微流控芯片的键合技术

微流控芯片实验室的成品率普遍较低,其中密封技术是微流控芯片制造过程的关键步骤,也是难点之一。玻璃等硬质材料常通过热键合和阳极键合技术实现密封,而节能省时的低温玻璃键合技术更受科研人员的青睐。此外,胶黏剂键合和表面改性键合以其便捷性和实用性的优势成为玻璃和聚合物芯片键合领域重要的部分。常用的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲基(PMMA)高聚物材料则依据其不同的适用场合而采用不同的键合方式。介绍和分析了微流控芯片领域常用的玻璃、PDMS和PMMA材质键合方式,为微流控芯片制备方法提供了技术指向,对提高微流控芯片制作的成品率产生积极的影响。     

微流控芯片热压键合设备的结构设计

以塑料微流控芯片的热压加工技术为基础,以实现自动化和批量化为目标,对芯片热压键合设备的机械结构进行设计研究,在保证芯片受压均匀的情况下,对设备机身的结构、加压方式等进行了分析,确定设备机身采用闭式双立柱结构,上部加压方式,通过力矩电机、螺旋升降机带动压头完成压力输出,并对压头的运动进行导向。实验表明,在热压芯片时,该设备能够将优化的工艺参数复现,制作的芯片质量稳定,一致性好。     

PDMS微流控芯片中真空氧等离子体键合方法

聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于具有良好的力学性质和光学性质以及生物相容性等特点，是极具前景的μTAS应用材料。由于固化后的PDMS表面具有一定的粘附力，一对成型后的PDMS基片不加任何处理，即可借助分子间的引力自然粘合，但这种粘合强度有限，容易发生漏液。Duffy等人采用高真空氧等离子体对PDMS进行处理，实现了PDMS芯片的永久性键合。但这种键合技术需要昂贵的高真空等离子体发生设备。孟斐等人报道了利用紫外光照射对PDMS芯片表面进行改性后键合的方法。     

Q33微流控芯片制作中的激光技术

利用激光制作微流控芯片的报道近年不断增加。激光制作微流控芯片具有灵活、快速、高效、可控的特点,对激光制作方法的研究具有广阔的发展前景。 本文系统的对微流控芯片制作中的激光类型及应用特点、各种可被激光加工的芯片材料、制作模式及其特点,以及芯征制作的激光工艺参数对芯片质量的影响作出综述：从激光与材料作用的机理出发．针对微流控芯片制作中存在的向题进行了探讨。     

PDMS微流控芯片中真空氧等离子体键合方法

聚二甲基硅氧烷 (PDMS)由于具有良好的力学性质和光学性质以及生物相容性等特点 ,是极具前景的 μTAS应用材料[1] 。由于固化后的PDMS表面具有一定的粘附力 ,一对成型后的PDMS基片不加任何处理 ,即可借助分子间的引力自然粘合 ,但这种粘合强度有限 ,容易发生漏液。Duffy[2 ] 等人采用高真空氧等离子体对PDMS进行处理 ,实现了PDMS芯片的永久性键合。但这种键合技术需要昂贵的高真空等离子体发生设备。孟斐[3] 等人报道了利用紫外光照射对PDMS芯片表面进行改性后键合的方法     

PDMS微流控芯片中真空氧等离子体键合方法

聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于具有良好的力学性质和光学性质以及生物相容性等特点,是极具前景的μTAS应用材料[1].由于固化后的PDMS表面具有一定的粘附力,一对成型后的PDMS基片不加任何处理,即可借助分子间的引力自然粘合,但这种粘合强度有限,容易发生漏液.Duffy[2]等人采用高真空氧等离子体对PDMS进行处理,实现了PDMS芯片的永久性键合.但这种键合技术需要昂贵的高真空等离子体发生设备.孟斐[3]等人报道了利用紫外光照射对PDMS芯片表面进行改性后键合的方法.     

微流控芯片硅阳模的加工

研究了单晶硅阳模的制作工艺。考察了光刻胶前烘和后烘的温度、刻蚀剂浓度、组成及刻蚀温度等因素对单晶硅阳模质量的影响。得出了单晶硅阳模制作的最佳条件，用AZA620光刻胶转移图形及二氧化硅为硅片刻蚀的牺牲层，前烘温度为90℃，后烘温度为120℃，刻蚀温度为60℃；刻蚀液组成为氢氧化钾23．4％，异丙醇14．9％，水61．7％。在该条件下制作的单晶硅阳模表面光亮，通道侧壁较光滑。用热压法可快速地将此阳模上的微通道复制于聚碳酸酯基片上，每片约需时5min。已成功地复制了200多片。     

医用微流控芯片研究进展

随着微电子学和微机电系统技术不断发展,微流控芯片技术不断创新,一些具有颠覆意义的新型医用芯片不断出现,并成为现代医学技术的支撑工具。首先,概述了医用微流控芯片的概念和应用。然后,介绍了6种具有代表性的新型医用微流控芯片的研究进展,包括基因芯片、即时诊断芯片、免疫芯片、可穿戴式芯片、数字化聚合酶链式反应芯片、循环肿瘤细胞芯片、组织与器官仿生芯片。最后,总结了医用微流控芯片的发展趋势。     

低温键合技术

低温键合技术避免了杂质的互扩散、导质材料间的热应力以及孔洞和缺陷的产生，它利用了两个十分贴近的清洁表面具有极大的范畴华力吸附作用，实现了不受晶格失配和热失配的限制的异质材料表面的结合，本文讨论了低温键合技术的理论基础和发展趋势。     

玻璃微流控芯片的低成本制作技术

针对玻璃微流控芯片制作中普遍存在的成本高、加工周期长等问题,提出了一种基于湿法腐蚀技术的低成本、实用化制作方法。该方法以商用显微载玻片作为基底材料,采用普通负性光刻胶RFJ-220为腐蚀掩模,通过优化光刻及湿法腐蚀工艺,可得到深度大于40μm（最深可达110μm）,侧向钻蚀比为1．25：1,表面粗糙度小于5．2nm的微沟道。重点解决了光刻胶与基底之间的粘附性问题,并分析了腐蚀液的配比及腐蚀方式等对沟道形貌的影响。整个制作工艺过程简单,成本低,稳定性好,可广泛应用于玻璃微流控芯片的制作中。     

Ultrasonic bonding for thermoplastic microfluidic devices without energy director

Thermal assisted ultrasonic bonding and solvent assisted ultrasonic bonding for thermoplastic microfluidic devices are proposed in this paper. Both of these two methods are non-molten bonding, energy director is not employed and thus avoided the problem of controlling the molten polymer flow along the microstructure during bonding process. Ultrasonic bonding system and interfacial temperature testing system were established. The critical amplitude for bonding was chosen by interfacial temperature tests to keep the bonding interface below glass transition temperature (T_g) of the polymer. Polymethylmethacrylate (PMMA) microfluidic devices were bonded by both thermal assisted ultrasonic bonding and solvent assisted ultrasonic bonding with the bonding time of 30 s and 20 s, respectively, while the tensile strength of 0.95 MPa and 2.25 MPa, respectively. The bonding area was 27 mm × 51 mm, the maximum dimension loss for the microstructure was 0.66% ± 0.60. A four-layer PMMA microfluidic device was also bonded using thermal assisted ultrasonic bonding, demonstrated the advantage of localized heating character of ultrasonic bonding and did some preliminary work in multilayer polymer MEMS device bonding. This paper provided the potential high throughput bonding methods for mass production of polymer microfluidic devices.     

基于硼酸溶液处理的GaAs/InP低温晶片键合技术

提出了一种基于硼酸溶液的GaAs/InP低温晶片键合技术,实现了GaAs/InP基材料间简单、无毒性的高质量、低温(290℃)晶片键合。GaAs/InP键合晶片解理截面的扫描电子显微镜(SEM)图显示,键合界面整齐,没有裂缝和气泡。通过键合过程,InP上的In0.53Ga0.47As/InP多量子阱结构转移到了GaAs基底上。X射线衍射及荧光谱显示,键合后的多量子阱晶体质量未变。二次离子质谱(SIMS)和Raman光谱图显示,GaAs/InP键合晶片的中间层厚度约为17 nm,界面处B元素有较高的浓度,键合晶片的中间层很薄,因此可以得到较好的电学、光学特性。     

用于三维封装的铜-铜低温键合技术进展

在三维系统封装技术中,金属热压键合是实现多层芯片堆叠和垂直互连的关键技术。为了解决热压键合产生的高温带来的不利影响,工业界和各大科研机构相继开发出了多种低温键合技术。综述了多种不同的低温金属键合技术(主要是Cu-Cu键合),重点阐述了国内外低温金属键合技术的最新研究进展及成果,并对不同低温金属键合技术的优缺点进行了分析和比较。     

Thermosonic bonding of gold wire onto silver bonding layer on the bond pads of chips with copper interconnects

A copper pad oxidizes easily at elevated temperatures during thermosonic wire bonding for chips with copper interconnects. The bondability and bonding strength of a gold wire onto a bare copper pad are seriously degraded by the formation of a copper oxide film. A new bonding approach is proposed to overcome this intrinsic drawback of the copper pad. A silver layer is deposited as a bonding layer on the surface of copper pads. Both the ball-shear force and the wire-pull force of a gold wire bonded onto copper pads with silver bonding layers far exceed the minimum values stated in the JEDEC standard and MIL specifications. The silver bonding layer improves bonding between the gold ball and copper pads. The reliability of gold ball bonds on a bond pad is verified in a high-temperature storage (HTS) test. The bonding strength increases with the storage time and far exceeds that required by the relevant industrial codes. The superior bondability and high strength after the HTS test were interpreted with reference to the results of electron probe x-ray microanalyzer (EPMA) analysis. This use of a silver bonding layer may make the fabrication of copper chips simpler than by other protective schemes.     

Innovative wire bonding method using a chemically reacted thin layer for chips with copper interconnects

This paper presents a novel method in which an oxide film is used to facilitate the thermosonic wire bonding of gold wire onto copper pads. A cuprous oxide film is generated by controlling the pH values of the chemical solution. Compared to cupric oxide films, the cuprous oxide film is denser and more brittle and therefore facilitates the bonding process without the need for the elaborate procedures and equipment required by more conventional wire bonding methods.     

低温阳极键合工艺研究

对低温阳极键合特性进行了研究.通过对硅片进行亲水、疏水和表面未处理3 种不同处理方式研究其对键合的影响,键合前将硅片浸入去离子水（DIW）中不同时间,研究硅表面H基和氧化硅分子数量对键合的影响.结果表明经亲水处理的硅片在水中浸泡1 h 的键合效果最佳.并设计了不同烘烤时间下的阳极键合实验,表明在100 °C 下烘烤30 min 可以有效减少气泡的数量和尺寸.由不同工艺条件下得到的键合形貌可知,通过控制硅片表面微观状态可以达到减小或消除键合气泡的目的.     

圆片级低温富锡金锡键合

Sn-rich Au–Sn solder bonding has been systematically investigated for low cost and low temperature wafer-level packaging of high-end MEMS devices.The AuSn2 phase with the highest Vickers-hardness among the four stable intermetallic compounds of the Au–Sn system makes a major contribution to the high bonding shear strength.The maximum shear strength of 64 MPa and a leak rate lower than 4.9×10-7 atm·cc/s have been obtained for Au46Sn54 solder bonded at 310 ℃.This wafer-level low cost bonding technique with high bonding strength can be applied to MEMS devices requiring low temperature packaging.     

LTCC在微流控系统中的应用

介绍了LTCC腔体和微流道的用途、结构形式以及腔体的制作方法。详细分析了LTCC空腔在层压和共烧时产生变形的原因。介绍了采用碳基牺牲材料以及无牺牲材料形成内埋置通道的方法。最后介绍了LTCC微流控系统在水质检测中的应用。     

石英玻璃低温键合界面的环境适应性试验

石英玻璃的低温键合技术作为一种可靠的固体连接方式,受到了欧美发达国家的广泛重视,并在航天、基础科研、强激光等诸多领域得到了广泛应用。该技术基于氢氧化物催化玻璃表面的水解/脱水过程,通过在键合界面之间形成硅酸盐三维网状结构实现键合,是一种高强度、高精确性、可靠的室温键合方法。对石英玻璃低温键合技术的工作原理和基本工艺过程进行了阐述,并实现了石英玻璃的低温键合。对键合界面进行了多项环境适应性试验,结果表明:相对传统的光胶方法,低温键合技术在键合强度、温度冲击环境及水环境的适应性方面表现出显著优势,在键合均匀性、精确度、透明度、密封性、常规温度及振动环境方面与传统方法表现相当。