微流控芯片技术与建模分析的键合技术

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，微流控芯片的键合方法大致可分为直接键合、间接键合两类。

在微结构加工方面，纸基微流控芯片可以采用开放式流道，但其他类型的微流控芯片都需要在微结构加工完成后，在流道等结构上方覆盖一层材料(盖片)来完成流道的封闭，即微流控芯片的键合。盖片材料与基底材料可以是同类、同厚度材料，特殊用途时也可对不同类型、不同厚度的材料进行键合。目前，微流控芯片的键合方法大致可分为直接键合、间接键合两类。直接键合是指直接对基片和盖片进行键合，不需要借助其他介质，主要有热键合、表面改性键合和超声波键合；间接键合是指利用辅助黏结剂对微流控芯片基片和盖片进行黏结，从而形成封闭微通道，主要有胶黏结键合和溶剂键合。键合的成功与否，将直接影响微流控芯片的质量，因此键合是微流控芯片制作过程中的一个重要环节。

2.2.3.1　高温键合

硅材质芯片经高温处理可以直接键合，不需要任何黏结剂和外加电场。其工艺简单，主要流程包括：

(1)将玻璃、石英或单晶硅片(氧化或未氧化均可)在V浓H 2SO4∶V H 2O2为3∶1的溶液中清洗10～20 min，然后用大量去离子水冲洗。进一步用硫酸双氧水、稀硝酸、氨水等溶液浸泡，等离子体、紫外线、氧或者臭氧处理产生亲水性表面。

(2)在室温下将两块硅片的抛光面贴合在一起。

(3)贴合好的硅片在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理，就可形成良好的键合。

键合良好的芯片，其键合强度可在12 MPa以上。这需要良好的键合条件：首先，温度在键合过程中起着关键的作用；其次，硅片表面的平整度和表面的清洁度都会影响键合强度。

2.2.3.2　阳极键合

阳极键合技术在MEMS器件封装中占据重要地位，它可以将硅片与金属、合金或半导体键合在一起而不用任何黏结剂，又称静电键合或场助键合。这种技术的键合温度低、键合界面牢固、长期稳定性好，因此在玻璃、石英与硅片微流控芯片的封接中也得到了应用。在玻璃芯片键合过程中施加电场，使键合温度低于软化点温度，键合从两块玻璃中那些最接近的点开始，下板中可移动的正电荷(主要是Na+)与上板的负电荷中和，生成一层氧化物(正是这一过渡层使两块玻璃封接)，该点完成键合后，周围的空气间隙相应变薄，电场力增大，从而键合扩散开，直至整块密合。影响静电键合的因素有很多：两种静电键合材料的热膨胀系数要近似匹配，否则在键合完成冷却过程中会因内部应力较大而破碎；阳极的形状会影响键合效果。(www.chuimin.cn)

为了提高键合可靠性，在进行阳极键合程序之前，研究人员会采用一些方法对硅片(或玻璃片)进行预处理，以提高键合界面的光洁平整度，尽可能减小表面污染物对键合的影响，同时能够使键合界面之间形成最大静电吸引力。除此之外，对键合表面进行一定的活化处理，可以提高表面张力并获得较高的表面能，从而可以得到更好的键合效果和质量。阳极键合在表面亲水化处理流程中，常采用干法表面活化和湿化学法表面活化两类流程。干法表面活化方法主要包括等离子活化和氩气溅射氧化法；湿化学法表面活化主要是利用一些特定的化学试剂对晶片表面进行预处理，以提高晶片表面活性。常用于湿化学法表面活化的化学试剂有H 2 O2、HF、H 2 SO4、HNO3等[25]。

2.2.3.3　表面改性键合

表面改性键合是指先通过辐射处理、等离子体表面处理等方法对芯片表面的某些特性进行改善，再对芯片进行后续键合的一种键合方法。表面改性键合能有效降低键合温度、提高键合质量，可用于各种材料的微流控芯片键合，但是适用于这种方法的聚合物种类较少。

超声波键合方法是指将超声的能量集中到要进行键合的区域，通过超声致热的作用使芯片材料发生熔融，从而实现基片和盖片间的键合。

2.2.3.4　溶剂或黏性键合

溶剂键合是一种室温键合聚合物芯片的技术，它先通过一种特殊的溶剂将需要连接的芯片表面表层轻微溶解，在将芯片贴合后施加压力，使得溶解后的游离分子重新相互作用，从而实现芯片的永久性封合。溶剂键合操作简单、快速，可在室温下实现芯片键合，而且键合之后微通道变形小，适于小批量生产和试验研究。但是，溶剂键合对于芯片表面的清洁度、平整度要求较高，而且选择适合的溶剂也非常重要，所选溶剂对芯片溶解性过大则容易造成通道堵塞或消失，过小则不易实现完整键合。

黏性键合是指在芯片基底材料上添加一层黏性材料，再覆盖盖片进行键合。这里的黏性材料通常是具有紫外固化性质的材料(如SU-8、干膜等)，需要经过紫外曝光来实现基底和盖片材料的键合。此外，非紫外固化材料(如蜡)也可以用来进行简易的芯片键合。胶黏结键合工艺简单、成本低，在室温下就能完成微流控芯片的键合，而且胶黏结键合几乎适用于所有材质的微流控芯片的键合。但是，胶黏结键合密封不够完全，胶黏剂的使用容易堵塞微通道。黏性材料或溶剂键合的缺点还在于键合可能会在微流道内有残留，与流道内液体接触后会溶解到实验溶液中，可能影响实验结果[26]。

微流控芯片技术与建模分析的键合技术

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