチップ表面に検体を滴下するがこの場合にも周囲壁が必要となる。
マイクロチップの表面には、解析用の機能素子やマイクロ弁体等が形成されていてもよい。
ベース部材２０の大きさはマイクロチップを取り扱う際や解析装置に装着しやすい形状や大きさが好ましい。
マイクロチップの大きさが３０ｍｍ×３０ｍｍ以内であれば、ベース部材はプレート状であって５０ｍｍ×１５０ｍｍ以内が好ましい。

図２に本発明に係るインサート成形体の製造方法例を示す。
図２においては、モールド成形の金型を模式的に示してあり、マイクロチップ等の基板１０を配置、保持するインサート部材配置型１とキャビティ型２とが開閉自在になっている。
インサート部材配置型１には、基板の表面１１に施されている微細加工や取り付けられている機能素子が金型に当接しないように逃げ部４を形成し、吸引口４ａから減圧吸引することで基板１０がキャビティ内に配置される。
この場合に基板を吸引保持するだけでは樹脂充填時に位置ずれを生じる恐れがある場合には、位置決めピン３を配設するとよい。
図２に示した例は図１に示したモールド成形体のピン孔２３を見ると分かるように各コーナー部に２本ずつ、合計８本配設した場合を示し、図示を省略したがピン３の底部３ａに没入操作手段を備えている。
キャビティ５内に溶融樹脂を充填するゲート口２ａは、まずベース部材２０に樹脂が流れ込み、その後に周囲壁２１が充填されるように配置してある。
従って、溶融樹脂の充填時に基板１０の裏面１２側に流れ込む基板裏面側流れ込み部６を形成するのがよい。
樹脂が基板の裏面側に廻り込んだ後に、周囲壁に均一に樹脂が流れ込むことでインサート成形時に基板に局部的な圧力が生じず、また溶融樹脂の冷却時の収縮に伴う、そり、割れが生じにくい。
これにより本発明に係る薄い板材や割れやすい板材からなる基板をインサート成形したインサート成形体を得ることができる。
インサートするためのモールド成形方法は型内に溶融樹脂を充填する方法であれば特に限定されないが比較的充填圧の低いトランスファー成形のみならず、射出成形も採用できる。

本発明におけるインサート成形体は、マイクロチップ等の基板が熱又は光硬化性の樹脂製の薄いチップでも、薄くて割れやすいシリコン製、ガラス製、セラミックス製のチップでも成形可能であり、その大きさは薄くて、大きい程、モールド成形体を得るのが難しくなるが、これまでに得ることができなかった肉厚１０μｍ〜２．０ｍｍ、大きさ３０ｍｍ×３０ｍｍ以下のものが得られる。
ベース部材の厚みは０．５ｍｍ以上あるのが好ましく、厚いもので３０ｍｍ以下がよく周囲壁２１のベース部材表面からの高さは１０ｍｍ以下であるのが好ましい。
また、枠部の立壁幅は０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度が好ましい。
ベース部材の大きさは基板の大きさと取り扱いやすさ、装着する解析装置により制限されるが５０ｍｍ×１５０ｍｍ以内が好ましい。

以下に示す例は、ＡＢＳ樹脂（電気化学工業株式会社製デンカＡＢＳ．Ｋ−０９５．メルトマスフローレート１０ｇ／１０ｍｉｎ．引張弾性率２５００ＭＰａ）をベース部材の材料としてガラスファイバーを添加することなく射出成形したもので、図１に示した例は基板１０が板厚（肉厚）０．６ｍｍ、２０ｍｍ×２０ｍｍのシリコンマイクロチップ、ベース部材の肉厚１．２ｍｍ、周囲壁高さ１．８ｍである。
図３に示した例は、周囲壁が無い例であり、液を滴下しない場合や表面に機能素子を設けた場合に適用できる。
なお、液の滴下の少ない場合であっては周囲壁がなくても基板１０の裏面側と側部とをベース部材２０ａで保持（隠蔽）しているので、マイクロチップ裏面への薬液漏れを防止できる。
特にシリコンマイクロチップの場合等のようなマイクロチップには親水性があるので、ＡＢＳ樹脂のようにベース部材が疎水性である場合には滴下した液量が少なければ周囲壁がなくても液漏れ防止作用がある。
基板の裏面側のベース部材の厚みは０．５ｍｍである。

図４に示した例は、マイクロチップを取り扱いやすくするためにプレート状のベース部材２０ｂを長方形にした例であり、肉厚１．０ｍｍで５０ｍｍ×１００ｍｍの大きさである。
図５はブロック状のベース部材２０ｃにし、周囲壁２１ｃを形成した例でベース部材２０ｃの大きさは約３０ｍｍの立方体である。
図６は周囲壁２１ｄの表面に突起２２を形成し、カバーグラス３０を載置しやすくした例である。

図７（ａ）及びマイクロチップ部拡大図（ｂ）に示したように、厚み０．６ｍｍ、大きさ１０ｍｍ×２０ｍｍのシリコンマイクロチップを上記実施例に示したＡＢＳ樹脂を用いてベース部材肉厚１．２ｍｍ、大きさ２５ｍｍ×７５ｍｍにインサート成形した前後でのシリコンマイクロチップの平面度及びインサート成形体の水平度測定結果を図８及び図９に示す。
測定方法としては、測定器の基準盤面にシリコンマイクロチップ又はインサート成形体の裏面を載置してそのまた表面高さの変化を測定することでマイクロチップの曲がりを平面度として測定し、マイクロチップのコーナー４点の高さの差を水平度として測定した。
ここで、周囲壁が測定器に干渉しない最大長さを測定した。
インサート成形前は、シリコンマイクロチップの平面度の値が３μｍ／１２ｍｍであったものが、長手方向（Ｌ_１，Ｌ_２）２５μｍ／１２ｍｍ（１８μｍ／１０ｍｍ）、短手方向（Ｓ_１，Ｓ_２）５．５μｍ／７ｍｍ（１１μｍ／１０ｍｍ）であった。
この状態でも、シリコンマイクロチップには割れが生じなかった。
また、図８及び図９の測定結果からＬ_１，Ｌ_２及びＳ_１，Ｓ_２はそれぞれ同一の曲線を描いており、シリコンマイクロチップに多少の曲がりが生じても測定はじめと測定おわりでの高さに差がほとんどなく、インサート成形体裏面からの高さの差（水平度）がよいことが分かる。
即ち、本発明に係るインサート成形体は、基板の平面度が多少低下しても割れがなく、水平性（水平度）に優れるので、解析装置に装着時の解析精度の確保がしやすい。
次に、ＡＢＳ樹脂にガラスファイバーを１０質量％添加すると、曲がりが長手方向で１５μｍ／１２ｍｍ、ガラスファイバーを２０質量％添加すると同じく長手方向で８μｍ／１２ｍｍであった。
従って平面度においては、ガラスファイバーの添加量の多い成形後の収縮率が小さい樹脂材料を使用する方が好ましいことが明らかになった。

本発明に係るインサート成形体の例を示す。インサート成形体を製造するための型の模式図を示す。インサート成形体の他の実施例を示す。インサート成形体の他の実施例を示す。インサート成形体の他の実施例を示す。インサート成形体の他の実施例を示す。平面度及び水平度の測定位置を示す。平面度及び水平度の測定結果を示す。平面度及び水平度の測定結果を示す。

符号の説明

１インサート部材配置型
２キャビティ型
１０基板（マイクロチップ）
２０ベース部材
２１周囲壁

Claims

肉厚が１０μｍ〜２．０ｍｍの薄い基板と、樹脂製のベース部材とを備え、
基板は、ベース部材にモールド成形によりインサート成形されたものであり、基板の表面の少なくとも一部が外部に露出し、且つ裏面が隠蔽され、基板が、光又は熱硬化性の樹脂製の薄い材料で製造されたものであることを特徴とするインサート成形体。
肉厚が１０μｍ〜２．０ｍｍの割れやすい基板と、樹脂製のベース部材とを備え、
基板は、ベース部材にモールド成形によりインサート成形されたものであり、基板の表面の少なくとも一部が外部に露出し、且つ裏面が隠蔽され、基板が、シリコンウェハ、ガラス、セラミックス等の割れやすい材料で製造されたものであることを特徴とするインサート成形体。
基板は、表面に微細加工又は機能素子等を有するマイクロウェル、マイクロ流路、マイクロバイオリアクター、ＤＮＡチップ等のマイクロチップであることを特徴とする請求項１又は２記載のインサート成形体。
マイクロチップの平面形状の大きさが３０ｍｍ×３０ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインサート成形体。
ベース部材は、厚み０．５ｍｍ〜３０ｍｍ、大きさ５０ｍｍ×１００ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のインサート成形体。
インサート成形された後の基板の平面度の値が５０μｍ／１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のインサート成形体。
基板を有する部分の表面の水平度の値が５０μｍ／１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のインサート成形体。
ベース部材には、基板の周囲に配置された周囲壁を有し、周囲壁の高さが１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のインサート成形体。