用于微反應(yīng)器塑件整平的等溫?zé)釅汗に?/h1>

2016-12-19 02:30:12欒慶蕾杜立群

光學(xué)精密工程訂閱 2016年11期 收藏

關(guān)鍵詞：平度整平塑件

徐 征，欒慶蕾，曹 棟，杜立群，劉 沖

(1.大連理工大學(xué) 微納米技術(shù)及系統(tǒng)遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116085；2.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116085)

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用于微反應(yīng)器塑件整平的等溫?zé)釅汗に?/p>

徐 征1*，欒慶蕾1，曹 棟2，杜立群1，劉 沖2

(1.大連理工大學(xué) 微納米技術(shù)及系統(tǒng)遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116085；2.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116085)

以一種微流控微反應(yīng)器塑件為對(duì)象，提出了用于微塑件整平的等溫?zé)釅汗に?，研究了等溫?zé)釅汗に噷?duì)平板微塑件的整平機(jī)理。建立了描述該工藝的彈塑性數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析了外加壓力和溫度對(duì)塑件表面形貌的影響。綜合考慮塑件整平效果和微結(jié)構(gòu)保形，開展等溫?zé)釅赫焦に噷?shí)驗(yàn)，分析了關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)器件整平精度的影響。研究結(jié)果表明：與壓力載荷相比，熱載荷對(duì)不平度的改善效果更明顯；由于塑件端部區(qū)域受力面積大，其兩端變形量均大于中間反應(yīng)腔的變形量。在相同壓力條件下，70 ℃時(shí)平面度和不平度的變化率均為最高。通過(guò)工藝優(yōu)化，微反應(yīng)器塑件平面度提高到了10 μm內(nèi)，最大變化率可達(dá)72.7%；而不同區(qū)域的不平度變化率為3.50%～53.50%，微結(jié)構(gòu)尺寸變化可控制在5 μm 以下。本文研究成果對(duì)提高平板微塑件平整精度有借鑒作用。

等溫?zé)釅赫?；微注塑成型；微反?yīng)器塑件；平面度

1 引 言

微流控芯片技術(shù)通過(guò)微制造工藝將常規(guī)生化實(shí)驗(yàn)室的操作單元轉(zhuǎn)移到面積在厘米量級(jí)的芯片上，再通過(guò)微流道將這些功能單元互聯(lián)形成微流控芯片，分析全過(guò)程自動(dòng)完成，具有樣品消耗少、功能集成、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。微流控芯片是具有微結(jié)構(gòu)的典型平板器件，而注塑成型具有復(fù)制一致性高、生產(chǎn)速度快、工藝步驟少等優(yōu)點(diǎn)，是批量制造微流控芯片的重要途徑[4-7]。然而，為保證芯片上微細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)制精度，往往需要設(shè)置較高的注塑速度和模具溫度，這會(huì)導(dǎo)致塑件內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力，脫模后在應(yīng)力作用下變形，表現(xiàn)為宏觀翹曲和局部不平整，不僅影響后續(xù)鍵合封裝的質(zhì)量，還易發(fā)生漏液等問(wèn)題[8-10]。

一些學(xué)者針對(duì)注塑成型的薄板塑件變形問(wèn)題開展了研究。Amran[11]等對(duì)尺寸為162 mm×19 mm×3 mm的聚丙烯塑件進(jìn)行了注塑工藝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)型腔溫度對(duì)翹曲變形的影響最大，在模具溫度為70 ℃、熔體溫度為255 ℃的條件下，獲得的最小翹曲量為396 μm。Tang[12]等對(duì)尺寸為120 mm×50 mm×1 mm的塑件進(jìn)行了注塑正交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熔體溫度對(duì)翹曲影響最大，通過(guò)工藝優(yōu)化將翹曲控制在68 μm左右。Shen[13]等研究了工藝參數(shù)對(duì)尺寸為100 mm×75 mm×2.8 mm聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethacrylates，PMMA)導(dǎo)光板平面度的影響，在模具溫度為40 ℃、熔體溫度為240 ℃、保壓壓力為65 MPa的條件下將翹曲量降低到37 μm。上述研究?jī)H對(duì)注塑工藝本身進(jìn)行優(yōu)化，很難將平板塑件的翹曲控制在10 μm 以下。而且這些研究主要針對(duì)塑件宏觀翹曲進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)不平度的改善涉及較少，也未考慮工藝參數(shù)對(duì)微結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響。

微熱壓是另一種基于模塑成型聚合物微制件的常用方法，由于其溫度低、施壓慢，能獲得較高的復(fù)制精度，但成型周期較長(zhǎng)。本文借鑒熱壓法，以一種微流控反應(yīng)器塑件為對(duì)象，研究等溫?zé)釅悍▽?duì)平板微塑件的整平機(jī)理：建立了描述熱壓整平工藝的彈塑性模型，計(jì)算分析了壓力和溫度載荷對(duì)塑件整平效果的影響；最后，綜合考慮塑件整平效果和微結(jié)構(gòu)保形，開展等溫?zé)釅赫焦に噷?shí)驗(yàn)，分析了關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)器件精度的影響。

2 理論分析與數(shù)值模擬

熱壓整平中塑件變形是外力載荷和熱載荷協(xié)同作用的結(jié)果。采用的溫度-壓力控制曲線如圖1(a)所示，包括升溫段(t0～t1)、恒溫-恒壓保持段(t1～t3)和降溫段(t2～t3)。在t0時(shí)刻，由初始溫度T0開始升溫，至t1時(shí)刻達(dá)到溫度T1，此時(shí)對(duì)塑件施加載荷F0；在t2時(shí)刻去除溫度載荷；在t3時(shí)刻去除壓力載荷，并使溫度下降至T0。在降溫段保持壓力，以約束變溫引起的塑性變形。為減小結(jié)構(gòu)變形，將熱壓溫度設(shè)在玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度Tg以下。微塑件受力形變過(guò)程使用彈簧-阻尼的彈塑性模型描述，如圖1(b)所示。圖中E為描述彈性變形的楊氏模量，G為描述塑性變形的正切模量，σK為屈服應(yīng)力。

(a)熱壓整平工藝過(guò)程

(b)彈塑性等效模型

以von Mises準(zhǔn)則為屈服變形判據(jù)：

(1)

描述微塑件內(nèi)部熱傳導(dǎo)的方程為：

(2)

式中：ρ為塑件密度，c為比熱容，K為熱傳導(dǎo)系數(shù)。

聚合物材料松弛因子為[14-15]：

(3)

模量與溫度關(guān)系為：

ET(t)=ET0(t/A(T))，

(4)

式中：系數(shù)C1和C2分別取為17.4和51.6；Tg為玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度，取105 ℃；T為實(shí)際溫度；A(T) 為松弛因子；T0為25 ℃；ET0為25 ℃時(shí)的模量。

依據(jù)式(1)～(4)，使用ANSYS模擬微塑件(20 mm×10 mm×1 mm，L×W×H)熱壓整平過(guò)程，塑件由入液端與出液端(均為5 mm×0.33 mm×0.33 mm，L×W×D)、反應(yīng)腔(10 mm×4 mm×0.33 mm，L×W×D)組成(圖2)，黃線表示微結(jié)構(gòu)輪廓(彩圖見(jiàn)期刊電子版)。

計(jì)算假設(shè)如下：(1)微塑件與上下壓頭間無(wú)滑移；(2)熱壓系統(tǒng)的邊界絕熱；(3)忽略金屬壓頭的變形。溫度T1設(shè)為60，70和80 ℃，壓力F0設(shè)為98.07，196.14和294.21 N，考察溫度和壓力的影響。塑件材料為PMMA，參數(shù)[16]如表1所示。

圖2 微塑件幾何模型與網(wǎng)格劃分

密度/(kg·m-3)比熱/(J·g-1·℃-1)熱傳導(dǎo)系數(shù)/(w·m-1·℃-1)熱膨脹系數(shù)/℃-111901．50．26×10-5泊松比楊氏模量/GPa正切模量/MPa屈服應(yīng)力/MPa0．43．00137．5110

以微塑件上取樣線的形變量(Z方向上波峰Zp與波谷Zv的差值)與取樣長(zhǎng)度lr的比值為不平度W，衡量塑件表面的局部微觀起伏，即有：

(5)

2.1 計(jì)算結(jié)果與分析

由圖3可知，在相同的壓力條件下，W隨溫度的升高而增大；而在相同的溫度條件下，W隨壓力的升高而下降。入液端微結(jié)構(gòu)中心與上表面在98.07 N、80 ℃時(shí)獲得的最大不平度(Wmax)為1.29×10-2和2.68×10-3，在294.21 N、60℃時(shí)最小不平度(Wmin)分別為8.02×10-3和1.54×10-3，分別如圖3(a)與3(c)所示。反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)中心與上表面在98.07 N、80 ℃時(shí)獲得的Wmax分別為3.95×10-3和1.66×10-3，在294.21 N、60 ℃ 時(shí)獲得的Wmin分別為2.40×10-3和9.71×10-4，分別如圖3(b)與3(d)所示。兩區(qū)域變形規(guī)律一致。但由于入液和出液端受力面積大，其變形量大于反應(yīng)腔變形量。

(a)入液端微結(jié)構(gòu)中心取樣

(b)反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)中心取樣

(c) 入液端表面取樣

(d)反應(yīng)腔表面取樣

3 微塑件熱壓整平工藝實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

微塑件制造與測(cè)試流程如圖4所示，制造包括注塑成型和熱壓整平，測(cè)試分為表面形貌測(cè)量與微結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量。所用微型注塑機(jī)為Babyplast6/10p(西班牙，2010)，工藝參數(shù)為熔體溫度為220 ℃、模具溫度為85 ℃、注射壓力為4.9×105N、保壓壓力12.7×104N、保壓時(shí)間5 s。熱壓實(shí)驗(yàn)在研制的RYJ-2熱壓機(jī)(2006)上完成，壓力為98.07，196.14和294.21 N，溫度為60，70，80 ℃，保溫100 s。平面度用平面度測(cè)量?jī)x(FlatMaster 200，美國(guó))測(cè)量，取樣面積為20 mm×10 mm；不平度用表面輪廓儀(ZYGO Crop 5022s，美國(guó))測(cè)量，取樣面積為0.88 mm×0.66 mm；微結(jié)構(gòu)用工具顯微鏡(STM6-F10-3，日本)測(cè)量。

圖4 微反應(yīng)器塑件的制造與測(cè)試流程

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為表征熱壓整平實(shí)驗(yàn)對(duì)塑件表面形貌的改善效果，在實(shí)驗(yàn)分析中以變化率R作為衡量微塑件平面度(P)、不平度(W)、微結(jié)構(gòu)尺寸(寬度×深度，L×D)的變形指標(biāo)，即：

(6)

式中：R為變化率，N1為熱壓整平前的測(cè)量值，N2為熱壓整平后對(duì)應(yīng)的測(cè)量值。

(7)

(8)

式中：RT為溫度T時(shí)的R值，RF為壓力F時(shí)的R值。

表2 熱壓整平前、后平面度的變化

(a)入液端

(b)反應(yīng)腔

表3 熱壓整平前、后入液端微結(jié)構(gòu)尺寸變化

進(jìn)一步考察熱壓整平對(duì)入液端微結(jié)構(gòu)的損傷，結(jié)果如表3所示。由表可知：在不同條件下，微結(jié)構(gòu)尺寸有不同程度的變形，均在2%以內(nèi)(<5 μm)。在196.14 N、70 ℃時(shí)，RD與RL分別為0.64%與0.55%，具有較好的精度保持與尺寸穩(wěn)定性。綜合比較RP，RW，RD，RL等，認(rèn)為在196.14 N、70 ℃條件下微塑件具有最優(yōu)的表面形貌，P為7.297 μm，RP為72.7%，入液端與反應(yīng)腔RW分別為40.1%與9.69%，RD與RL分別為0.64%與0.55%。

4 結(jié) 論

本文建立了適合于描述熱壓整平工藝的彈塑性力學(xué)模型，研究了等溫?zé)釅赫焦に噮?shù)對(duì)微反應(yīng)器塑件平面度、不平度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：熱壓壓力和溫度的變化均會(huì)促進(jìn)塑件的微觀變形，由于入液和出液端受力面積大，因此兩端變形量大于反應(yīng)腔的變形量。在98.07 N、70 ℃時(shí)入液端不平度改善效果最明顯(53.5%)。由于溫升會(huì)導(dǎo)致楊氏模量改變，對(duì)變形有促進(jìn)作用，因此變形隨溫度的變化率大于隨壓力的變化率，熱壓溫度對(duì)平面度、不平度的改善效果更明顯。相同壓力條件下，70 ℃時(shí)平面度與不平度的變化率最大；熱壓整平前、后微結(jié)構(gòu)的尺寸變化可控制在2%內(nèi)(<5 μm)。在194.14 N、70 ℃的條件下，微塑件平面度、不平度的改善效果最明顯，平面度改善了72.7%，入液端與反應(yīng)腔的不平度分別改善了40.1%與9.69%，對(duì)微結(jié)構(gòu)尺寸影響也較小。

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欒慶蕾(1991-)，男，山東萊蕪人，碩士研究生，2013年于山東建筑大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事聚合物微納成型工藝方面的研究。E-mail：luanqinglei1990@126.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：

徐 征(1973-)，男，河南鄭州人，博士，副研究員，1997年、2000年于吉林工業(yè)大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，2004年于大連理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事微納集成制造的研究。E-mail：xuzheng@dlut.edu.cn

(版權(quán)所有 未經(jīng)許可 不得轉(zhuǎn)載)

Isothermally hot-embossing methodology for flattening of plastic microreactor

XU Zheng1*， LUAN Qing-lei1， CAO Dong2， DU Li-qun1， LIU Chong2

(1.Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province，DalianUniversityofTechnology，Dalian116085，China；2.KeyLaboratoryforPrecisionandNon-traditionalMachiningTechnologyoftheMinistryofEducation，DalianUniversityofTechnology，Dalian116085，China)

An isothermally hot-embossing methodology was proposed for the flattening of plastic microreactors. The flattening principles of a plane plastic microreactor by the isothermally hot-embossing methodology were researched and an elastic-plastic model was established to describe the deformation process. The influences of temperature and pressure on the topography of plastic microparts were quantitatively analyzed. By considering the flattening effect and microstructure of the plastic microreactor， the effect of main technological parameters on the flattening accuracy was analyzed by the isothermally hot-embossing methodology. The result indicates that the influence of thermal load on flattening degree is more obvious than that of the external pressure. The deformations at the ends of microreactor are much larger than that of the middle chamber owing to the larger contact area at the ends. The changing rates of flatness and waviness come to the maximum value when the temperature is 70 ℃ at the same pressure. After optimization， the changing rate of flatness achieves to 72.7% and the flatness of the microreactor is improved within 10 μm by the hot embossing technology. Moreover， the changing rate of waviness ranges from 3.50% to 53.5% at different regions of plastic microparts and the deformation of the microstructure size is controlled within 5 μm. The study is beneficial to improrement of the precision of flat plastic microparts.

isothermally hot-embossing； micro injection molding； plastic microreactor； flatness

2016-02-29；

2016-05-19.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.91023046，No.51475080)；遼寧省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(No.LZ2014005)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(No.DUT14LAB07，No.DUT14QY20)

1004-924X(2016)11-2705-07

TQ320.6；TN405

A

10.3788/OPE.20162411.2705

*Correspondingauthor，E-mail：xuzheng@dlut.edu.cn

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