[发明专利]一种局部溶解性激活辅助聚合物超声波键合方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物封接技术领域，涉及一种新的聚合物器件的键合封装技术，用于实现 聚合物器件的快速、无变形、密封性封装。

背景技术

以塑料和橡胶为代表的聚合物以其优良的工程性能被广泛应用于航天、电子、汽车、建 筑、纺织、通讯、医药、包装等各领域，成为目前最重要的工程材料之一。聚合物加工作为 一种新型加工工艺随之兴起，其中焊接技术作为聚合物器件的主要连接技术之一也迅速发展 了起来。随着聚合物材料在精密器件中的应用(如聚合物MEMS/NMES器件)，针对聚合物器 件的高精度、低形变连接技术成为目前需要解决的关键技术难题。如封装成本在聚合物微器 件制造成本中的比重不断上升，与聚合物MEMS技术的快速发展相比，其键合和封装技术已大 为落后。发展低成本、高效、高可靠性的键合封装技术，已成为聚合物MEMS器件实用化和产 业化的当务之急。

聚合物MEMS器件的传统键合方式主要有粘结剂胶连键合、热键合、激光键合、溶剂键合 、等离子辅助热键合以及微波键合等，这些方法都不同程度的存在着各自的缺陷。2005年韦 鹤、王晓东等人根据超声波键合的特点，对微流控芯片超声键合的可行性进行了分析和数值 仿真，结果表明通过合理的键合连接结构设计和参数优化，聚合物超声波键合可行且能够满 足微器件封装的产业化需求。2006年，Truckenmueller等对微流控芯片、微单向阀以及盘形 微瓣膜泵等特征尺寸为500μm的微器件进行了超声波键合试验，结果表明利用超声波进行聚 合物微器件键合封装的可行性。超声波键合具有不需要外部加热、对焊件破坏小、焊接时间 短、焊接强度高、残余应变小、器件局部受热等诸多优点，因此超声波聚合物微器件键合封 装技术可以大大提高生产效率、节约制作成本、提高键合质量。该技术有潜力成为聚合物微 器件批量化生产的重要技术之一，具有很大的应用和市场前景。

在已有的超声波塑料焊接过程中，声波的机械振动传递到待焊接塑料的界面上，使界面 分子间摩擦和材料粘弹性产生热量，导致连接界面附近材料的温度升高，使材料熔融后在压 力作用下冷却而实现连接。导能筋结构在焊接过程中起到能量集中和能量导向作用，在键合 过程中主要是通过导能筋结构的熔融流动后在结合界面间形成一层熔融连接层实现对器件的 连接。当把超声波塑料焊接技术用于微器件的连接时，传统的熔融连接方法就有着较大的局 限性。首先，导能筋结构的熔融液流延特性十分复杂，会造成对微结构形貌变形的影响；其 次，由于材料局部要上升到材料的熔融温度才能实现有效连接，即要大于焊接材料的临界振 幅，而且超声键合过程温度升高快且难以控制，所以局部材料会由于温度太高而产生气泡， 影响微器件的制作精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种局部溶解性激活辅助聚合物超声波键合方法，实现 在低于基体材料临界振幅下的聚合物器件超声波键合封装。由于超声振幅低于材料的临界振 幅，在整个的键合过程中导能筋不熔融，本发明解决了熔融液流延难以控制和局部热产生气 泡、溢料等传统超声键合方法的缺陷。

本发明的技术方案如下：

首先根据有机溶液的温变溶解特性、“相似相溶”原理以及聚合物材料的海度班溶解系 数选择合理的溶液。为避免对器件上的功能结构造成破坏，所选取溶液应该在常温下不会对 器件基体材料产生溶解作用；为实现有效键合，所选取溶液对基体材料的溶解性要在低于材 料玻璃转变温度的某温度段显现出来。在键合前将所选的溶液涂抹于基片或盖片的键合表面 。

在进行超声键合时依靠超声产热作用和溶液对材料的温变溶解性特性，来完成对聚合物 器件的键合封装。根据封装要求在器件上设计平头导能筋结构来实现小区域的面键合，导能 筋结构和器件上的功能结构可制作在不同的基片上也可制作在同一基片上，直接利用普通的 机械加工，制作最小尺度为毫米级的导能筋结构。键合前，两基片进行夹持配合，保证导能 筋结构和功能结构的对准，以便键合时能够在功能结构周围形成有效的密封键合面。

利用本方法进行键合封装时，超声波振幅低于所选材料的临界振幅，超声作用时间长( 一般为5-30S)。