聚合物微納器件超聲波焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

1、大連理工大學(xué)研究生試卷類別標準分數(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 字系 別： 機械工程學(xué)院課程名稱：微制造與微機械電子系統(tǒng) 學(xué) 號： 21304203姓 名： 紀瀟考試時間：2014年 1 月 13 日聚合物微納器件超聲波焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀紀瀟（大連理工大學(xué) 大連 116024）摘要：隨著聚合物材料在MEMS領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)。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(nèi)外MEMS研究領(lǐng)域得到不斷發(fā)展和應(yīng)用的超聲波焊接技術(shù)，將是解決聚合物微器件聯(lián)接問題的有效技術(shù)途

2、徑。本文對聚合物微納器件超聲焊接技術(shù)進行簡要介紹并綜述其研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。關(guān)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 micro-nano devices pro

3、duced 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 devel

4、opment 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 devic

5、es 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(gòu)、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(dǎo)電率低、抗沖擊性能好等優(yōu)點，其在MEMS制造領(lǐng)域的優(yōu)勢己經(jīng)逐漸顯現(xiàn)。聚合物材料逐漸取

6、代玻璃、石英、硅等材料，己經(jīng)廣泛應(yīng)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(zhì)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(xué)、醫(yī)藥工程、信息通訊、環(huán)境工程和軍事等領(lǐng)域，尤其是微光學(xué)器件和生物分析芯片領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景2。盡管聚合物微納器件在MEMS領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但目前其主要的封接技術(shù)卻在適用性、制作質(zhì)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(shù)發(fā)展的瓶頸問題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(chǎn)業(yè)化的過程中，聚合物微納器件的聯(lián)接技術(shù)一直

7、是批量化生產(chǎn)中的關(guān)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(luò)；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(yīng)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(zhì)量及精度產(chǎn)生影響，為后續(xù)的實驗應(yīng)用造成了一定的不便，甚至?xí)绊憣嶒灥姆治鼋Y(jié)果，另外，粘接工藝需要復(fù)雜的表面處理，生產(chǎn)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

8、收劑，但此方法也在一定程度上增加了工藝的復(fù)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(zhuǎn)化溫度左右，容易引起基片變形等缺點。上述聯(lián)接技術(shù)在生物適用性、兼容性、制作質(zhì)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(shù)的發(fā)展。近年來在聚合物焊接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的超聲波焊接技術(shù)具有聯(lián)接效率高、不引入中間介質(zhì)、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問題的一個重要方法。1 聚合物超聲波焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀1.1 超聲波焊接技術(shù)簡介超聲波焊接技術(shù)是利用超聲波頻率（超過20kHz）的機械振動能量，轉(zhuǎn)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

9、或異種金屬、半導(dǎo)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(shù)以其不引入外部材料、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)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(yīng)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(shù)主要用于金屬的焊接，超聲金屬焊接技術(shù)作為集成電路引線鍵合的主要方法廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)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(chǎn)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(yīng)用

10、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(shù)中周期性驅(qū)動力方向與焊接面方向垂直，該周期力產(chǎn)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(nèi)部摩擦產(chǎn)生熱量，使聚合物熔融使焊件熔結(jié)，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。聚合物超聲波焊接技術(shù)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(shù)并開始投入實際應(yīng)用。因為聚合物的焊接需要有較大的功率，外加塑料大量應(yīng)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(chǔ)電子

11、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 圖1-2 超聲波焊接示意圖1.2 超聲波塑料焊接技術(shù)工藝研究現(xiàn)狀超聲波塑料焊接機主要由超聲波聲學(xué)系統(tǒng)、加壓裝置、控制系統(tǒng)以及其他機械部件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3所示3。超聲波聲學(xué)系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、超聲換能器、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(zhuǎn)換為20-40kHZ的高頻電能，經(jīng)加壓裝置和超聲換能器轉(zhuǎn)換為振動機械能，再經(jīng)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(chǎn)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

12、合凝固,從而實現(xiàn)牢固結(jié)合。經(jīng)過半個多世紀的研究發(fā)展，超聲波塑料焊接技術(shù)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(yīng)對不同焊接條件及要求。美國、德國和瑞士在超聲波焊接設(shè)備的研究與制造方面處于領(lǐng)先地位，其焊接設(shè)備可以精確控制時間、能量、位移、壓力等多種工藝參數(shù)并提供相應(yīng)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(yīng)用于焊接過程控制的報道。國內(nèi)方面由于在超聲波塑料焊接設(shè)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(nèi)在超聲波塑料焊機方面的創(chuàng)新性研究較少。1995年楊士

13、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(xué)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)。在工藝參數(shù)方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(zhì)量的影響規(guī)律，指出焊接時間直接影響焊接過程熱量產(chǎn)生多少，是影響焊接質(zhì)量的最主要因素。大連理工大學(xué)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(zhì)量產(chǎn)生影響并可以調(diào)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

14、合就能得到最優(yōu)的焊接質(zhì)量和焊接精度。圖1-3 超聲波焊接機結(jié)構(gòu)示意圖1.3 超聲波塑料焊接技術(shù)在聚合物MEMS領(lǐng)域研究現(xiàn)狀 塑料超聲波聯(lián)接技術(shù)在宏觀加工領(lǐng)域的應(yīng)用已較為成熟，但將超聲波焊接技術(shù)應(yīng)用于聚合物微納器件的封裝是一種新的封裝方法，有著實現(xiàn)聚合物微流控芯片批量化生產(chǎn)的應(yīng)用前景，但目前國內(nèi)外的相關(guān)研究尚處于起步階段6。2005年大連理工大學(xué)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Truckenmull

15、e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(yīng)用超聲波聯(lián)接封接500m寬的微通道，圖1-5為應(yīng)用該技術(shù)封裝的外徑為14mm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(yīng)用聚合物聯(lián)接的超聲波聯(lián)接裝置照片，圖1-7為應(yīng)用該裝置實現(xiàn)的外徑和內(nèi)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(shù)在1s內(nèi)實現(xiàn)了外徑為3mm的PMMA微連通管與微流控芯片的聯(lián)接

16、，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(jié)構(gòu)示意圖及成功封裝的零件照片，其接頭處的承壓能力為6bar。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(zhì)量不一致問題，提出了基于材料力學(xué)性能反饋的壓力自適應(yīng)聯(lián)接方法，可以對不同零件提供自適應(yīng)的超聲波能量。應(yīng)用該系統(tǒng)對PMMA材料微器件進行了聯(lián)接實驗，實驗結(jié)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(yīng)用壓力自適應(yīng)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(yīng)用壓力自適應(yīng)模式超

17、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，研究了陣列微導(dǎo)能結(jié)構(gòu)的尺度對超聲波封接過程的影響。實驗結(jié)果表明該種微導(dǎo)能結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)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(zhì)量一致。

18、目前超聲波塑料焊接技術(shù)在聚合物MEMS領(lǐng)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(fù)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(shù)的機理，優(yōu)化其工藝過程成為超聲波焊接技術(shù)在聚合物微納領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。2 總結(jié)目前聚合物微納器件的封接技術(shù)在方法的適用性、制作質(zhì)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(shù)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

19、聚合物微納器件封接技術(shù)顯得尤為重要。超聲波焊接技術(shù)具有其他封接技術(shù)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(shù)途徑。而塑料超聲波焊接技術(shù)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(chǔ)。將塑料超聲波焊接技術(shù)應(yīng)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(shù)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(shù)的機理，優(yōu)化其工藝過程成為超聲波焊接技術(shù)在聚合物微納領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。參 考 文 獻1West J, Becker M, Tombrink S, et al. Micro total a

20、nalysis systems: latest achievementsJ. Analytical chemistry, 2008, 80(12): 4403-44192孫屹博面向聚合物微流控器件的超聲波精密聯(lián)接技術(shù)研究D大連理工大學(xué)，2011 SUN YiboStudy of ultrasonic precise bonding for polymer micro fluidic devicesDDalian University of Technology , 20113馮余其聚合物微器件超聲波聯(lián)接機理與方法研究D大連理工大學(xué)， 2010 FENG YuqiResearch on bond

21、ing mechanism and processing method of ultrasonic welding for polymer micro componentsDDalian University of Technology, 20104張苗苗陣列微結(jié)構(gòu)對微器件超聲波精密封接的影響D大連理工大學(xué)， 2010ZHANG MiaomiaoMicro energy director array for precise ultrasonic sealing of polymer micro device DDalian University of Technology, 20105 Bro

22、dyanski 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): 94-976張彥國聚合物微流控芯片超聲波熔融鍵合技術(shù)研究D 大連理工大學(xué)，2009ZHANG YanguoUltrasonic fusion bondin

23、g for polymer micro fluidic chips DDalian University of Technology，20097弗蘭茨·阿貝爾(F·Abel)，孟憲知(譯)塑料超聲波焊接J焊接1999(6):30-33F·Abel Ultrasonic plastic weldingJWelding1999(6):30-338孫強義，辛樂超聲塑焊技術(shù)的發(fā)展J聲學(xué)技術(shù)1994，(4):149-150SUN Qiangyi, XIN LeDevelopment of ultrasonic plastic welding technology JAcou

24、stic Technology1994，(4):149-150.9Masuzawa N, Ohdaira E Information contained in the radiating ultrasound during ultrasonic weldingJ Ultrasonics, 2000, 38(1): 609-61310楊士勤，閻久春超聲波塑料焊機的能量控制模式J焊接學(xué)報， 1995， 16(2): 118-123YANG Shiqin, YAN JiuchunEnergy-controlled mode of ultrasonic plastic welderJHanJie Xu

25、eBao， 1995， 16(2): 118-12311田修波，楊士勤超聲波塑料焊機的氣動加壓系統(tǒng)J焊接， 1996 (10): 16-19TIAN Xiubo, YANG ShiqinPneumatic pressure system of ultrasonic plastic welding machineJWelding， 1996 (10): 16-1912田修波，楊士勤壓力可變的超聲波塑料焊機J電焊機， 1999， 29(12): 14-17TIAN Xiubo, YANG ShiqinPressure-variable ultrasonic plastic welderJWelde

26、r， 1999， 29(12): 14-1713董震， 顧洪濤超聲波塑料焊接過程場學(xué)系統(tǒng)電參數(shù)的檢測J哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 1999， 31(6): 5-8DONG Zhen, GU HongtaoMeasurement of ultrasonic electric signals of acoustic system during ultrasonic plastic weldingJJournal of Harbin Institute of Technology， 1999， 31(6): 5-814侯旭超聲波塑料焊接工藝參數(shù)的研究D哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2001HOU XuProcess

27、parameters study of ultrasonic plastic welding DHarbin Institute of Technology， 200115劉川超聲波塑料焊接機理和工藝試驗研究J大連理工大學(xué)， 2003LIU Chuan Mechanism and process study of ultrasonic plastic welding JDalian University of Technology， 200316韋鶴， 王曉東， 劉沖， 等塑料微流控芯片的超聲波焊接鍵合的仿真J中國機械工程， 2005， 16(z1)WEI He, WANG Xiaodong,

28、 LIU ChongBonding simulation of ultrasonic welding method for plastic microfluidic chipJChina Mechanical Engineering， 2005， 16(z1)17 Truckenmüller 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): 1027-102918Kim J, Jeong B, Chiao M