聚合物微納器件超聲波焊接技術探究現(xiàn)狀

1、大連理工大學研究生試卷系 別： 機械工程學院 課程名稱： 微制造與微機械電子系統(tǒng)學 號： 21304203姓 名： 紀瀟 考試時間： 2014 年 1 月 13 日類別標準分數(shù)實得分數(shù)平時成績10作業(yè)成績90總分100授課教師劉沖簽字聚合物微納器件超聲波焊接技術研究現(xiàn)狀紀瀟(大連理工大學 大連 116024)摘要： 隨著聚合物材料在 MEMS 領域越來越廣泛的應用，由聚合物材料制作的聚合物微納器件的封接將成為MEMS 制造中的關鍵技術。傳統(tǒng)聚合物微納器件封接方式存在各種弊端與局限性，而由于自身的諸多優(yōu)點， 近年在國內外 MEMS 研究領域得到不斷發(fā)展和應用的超聲波焊接技術， 將是解決聚合物微器

2、件聯(lián)接問題的有 效技術途徑。本文對聚合物微納器件超聲焊接技術進行簡要介紹并綜述其研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。關鍵詞： 聚合物微納器件；超聲焊接Ultrasonic Welding Technology of Polymer Micro-nano Devices： the Present StatusJI Xiao(Dalian University of Technology ， Dalian ， 116024)Abstract： As the polymer material is used in the MEMS field more widely, sealing the polymer mic

3、ro-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 gai

4、ned 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 polym

5、er micro-nano devices and overviews of its current situation and development trend.Key words：Polymer micro-nano devices ；ultrasonic welding0 背景微機電系統(tǒng) ( Micro Electro Mechanical System ，MEMS )是指可批量制作的， 集微型機構、 微型傳感器、 微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、 直至接口、 通信和電源等于一體的微型器 件或系統(tǒng)。由于聚合物材料具有種類繁多、耐氧化、耐腐蝕、易成形、熔點低、導電率低、抗沖擊性能好等優(yōu)

6、點，其在 MEMS 制造領域的優(yōu)勢己經逐漸顯現(xiàn)。聚合物材料逐漸取代玻璃、 石英、硅等材料，己經廣泛應用于微流控生物芯片、微型燃料電池、微閥、微泵等 MEMS 器 件的制造 1 。聚合物微納器件具有質量輕、體積小、抗腐蝕、絕緣性能好、尺寸一致性好、成 形效率高等優(yōu)點， 在航空航天、 精密儀器、 生物與基因工程、 生命科學、 醫(yī)藥工程、 信息通訊、 環(huán)境工程和軍事等領域，尤其是微光學器件和生物分析芯片領域，有著廣闊的應用前景 2 。盡管聚合物微納器件在 MEMS 領域得到了廣泛的應用，但目前其主要的封接技術卻在適 用性、制作質量和效率等方面存在問題和局限性，成為目前制約聚合物 MEMS 技術發(fā)展的

7、瓶 頸問題 3 。聚合物的聯(lián)接是實現(xiàn)微器件精密聯(lián)接過程的重要一環(huán)，在產業(yè)化的過程中，聚合物 微納器件的聯(lián)接技術一直是批量化生產中的關鍵問題， 例如在聚合物微流控芯片的制作中， 基 片與蓋片的封接形成封閉的微通道網(wǎng)絡； 微閥、微泵等功能器件及其它各種聚合物微器件的封 接及在 MEMS 系統(tǒng)上的集成等 4 。目前應用于聚合物微納器件的封接方法主要有膠粘接、溶劑聯(lián)接、激光焊接、微波焊接、 直接熱鍵合、 等離子體輔助熱鍵合等。 其中膠粘接與溶劑聯(lián)接由于膠粘劑和溶劑的引入對聯(lián)接 質量及精度產生影響， 為后續(xù)的實驗應用造成了一定的不便， 甚至會影響實驗的分析結果， 另 外，粘接工藝需要復雜的表面處理， 生

8、產率相對較低； 激光焊接與微波焊接要求待聯(lián)接器件材 料本身能夠吸收激光和微波輻射能量， 此條件限制了對微納器件材料的選擇， 目前通常采用在 表面植入激光或微波吸收劑， 但此方法也在一定程度上增加了工藝的復雜性； 熱鍵合則存在著 鍵合效率低， 基片整體加熱溫度在材料的玻璃轉化溫度左右， 容易引起基片變形等缺點。 上述 聯(lián)接技術在生物適用性、 兼容性、 制作質量、 效率等方面存在著各自的問題及局限性， 制約著 聚合物微納制造技術的發(fā)展。 近年來在聚合物焊接領域得到廣泛應用的超聲波焊接技術具有聯(lián) 接效率高、 不引入中間介質、 綠色環(huán)保、 適合于自動化批量制作等優(yōu)點， 使其成為解決聚合物 微納器件封接

9、問題的一個重要方法。1 聚合物超聲波焊接技術研究現(xiàn)狀1.1 超聲波焊接技術簡介超聲波焊接技術是利用超聲波頻率 （超過 20kHz ）的機械振動能量， 轉化為待焊接器件的 熱能，使器件接觸表面熔融， 從而連接同種或異種金屬、 半導體、 塑料及金屬陶瓷的特殊焊接 方法。自 1958 年在一次試驗中偶然發(fā)現(xiàn)了超聲波的焊接能力以來，超聲焊接技術以其不引入外 部材料、 生產成本低、 生產效率高、 精度保證高、 均勻性高和使用方便等優(yōu)點而被廣泛應用于 同種或不同材料（例如金屬、玻璃、塑料、陶瓷等等）之間的焊接 5 。起初超聲波焊接技術主 要用于金屬的焊接， 超聲金屬焊接技術作為集成電路引線鍵合的主要方法廣

10、泛應用于電子封裝 領域。圖1-1 是引線鍵合示意圖。超聲波金屬焊接的周期性機械力方向與待焊接界面平行， 使 零件發(fā)生橫向摩擦， 產生大量的熱量以增加金屬材料原子的活性， 并發(fā)生相互擴散形成熔接層， 從而實現(xiàn)金屬器件焊接 2 。由于工藝上的突出優(yōu)勢，目前應用更為廣泛的是熱塑性塑料的焊接6 ，與超聲波金屬焊接不同， 在塑料超聲波焊接技術中周期性驅動力方向與焊接面方向垂直，該周期力產生的超聲振動通過超聲焊頭傳遞到待焊接聚合物器件上。 焊件在超聲波振動的周期變形作用下， 焊接接 觸表面上分子內部摩擦產生熱量， 使聚合物熔融使焊件熔結， 焊接過程中接觸表面的熱量最高。 圖 1-2 為超聲波塑料焊接示意圖

11、。聚合物超聲波焊接技術最早在 1956 年由美國人瓊斯等人提出， 60 年代美國、 瑞士、日本、 英國、 西德以及蘇聯(lián)等國便開始研究這種焊接技術并開始投入實際應用。 因為聚合物的焊接需 要有較大的功率， 外加塑料大量應用于實際工程和日常生活中也是近二十年的事情， 所以只是 近十幾年來， 隨著基礎電子工業(yè)的發(fā)展以及大功率換能器的研制成功， 超聲波塑料焊接才逐漸 發(fā)展起來 7,8 。圖 1-1 引線鍵合示意圖1.2 超聲波塑料焊接技術工藝研究現(xiàn)狀超聲波塑料焊接機主要由超聲波聲學系統(tǒng)、加壓裝置、控制系統(tǒng)以及其他機械部件組成， 其結構示意圖如圖 1-3 所示 3。超聲波聲學系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、超聲換能

12、器、變幅桿和工具 頭組成。超聲波發(fā)生器將傳統(tǒng) 50/60Hz 的交流電轉換為 20-40kHZ 的高頻電能，經加壓裝置和 超聲換能器轉換為振動機械能， 再經變幅桿傳送到工具頭。 工具頭上的高頻機械振動被傳遞到 與工具頭直接接觸的塑料焊件的焊面， 產生瞬間高溫使焊面熔化形成熔化層， 并在焊接機可控 壓力的作用下熔合凝固 ,從而實現(xiàn)牢固結合。經過半個多世紀的研究發(fā)展， 超聲波塑料焊接技術在工藝流程方面已較為成熟。 在控制流 程方面， 已有多種焊接模式以應對不同焊接條件及要求。美國、 德國和瑞士在超聲波焊接設備的研究與制造方面處于領先地位， 其焊接設備可以精確控制時間、 能量、 位移、壓力等多種工

13、藝參數(shù)并提供相應的控制模式。 2000 年 Masuzawa 等 9研究了超聲波焊接過程中散射在空氣中 的超聲波信息， 并提出以此來判斷控制焊接流程， 但后續(xù)并無將此方法應用于焊接過程控制的 報道。 國內方面由于在超聲波塑料焊接設備方面的研究較晚，多數(shù)該方面的專利和市場都被國際知名品牌占有，目前國內在超聲波塑料焊機方面的創(chuàng)新性研究較少。 1995 年楊士勤等 10 提 出了超聲波焊機的能量控制模式； 1996 年田修波等 11研究了超聲波焊機的氣動加壓系統(tǒng)， 1999 年研制了壓力可變的超聲波塑料焊機 12； 1990 年哈爾濱工業(yè)大學的董震等 13研究了超聲波焊 接過程中聲波電參數(shù)的檢測系統(tǒng)

14、。在工藝參數(shù)方面，哈爾濱工業(yè)大學侯旭光等人進行了超聲波塑焊工藝參數(shù)的研究14 ，得出焊接工藝參數(shù)對焊接質量的影響規(guī)律， 指出焊接時間直接影響焊接過程熱量產生多少， 是影 響焊接質量的最主要因素。大連理工大學劉川等人進行了超聲波塑料焊接機理和焊接工藝參數(shù)研究15 ，他認為對焊接質量產生影響并可以調節(jié)的參數(shù)主要是焊機帶來的參數(shù)， 如振幅、 壓力、 超聲時間和保壓時 間四個因素，通過找到以上參數(shù)的最優(yōu)組合就能得到最優(yōu)的焊接質量和焊接精度。1.3 超聲波塑料焊接技術在聚合物 MEMS領域研究現(xiàn)狀塑料超聲波聯(lián)接技術在宏觀加工領域的應用已較為成熟， 但將超聲波焊接技術應用于聚合 物微納器件的封裝是一種新的

15、封裝方法，有著實現(xiàn)聚合物微流控芯片批量化生產的應用前景， 但目前國內外的相關研究尚處于起步階段 6 。2005 年大連理工大學韋鶴等 16首次提出利用超聲波進行聚合物微通道的鍵合封裝,并利用有限元法對鍵合過程進行了仿真計算,通過計算得出鍵合過程中的溫度場分布和微通道的形變情況，從理論上證明了超聲波用于微流控芯片鍵合的可行性。 2006 年，德國卡爾斯魯厄研究 中心 Truckenmulle 等 17利用超聲波對 PMMA 材料微流控芯片、 微單向閥以及盤形微瓣膜泵等 進行了超聲波聯(lián)接實驗。 如圖 1-4 為其應用超聲波聯(lián)接封接 500m寬的微通道， 圖 1-5 為應用 該技術封裝的外徑為 14

16、mm 的 PMMA 微泵。圖 1-4 微通道超聲波封接截面照片圖 1-5 PMMA 微泵超聲波封接照片2009 年， Kim 等18通過自行研制的小型超聲波聯(lián)接裝置分別研究了金屬和聚合物材料的 聯(lián)接。圖 1-6 為應用聚合物聯(lián)接的超聲波聯(lián)接裝置照片，圖1-7為應用該裝置實現(xiàn)的外徑和內徑分別為 1.8mm 和 0.85mm 的醋酸纖維素微器件的密封聯(lián)接。2009年， Ng 等19采用超聲波技術在 1s內實現(xiàn)了外徑為 3mm的 PMMA 微連通管與微流 控芯片的聯(lián)接， 并對鍵合過程中防止熔融液堵塞管孔等問題進行了探討。 圖 1-8 為聯(lián)接結構示 意圖及成功封裝的零件照片，其接頭處的承壓能力為6ba

17、r。2010 年孫屹博等 20 針對聯(lián)接表面特性差異引起的聯(lián)接質量不一致問題，提出了基于材料 力學性能反饋的壓力自適應聯(lián)接方法， 可以對不同零件提供自適應的超聲波能量。 應用該系統(tǒng) 對 PMMA 材料微器件進行了聯(lián)接實驗，實驗結果表明，該方法大幅提高了超聲波聯(lián)接的穩(wěn)定 性，實現(xiàn)了聚合物微器件的超聲波精密聯(lián)接。 圖 1-9 為應用壓力自適應模式聯(lián)接的熔接面照片。圖 1-6 縱向振動模式的超聲波聯(lián)接裝置圖 1-7 醋酸纖維素微器件的封接照片圖 1-8 超聲波封接的聚合物微連通管圖 1-9 應用壓力自適應模式超聲波聯(lián)接的微器件2011 年，羅怡等 21以 PMMA 微小管道的封接為實驗對象， 研究了

18、陣列微導能結構的尺度 對超聲波封接過程的影響。 實驗結果表明該種微導能結構有效控制了聚合物熔融流延， 獲得了 均一的封接面，可實現(xiàn)高質量精密封接。圖 1-10 為該實驗所用超聲波焊接裝置。圖 1-10 超聲波精密封接實驗裝置2012 年，羅怡等 22 又對聚合物微流控器件的超聲波多層鍵合進行了研究。實驗采用熱輔 助超聲波鍵合方法實現(xiàn)了 4 層微流控芯片的鍵合， 研究了單獨超聲波作用和熱輔助超聲波鍵合 法中各界面的溫度并進行了比對。 研究結果表明， 基于熱輔助的多層超聲波鍵合方法可以使得 各鍵合界面的溫度基本一致，從而實現(xiàn)多層微流控器件的鍵合質量一致。目前超聲波塑料焊接技術在聚合物 MEMS 領

19、域仍存在問題與局限性，如：塑料超聲波焊 接所涉及的聯(lián)接機理非常復雜， 至今沒有統(tǒng)一的認識； 隨著聚合物微器件尺寸的縮小， 超聲波 熔融聯(lián)接的熱影響區(qū)域增大， 微器件很容易因局部過熱而被損壞； 由于聯(lián)接機理認識不足， 超 聲波焊接工藝過程難以實現(xiàn)優(yōu)化控制。 因此，深入研究聚合物微納器件超聲波焊接技術的機理， 優(yōu)化其工藝過程成為超聲波焊接技術在聚合物微納領域的主要發(fā)展方向。2 總結目前聚合物微納器件的封接技術在方法的適用性、 制作質量及效率、 以及是否適于批量化 和自動化制作等方面存在問題和局限性，成為目前制約聚合物 MEMS 技術發(fā)展的瓶頸問題。 因此， 探索一種新型的、 能解決目前存在問題的聚

20、合物微納器件封接技術顯得尤為重要。 超聲 波焊接技術具有其他封接技術所不具有的諸多優(yōu)點， 將是解決目前聚合物微納器件封接問題的 有效技術途徑。而塑料超聲波焊接技術的研究和發(fā)展,為聚合物微器件超聲波焊接的研究奠定了基礎。將塑料超聲波焊接技術應用于聚合物微納器件封接尚處于理論分析和實驗研究階段， 近年 來，越來越多的科研團體開展了聚合物微納器件的超聲波焊接技術的研究， 并取得了長足的進 步。深入研究聚合物微納器件超聲波焊接技術的機理， 優(yōu)化其工藝過程成為超聲波焊接技術在 聚合物微納領域的主要發(fā)展方向。參考文獻1 West J, Becker M, Tombrink S, et al. Micro

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