一种提高注塑成型pmma微流控芯片热压键合率的方法

日期:2019-03-02 15:12:21

专利名称:一种提高注塑成型pmma微流控芯片热压键合率的方法
技术领域
本发明属于微制造技术领域,特别涉及到提高微流控芯片热压键合质量的方法。
背景技术
聚合物微流控芯片由于体积小、成本低、便于携带、分析速度快、分析所需样品少等特点在生命科学、医学、食品和环境卫生检查等领域得到了广泛应用。目前常用的高聚物材料包括聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。用于 PMMA微流控芯片键合的方法主要有热压键合,胶粘接,超声键合和激光键合等方法,其中热压键合法应用最为广泛。为了提高芯片的生产效率,通常采用注塑机注塑成型得到芯片的盖片和基片,但由于注塑成型薄壁塑件存在难以解决的工艺问题,使成型后的芯片厚度分布不均。将盖片和基片在一定的温度、压力、时间下热压键合易存在有效键合面积不足的现象。芯片键合质量主要包括微通道质量、有效键合面积、键合强度。芯片有效键合面积 (键合率)是芯片键合质量重要指标之一,有效键合面积不足会减小芯片键合强度,影响芯片密闭性,有时还会影响芯片微通道质量,导致芯片无法正常使用。为了提高芯片键合质量,键合前经常采用一些表面处理方法杂志Microsystem Technologies 2007年第13期第403 407页中,提出了基于表面改性技术的PMMA热压键合新方法,即将PMMA表面首先用其单体MMA进行改性,然后在真空热压设备中热压键合,可以在较小的热压工艺参数下得到密封性良好,键合强度高的芯片,但该表面处理方法包括等离子体处理和MMA改性等步骤,一定程度上增加了芯片键合成本且操作较复杂。杂志Lab Chip 2007年第7期第 499 505页中,利用紫外光对PMMA进行表面改性,可减小PMMA表面与水的接触角,增加 PMMA材料的亲水性,从而使键合所需温度降低,键合强度增加。但是该方法容易使PMMA材料发生降解,材料性能发生改变,这也会大大地改变微流体系统的性能,影响微流控芯片的使用。总之,上述文献提供的方法可以应用于提高PMMA芯片键合质量,但存在处理方法复杂,生产效率低、处理成本高、处理方法破坏微流体系统性能,影响微流控芯片使用等一系列问题。注塑成型得到的芯片厚度分布不均,热压键合后易存在有效键合面积不足、密封性不良、键合强度相对较低等问题。如何对芯片进行处理,使在提高芯片生产效率的同时, 提高芯片键合质量是注塑成型PMMA微流控芯片热压键合亟待解决的问题。

发明内容
本发明要解决的技术问题是克服紫外线和MMA单体表面改性等处理方法存在的处理方法复杂、成本高、影响微流体系统使用性能等问题,针对注塑成型PMMA微流控芯片, 提出一种提高其热压键合质量的水处理方法。基于该方法处理后的芯片热压键合有效面积显著增加,较之未经处理的芯片,其键合率平均增加20%,芯片密封性良好、键合强度较大, 且该处理方法具有经济、简便、高效、不改变微流体系统性能等优点。本发明的技术方案是对芯片盖片和基片进行水处理后热压键合的方法。水处理是指芯片经超声清洗后,在水浴中静置一定时间后取出,用氮气吹干其表面,直接进行热压键合以增加芯片有效键合面积的方法。其特征是,在热压键合前对芯片进行水处理,区别于传统的热压键合工艺流程“超声清洗——烘箱烘干——热压键合”,该方法采用“超声清洗一一水处理——氮气吹干表面一一热压键合”。PMMA微流控芯片制作方法步骤如下a.注塑成型芯片盖片与基片注塑机注塑成型带有储液池的PMMA微流控芯片盖片和带有微通道图形的芯片基片;b.激光切割激光雕刻切割机激光切割芯片,得到一定合理尺寸的盖片和基片;c.超声清洗超声清洗芯片3次,第1次取华星DZ-I号洗液与去离子水,按洗液去离子水 =100 2000ml比例配比,待水浴温度达到45°C后,将一定数量的盖片和基片超声清洗 IOmin ;第2次将芯片取出,用去离子水冲洗以去除残余洗液,并置于45°C的去离子水浴中 (清水,不加洗液),超声清洗IOmin ;第3次再次将芯片取出,去离子水冲洗,置于水浴温度45°C的去离子水中,超声清洗IOmin ;d.水处理将超声清洗后的芯片从超声设备中取出,并继续置于去离子水浴中Ih ;e.氮气吹干芯片表面Ih后,将芯片从水浴中取出,并用氮气吹干其表面;f.热压键合将表面己吹干的芯片盖片和基片,对准后置于热压键合机的上下压头之间,在温度91 93°C,压力1.4 1.61^3,时间6min的工艺参数下热压键合。本发明的效果和益处是克服了紫外线和MMA单体表面改性等处理方法存在的处理方法复杂、成本高、影响微流体系统使用性能等问题;该处理方法高效、成本低、不改变微流体系统性能、操作简单,在相同的热压键合工艺参数下,较之未经处理的芯片,有效键合面积明显增加,其键合率平均增加20 %,有效的提高了芯片键合质量。


图1是注塑成型PMMA微流控芯片制作流程示意图。图2是具有“十字形”微通道图形的微流控芯片示意图。图中a)是芯片盖片示意图;b)是芯片基片示意图;C)是微通道示意图。图3是注塑成型得到的芯片盖片和基片的外形示意图。图4是芯片超声清洗流程示意图。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。实例利用水处理方法,制作尺寸为78X^mm的微流控芯片。按附图1流程制作该芯片,具体步骤如下1、注塑成型PMMA微流控芯片
注塑成型PMMA微流控芯片的盖片和基片(设备型号震德CJ80M3V注塑成型机), 模温85°C,熔体温度250°C,填充时间3s,注射压力140Mpa,保压时间3s。注塑得到芯片外形尺寸为82 X 40mm,其中盖片上具有“十字形”微通道图形,两条十字交叉的微通道分别长 65mm、15mm,微通道尺寸为宽80 μ m,深50 μ m ;盖片上4个尺寸为Φ 2的小孔,为芯片储液池,见附图2、3。2、激光切割芯片盖片和基片激光切割芯片盖片与基片(设备型号镭神CLS2000型激光雕刻切割机),切割电流为3. 5mA,走刀2 3次,切边后芯片尺寸为78 X沘謹。3、超声清洗按附图4流程清洗芯片,具体步骤如下(1)洗液清洗取华星DZ-I号洗液,按比例配置芯片清洗液(洗液去离子水=100 2000ml), 将一定数量的芯片置于盛有洗液的容器中。将容器置于超声清洗器(设备型号KQ250DB 型数控超声清洗器)中,待清洗槽内水浴温度达到45°C时,超声清洗芯片lOmin,超声频率 33KHz,超声功率100 150W ;(2)清水清洗将容器从清洗槽中取出,用去离子水冲洗芯片表面后,将芯片置于盛有去离子水的容器中,并将其置于超声清洗槽中,超声工艺参数相同,水浴温度45°C,超声清洗IOmin ;(3)清水清洗重复步骤(2)。将容器从超声设备中取出,再次用去离子水冲洗芯片,以确保芯片表面没有残余洗液,将芯片置于盛有去离子水的容器中并将其置于超声清洗槽中,超声工艺参数相同,水浴温度45°C,超声清洗lOmin。4、水处理将超声清洗后的芯片连同容器一起从超声清洗器中取出,不取出芯片,使其继续置于容器中lh。5、氮气吹干芯片表面Ih后,将芯片用镊子从容器中取出,并用氮气吹干芯片表面。6、热压键合将吹干的芯片盖片和基片对准,置于JHJ-I型热压键合机上下压头之间,在温度 93°C,压力1.6Mpa,时间6min的工艺参数下热压键合,得到成品芯片。采用本发明提出的,热压键合注塑成型PMMA微流控芯片时,将超声清洗后的芯片水处理Ih后热压键合的方法,得到的芯片有效键合面积增加,与未处理芯片相比键合率平均提高20%,芯片键合强度大,密封性良好。本方法在一定的热压工艺参数下可提高芯片键合质量,不改变微流控芯片系统性能且该方法经济、简便、高效。
权利要求
1. 一种提高注塑成型PMMA微流控芯片热压键合率的方法,其特征是,在热压键合前对芯片进行水处理,其制作方法的具体步骤如下a.注塑成型芯片盖片与基片注塑机注塑成型带有储液池的PMMA微流控芯片盖片和带有微通道图形的芯片基片;b.激光切割激光雕刻切割机激光切割芯片,得到一定合理尺寸的盖片和基片;c.超声清洗超声清洗芯片3次,第1次取华星DZ-I号洗液与去离子水,按洗液去离子水= 100 2000ml比例配比,待水浴温度达到45 °C后,将一定数量的盖片和基片超声清洗 IOmin ;第2次将芯片取出,用去离子水冲洗以去除残余洗液,并置于45°C的去离子水浴中,超声清洗IOmin第3次再次将芯片取出,去离子水冲洗,置于水浴温度45°C的去离子水中,超声清洗IOmin ;d.水处理将超声清洗后的芯片从超声设备中取出,并继续置于去离子水浴中Ih ;e.氮气吹干芯片表面Ih后,将芯片从水浴中取出,并用氮气吹干其表面;f.热压键合将表面已吹干的芯片盖片和基片,对准后置于热压键合机的上下压头之间,在温度 91 93°C,压力1. 4 1.6Mpa,时间6min的工艺参数下热压键合。
全文摘要
一种提高注塑成型PMMA微流控芯片热压键合率的方法,属于微制造技术领域,特别涉及到提高微流控芯片热压键合质量的方法。其特征是,在热压键合前对芯片进行水处理,区别于传统的热压键合工艺流程“超声清洗——烘箱烘干——热压键合”,该方法采用“超声清洗——水处理——氮气吹干表面——热压键合”。本发明的效果和益处是克服了紫外线和MMA单体表面改性等处理方法存在的处理方法复杂、成本高、影响微流体系统使用性能等问题;该处理方法高效、成本低、不改变微流体系统性能、操作简单,在相同的热压键合工艺参数下,较之未经处理的芯片,有效键合面积明显增加,其键合率平均增加20%,有效的提高了芯片键合质量。
文档编号B81C3/00GK102190287SQ20111007954
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者付其达, 刘冲, 常宏玲, 杜立群 申请人:大连理工大学


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