塑料超声波焊接及其用于聚合物MEMS器件键合的研究进展92329.pdfVIP

‰肱专题综述；蜉搭 塑料超声波焊接及其用于聚合物MEMS 器件键合的研究进展 大连理工大学(116023)张宗波 罗怡王晓东 王立鼎 摘要为了解决当前聚合物MEMS器件键合技术中存在的问题。将塑料超声波焊接技术引入聚合物微器件键 合领域，从而形成了一种新的MEMS键合工艺——超声波键合。目前广泛应用于聚合物加工的塑料超声波焊接技 术具有不需要焊剂和外部热源、对焊件破坏轻、焊接时间短、焊接影响区域小等优点，超声波聚合物MEMS器件键 合是塑料超声波焊接技术从宏观器件到微观器件的一次应用范围上的拓宽。简述了塑料超声波焊接和MEMS器 件超声波键合技术的国内外研究发展现状。采用MEMS加工工艺制作了带有键合接头的PMMA微流控芯片，并利 用超声波塑料焊接机实现了高强度密封键合试验。然而，与宏观器件的焊接相比超声波MEMS键合存在着因结构 微型化而产生的特殊技术问题，文章对这些问题进行了讨论。 关键词： 塑料超声波焊接超声波键合微流控芯片聚合物微器件 中图分类号t TG453．9 组件的永久性连接工艺称为键合哺J。随着聚合物微器 0前 言 件制造成本的逐渐降低，封装成本所占的比重不断上 20世纪70年代以来，以塑料和橡胶为代表的聚合升，而且目前其封装技术仍是通过改善微电子封装工 物材料以其优良的工程性能被广泛应用于航天、电子、 艺实现的，没有通用性，也未形成统一的标准。因此， 汽车、建筑、纺织、通讯、医药及包装等各领域，焊接作 与聚合物MEMS技术的快速发展相比，其键合和封装 为塑料器件的主要连接形式也迅速地发展起来。针对 技术已大为落后，成为制造过程中的瓶颈问题。发展 热塑性塑料，目前主要的焊接技术有：外部加热焊接、 低成本、高可靠性的键合封装工艺已成为实现聚合物 电磁致热焊接以及内部热焊接三大类。其中热板焊、 MEMS器件实用化和产业化的当务之急。将塑料超声 植入电偶或电感焊、热气焊、激光焊接…以及等离子弧 波焊接技术引入到MEMS器件的键合工艺中，能够克 焊旧。属于外部加热焊接技术∞1；射频焊接、微波焊 服现有键合工艺的缺陷，形成一种新的高效聚合物 接”’51属于电磁致热焊接技术；摩擦焊接以及超声波焊 MEMS键合工艺——超声波键合。它为实现聚合物 接属于内部热焊接技术[6]。自1958年在一次试验中 MEMS器件的批量化和自动化生产提供了一条有效的 偶然发现了超声波的焊接能力以来，超声波已被广泛 途径。 用于同种材料或不同材料(例如金属／玻璃／塑料／陶瓷 论文介绍了塑料超声波焊接技术中与超声MEMS 等)之间的连接。¨。超声波焊接具有不需要焊剂和外 器件键合密切相关的理论及技术发展概况，这对超声 部加热、对焊件破坏小、焊接时间短(一般小于1s)、焊 波键合的研究具有重要的借鉴意义。利用商用塑料超 接强度高和残余应变小等诸多优点，在塑料加工领域 声波焊接机实现了PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)基微流 取得了迅猛的发展¨J。 控芯片的高强度、密封性键合，通过试验发现与宏观器 随着聚合物材料的广泛应用，目前除传统的硅和 件的焊接相比，超声波用于微器件键合时尚存在一些 玻璃材料外，聚合物已成为制造MEMS器件的主要材特殊的问题，文章进一步对这些问题及其解决方法进 料之一。在MEMS制造、组装及封装领域，一般将不同 行了探讨。 收稿日期：2008—02—22 1 塑料超声波焊接机理 基金项目：国家自然科学基金资助；新世纪优秀人才支持计 划资助(NCET一06—0279)。 许多研究者对塑料超声波焊接的机理进行了大量