聚合物微纳器件超声波焊接技术研究现状.doc

大连理工大学研究生试卷类别标准分数实得分数平时成绩10作业成绩90总分100授课教师刘冲签 字系 别： 机械工程学院课程名称：微制造与微机械电子系统 学 号： 21304203姓 名： 纪潇考试时间：2014年 1 月 13 日聚合物微纳器件超声波焊接技术研究现状纪潇（大连理工大学 大连 116024）摘要：随着聚合物材料在MEMS领域越来越广泛的应用，由聚合物材料制作的聚合物微纳器件的封接将成为MEMS制造中的关键技术。传统聚合物微纳器件封接方式存在各种弊端与局限性，而由于自身的诸多优点，近年在国内外MEMS研究领域得到不断发展和应用的超声波焊接技术，将是解决聚合物微器件联接问题的有效技术途径。本文对聚合物微纳器件超声焊接技术进行简要介绍并综述其研究现状与发展趋势。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。关键词：聚合物微纳器件；超声焊接Ultrasonic Welding Technology of Polymer Micro-nano Devices：the Present Status聞創沟燴鐺險爱氇谴净。JI Xiao(Dalian University of Technology，Dalian，116024)Abstract：As the polymer material is used in the MEMS field more widely, sealing the polymer micro-nano devices produced by polymer materials will become a key technology in MEMS manufacture. There are various disadvantages and limitations of conventional sealing methods of polymer micro-nano devices. Owing to many merits of the Plastic ultrasonic welding technology, the novel approach has gained unceasing development and application in the MEMS research field in recent years, and will become an effective technological approach to solve the present problem of the bonding for polymer micro-nano components. This paper gives a brier introduction to the ultrasonic welding technology of polymer micro-nano devices and overviews of its current situation and development trend.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。Key words：Polymer micro-nano devices；ultrasonic welding酽锕极額閉镇桧猪訣锥。0 背景微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。由于聚合物材料具有种类繁多、耐氧化、耐腐蚀、易成形、熔点低、导电率低、抗冲击性能好等优点，其在MEMS制造领域的优势己经逐渐显现。聚合物材料逐渐取代玻璃、石英、硅等材料，己经广泛应用于微流控生物芯片、微型燃料电池、微阀、微泵等MEMS器件的制造1。聚合物微纳器件具有质量轻、体积小、抗腐蚀、绝缘性能好、尺寸一致性好、成形效率高等优点，在航空航天、精密仪器、生物与基因工程、生命科学、医药工程、信息通讯、环境工程和军事等领域，尤其是微光学器件和生物分析芯片领域，有着广阔的应用前景2。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。尽管聚合物微纳器件在MEMS领域得到了广泛的应用，但目前其主要的封接技术却在适用性、制作质量和效率等方面存在问题和局限性，成为目前制约聚合物MEMS技术发展的瓶颈问题3。聚合物的联接是实现微器件精密联接过程的重要一环，在产业化的过程中，聚合物微纳器件的联接技术一直是批量化生产中的关键问题，例如在聚合物微流控芯片的制作中，基片与盖片的封接形成封闭的微通道网络；微阀、微泵等功能器件及其它各种聚合物微器件的封接及在MEMS系统上的集成等4。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。目前应用于聚合物微纳器件的封接方法主要有胶粘接、溶剂联接、激光焊接、微波焊接、直接热键合、等离子体辅助热键合等。其中胶粘接与溶剂联接由于胶粘剂和溶剂的引入对联接质量及精度产生影响，为后续的实验应用造成了一定的不便，甚至会影响实验的分析结果，另外，粘接工艺需要复杂的表面处理，生产率相对较低；激光焊接与微波焊接要求待联接器件材料本身能够吸收激光和微波辐射能量，此条件限制了对微纳器件材料的选择，目前通常采用在表面植入激光或微波吸收剂，但此方法也在一定程度上增加了工艺的复杂性；热键合则存在着键合效率低，基片整体加热温度在材料的玻璃转化温度左右，容易引起基片变形等缺点。上述联接技术在生物适用性、兼容性、制作质量、效率等方面存在着各自的问题及局限性，制约着聚合物微纳制造技术的发展。近年来在聚合物焊接领域得到广泛应用的超声波焊接技术具有联接效率高、不引入中间介质、绿色环保、适合于自动化批量制作等优点，使其成为解决聚合物微纳器件封接问题的一个重要方法。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1 聚合物超声波焊接技术研究现状1.1 超声波焊接技术简介超声波焊接技术是利用超声波频率（超过20kHz）的机械振动能量，转化为待焊接器件的热能，使器件接触表面熔融，从而连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷的特殊焊接方法。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。自1958年在一次试验中偶然发现了超声波的焊接能力以来，超声焊接技术以其不引入外部材料、生产成本低、生产效率高、精度保证高、均匀性高和使用方便等优点而被广泛应用于同种或不同材料（例如金属、玻璃、塑料、陶瓷等等）之间的焊接5。起初超声波焊接技术主要用于金属的焊接，超声金属焊接技术作为集成电路引线键合的主要方法广泛应用于电子封装领域。图1-1是引线键合示意图。超声波金属焊接的周期性机械力方向与待焊接界面平行，使零件发生横向摩擦，产生大量的热量以增加金属材料原子的活性，并发生相互扩散形成熔接层，从而实现金属器件焊接2。 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。由于工艺上的突出优势，目前应用更为广泛的是热塑性塑料的焊接6，与超声波金属焊接不同，在塑料超声波焊接技术中周期性驱动力方向与焊接面方向垂直，该周期力产生的超声振动通过超声焊头传递到待焊接聚合物器件上。焊件在超声波振动的周期变形作用下，焊接接触表面上分子内部摩擦产生热量，使聚合物熔融使焊件熔结，焊接过程中接触表面的热量最高。图1-2 为超声波塑料焊接示意图。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。聚合物超声波焊接技术最早在1956年由美国人琼斯等人提出，60年代美国、瑞士、日本、英国、西德以及苏联等国便开始研究这种焊接技术并开始投入实际应用。因为聚合物的焊接需要有较大的功率，外加塑料大量应用于实际工程和日常生活中也是近二十年的事情，所以只是近十几年来，随着基础电子工业的发展以及大功率换能器的研制成功，超声波塑料焊接才逐渐发展起来7,8。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 图1-1 引线键合示意图 图1-2 超声波焊接示意图1.2 超声波塑料焊接技术工艺研究现状超声波塑料焊接机主要由超声波声学系统、加压装置、控制系统以及其他机械部件组成，其结构示意图如图1-3所示3。超声波声学系统由超声波发生器、超声换能器、变幅杆和工具头组成。超声波发生器将传统50/60Hz的交流电转换为20-40kHZ的高频电能，经加压装置和超声换能器转换为振动机械能，再经变幅杆传送到工具头。工具头上的高频机械振动被传递到与工具头直接接触的塑料焊件的焊面，产生瞬间高温使焊面熔化形成熔化层，并在焊接机可控压力的作用下熔合凝固,从而实现牢固结合。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。经过半个多世纪的研究发展，超声波塑料焊接技术在工艺流程方面已较为成熟。在控制流程方面，已有多种焊接模式以应对不同焊接条件及要求。美国、德国和瑞士在超声波焊接设备的研究与制造方面处于领先地位，其焊接设备可以精确控制时间、能量、位移、压力等多种工艺参数并提供相应的控制模式。2000年Masuzawa等9研究了超声波焊接过程中散射在空气中的超声波信息，并提出以此来判断控制焊接流程，但后续并无将此方法应用于焊接过程控制的报道。国内方面由于在超声波塑料焊接设备方面的研究较晚，多数该方面的专利和市场都被国际知名品牌占有，目前国内在超声波塑料焊机方面的创新性研究较少。1995年杨士勤等10提出了超声波焊机的能量控制模式；1996年田修波等11研究了超声波焊机的气动加压系统，1999年研制了压力可变的超声波塑料焊机12；1990年哈尔滨工业大学的董震等13研究了超声波焊接过程中声波电参数的检测系统。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。在工艺参数方面，哈尔滨工业大学侯旭光等人进行了超声波塑焊工艺参数的研究14，得出焊接工艺参数对焊接质量的影响规律，指出焊接时间直接影响焊接过程热量产生多少，是影响焊接质量的最主要因素。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。大连理工大学刘川等人进行了超声波塑料焊接机理和焊接工艺参数研究15，他认为对焊接质量产生影响并可以调节的参数主要是焊机带来的参数，如振幅、压力、超声时间和保压时间四个因素，通过找到以上参数的最优组合就能得到最优的焊接质量和焊接精度。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。图1-3 超声波焊接机结构示意图1.3 超声波塑料焊接技术在聚合物MEMS领域研究现状 塑料超声波联接技术在宏观加工领域的应用已较为成熟，但将超声波焊接技术应用于聚合物微纳器件的封装是一种新的封装方法，有着实现聚合物微流控芯片批量化生产的应用前景，但目前国内外的相关研究尚处于起步阶段6。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2005年大连理工大学韦鹤等16首次提出利用超声波进行聚合物微通道的键合封装,并利用有限元法对键合过程进行了仿真计算,通过计算得出键合过程中的温度场分布和微通道的形变情况，从理论上证明了超声波用于微流控芯片键合的可行性。2006年，德国卡尔斯鲁厄研究中心Truckenmulle等17利用超声波对PMMA材料微流控芯片、微单向阀以及盘形微瓣膜泵等进行了超声波联接实验。如图1-4为其应用超声波联接封接500m宽的微通道，图1-5为应用该技术封装的外径为14mm的PMMA微泵。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。图1-4 微通道超声波封接截面照片图1-5 PMMA微泵超声波封接照片2009年，Kim等18通过自行研制的小型超声波联接装置分别研究了金属和聚合物材料的联接。图1-6为应用聚合物联接的超声波联接装置照片，图1-7为应用该装置实现的外径和内径分别为1.8mm和0.85mm的醋酸纤维素微器件的密封联接。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2009年，Ng等19采用超声波技术在1s内实现了外径为3mm的PMMA微连通管与微流控芯片的联接，并对键合过程中防止熔融液堵塞管孔等问题进行了探讨。图1-8为联接结构示意图及成功封装的零件照片，其接头处的承压能力为6bar。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2010年孙屹博等20针对联接表面特性差异引起的联接质量不一致问题，提出了基于材料力学性能反馈的压力自适应联接方法，可以对不同零件提供自适应的超声波能量。应用该系统对PMMA材料微器件进行了联接实验，实验结果表明，该方法大幅提高了超声波联接的稳定性，实现了聚合物微器件的超声波精密联接。图1-9为应用压力自适应模式联接的熔接面照片。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。图1-6 纵向振动模式的超声波联接装置图1-7 醋酸纤维素微器件的封接照片图1-8 超声波封接的聚合物微连通管图1-9 应用压力自适应模式超声波联接的微器件2011年，罗怡等21以PMMA微小管道的封接为实验对象，研究了阵列微导能结构的尺度对超声波封接过程的影响。实验结果表明该种微导能结构有效控制了聚合物熔融流延，获得了均一的封接面，可实现高质量精密封接。图1-10为该实验所用超声波焊接装置。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。图1-10 超声波精密封接实验装置2012年，罗怡等22又对聚合物微流控器件的超声波多层键合进行了研究。实验采用热辅助超声波键合方法实现了4层微流控芯片的键合，研究了单独超声波作用和热辅助超声波键合法中各界面的温度并进行了比对。研究结果表明，基于热辅助的多层超声波键合方法可以使得各键合界面的温度基本一致，从而实现多层微流控器件的键合质量一致。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。目前超声波塑料焊接技术在聚合物MEMS领域仍存在问题与局限性，如：塑料超声波焊接所涉及的联接机理非常复杂，至今没有统一的认识；随着聚合物微器件尺寸的缩小，超声波熔融联接的热影响区域增大，微器件很容易因局部过热而被损坏；由于联接机理认识不足，超声波焊接工艺过程难以实现优化控制。因此，深入研究聚合物微纳器件超声波焊接技术的机理，优化其工艺过程成为超声波焊接技术在聚合物微纳领域的主要发展方向。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。2 总结目前聚合物微纳器件的封接技术在方法的适用性、制作质量及效率、以及是否适于批量化和自动化制作等方面存在问题和局限性，成为目前制约聚合物MEMS技术发展的瓶颈问题。因此，探索一种新型的、能解决目前存在问题的聚合物微纳器件封接技术显得尤为重要。超声波焊接技术具有其他封接技术所不具有的诸多优点，将是解决目前聚合物微纳器件封接问题的有效技术途径。而塑料超声波焊接技术的研究和发展,为聚合物微器件超声波焊接的研究奠定了基础。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。将塑料超声波焊接技术应用于聚合物微纳器件封接尚处于理论分析和实验研究阶段，近年来，越来越多的科研团体开展了聚合物微纳器件的超声波焊接技术的研究，并取得了长足的进步。深入研究聚合物微纳器件超声波焊接技术的机理，优化其工艺过程成为超声波焊接技术在聚合物微纳领域的主要发展方向。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。参 考 文 献1West J, Becker M, Tombrink S, et al. Micro total analysis systems: latest achievementsJ. Analytical chemistry, 2008, 80(12): 4403-4419识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2孙屹博面向聚合物微流控器件的超声波精密联接技术研究D大连理工大学，2011 SUN YiboStudy of ultrasonic precise bonding for polymer micro fluidic devicesDDalian University of Technology , 2011凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3冯余其聚合物微器件超声波联接机理与方法研究D大连理工大学， 2010 FENG YuqiResearch on bonding mechanism and processing method of ultrasonic welding for polymer micro componentsDDalian University of Technology, 2010恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。4张苗苗阵列微结构对微器件超声波精密封接的影响D大连理工大学， 2010ZHANG MiaomiaoMicro energy director array for precise ultrasonic sealing of polymer micro device DDalian University of Technology, 2010鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。5 Brodyanski A, Born C, Kopnarski M Nm-scale resolution studies of the bond interface between ultrasonically welded Al-alloys by an analytical TEM: a path to comprehend bonding phenomena?J Applied surface science, 2005, 252(1): 94-97硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。6张彦国聚合物微流控芯片超声波熔融键合技术研究D 大连理工大学，2009ZHANG YanguoUltrasonic fusion bonding for polymer micro fluidic chips DDalian University of Technology，2009阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。7弗兰茨阿贝尔(FAbel)，孟宪知(译)塑料超声波焊接J焊接1999(6):30-33氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。FAbel Ultrasonic plastic weldingJWelding1999(6):30-33釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。8孙强义，辛乐超声塑焊技术的发展J声学技术1994，(4):149-150SUN Qiangyi, XIN LeDevelopment of ultrasonic plastic welding technology JAcoustic Technology1994，(4):149-150.怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。9Masuzawa N, Ohdaira E Information contained in the radiating ultrasound during ultrasonic weldingJ Ultrasonics, 2000, 38(1): 609-613谚辞調担鈧谄动禪泻類。10杨士勤，阎久春超声波塑料焊机的能量控制模式J焊接学报， 1995， 16(2): 118-123嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。YANG Shiqin, YAN JiuchunEnergy-controlled mode of ultrasonic plastic welderJHanJie XueBao， 1995， 16(2): 118-123熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。11田修波，杨士勤超声波塑料焊机的气动加压系统J焊接， 1996 (10): 16-19鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。TIAN Xiubo, YANG ShiqinPneumatic pressure system of ultrasonic plastic welding machineJWelding， 1996 (10): 16-19纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。12田修波，杨士勤压力可变的超声波塑料焊机J电焊机， 1999， 29(12): 14-17颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。TIAN Xiubo, YANG ShiqinPressure-variable ultrasonic plastic welderJWelder， 1999， 29(12): 14-17濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。13董震， 顾洪涛超声波塑料焊接过程场学系统电参数的检测J哈尔滨工业大学学报， 1999， 31(6): 5-8銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。DONG Zhen, GU HongtaoMeasurement of ultrasonic electric signals of acoustic system during ultrasonic plastic weldingJJournal of Harbin Institute of Technology， 1999， 31(6): 5-8挤貼綬电麥结鈺贖哓类。14侯旭超声波塑料焊接工艺参数的研究D哈尔滨工业大学， 2001HOU XuProcess parameters study of ultrasonic plastic welding DHarbin Institute of Technology， 2001赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。15刘川超声波塑料焊接机理和工艺试验研究J大连理工大学， 2003LIU Chuan Mechanism and process study of ultrasonic plastic welding JDalian University of Technology， 2003塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。16韦鹤， 王晓东， 刘冲， 等塑料微流控芯片的超声波焊接键合的仿真J中国机械工程， 2005， 16(z1)裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。WEI He, WANG Xiaodong, LIU ChongBonding simulation of ultrasonic welding method for plastic microfluidic chipJChina Mechanical Engineering， 2005， 16(z1)仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。17 Truckenmller R, Cheng Y, Ahrens R, et al Micro ultrasonic welding: joining of chemically inert polymer microparts for single material fluidic components and systemsJ Microsystem technologies, 2006, 12(10-11): 1027-1029绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。18Kim J, Jeong B, Chiao M, et al Ultrasonic bonding for MEMS sealing and packagingJ Advanced Packaging, IEEE Transactions on, 2009, 32(2): 461-467骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。19Ng S H, Wang Z F, de Rooij N F Microfluidic connectors by ultrasonic weldingJ Microelectronic Engineering, 2009, 86(4): 1354-1357瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。20孙屹博，罗怡，王晓东聚合物微器件压力自适应超声波精密联接J 光学 精密工程， 2010， 18(5): 1189鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。SUN Yibo, LUO Yi, WANG XiaodongUltrasonic precise bonding for polymer micro device based on adaptive pressure control JOptics and Precision Engineering， 2010， 18(5): 1189栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。21 罗怡，张苗苗，孙屹博，等面向聚合物微器件超声波精密封接的阵列微导能结构J 光学 精密工程， 2011， 19(4)辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。LUO YI, ZHANG Miaomiao, SUN Yibo, etcMicro energy director array for ultrasonic precise sealing of polymer MEMS divice J Optics and Precision Engineering， 2011， 19(4)峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。 22 罗怡，何盛强，王晓东聚合物多层微流控芯片超声波键合界面温度研究J 材料科学与工艺，2012， 1: 019詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。LUO Yi, HE Shengqiang, WANG XiaodongInterfacial temperature study of multi-layer ultrasonic bonding for polymer microfluidic chip J Materials Science & Technology，2012， 1: 019则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。