高粘液體的微轉(zhuǎn)印研究進展

徐征,錢艷文,秦少春,王曉東

(大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 大連116085)

0 引言

將多個異質(zhì)異構(gòu)微小零件結(jié)合,形成組件或系統(tǒng)的工藝稱為微連接,是微裝配中不可或缺的環(huán)節(jié),常用的微連接方法包括微焊接、微膠連、熱鍵合、靜電鍵合等。微膠連是通過微量膠液的內(nèi)聚力、膠液與固體表面之間的粘附力將微零件精確連接的裝配工藝,與其他方法相比,具有無需高溫高壓處理、實施簡單、適用面廣、內(nèi)應(yīng)力小等優(yōu)勢,在陀螺儀、加速度計、壓電執(zhí)行器等高性能系統(tǒng)核心組件裝配中應(yīng)用廣泛[1-3]。膠連強度通常與膠液粘度成正比,為保證足夠的連接強度,常采用粘度超過1 Pa·s的高粘液態(tài)膠。以某撓性擺加速度計的核心“擺組件”為例(如圖1所示),擺組件由擺片、支撐塊、線圈組成,通過粘度約10 Pa·s粘膠相連,要求最小膠點直徑約20 μm,對應(yīng)膠液體積約20 pL。對高粘度微膠連而言,轉(zhuǎn)印到連接處膠點的體積和形狀是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。

在膠量控制方面,膠連點處過量膠液會導(dǎo)致連接點蠕變、鄰近電極等敏感部位污染等問題;而膠量不足則會導(dǎo)致連接強度和連接可靠性下降,影響系統(tǒng)性能和使用壽命。而在許多實際生產(chǎn)中,仍依賴熟練工人在顯微鏡下手工蘸取-涂覆進行高粘膠連接,嚴重影響產(chǎn)品一致性和成品率,亟待發(fā)展高粘液體微量分配方法。除膠連裝配外,高粘液體微量分配在微電子和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛需求。

1 高粘液體微量分配工作原理

將微小膠量精確轉(zhuǎn)移到待連接目標表面,其本質(zhì)是高粘流體操縱的微流體力學(xué)問題,從其工作原理上分為注射式分配和轉(zhuǎn)印式分配兩類。

微注射是目前工業(yè)界主要的微量液體分配方式,它是以高壓氣體等迫使針筒內(nèi)液體經(jīng)微針流出,通過控制驅(qū)動力和驅(qū)動時間等來分配液量。但是,高粘流體和微細的針管決定了其粘性流阻非常高,容易出現(xiàn)流動不暢、甚至堵塞等問題,嚴重影響可靠性。目前,商品化的微量注射機只限中低粘度的液體使用,對10 pL級液體分配,許可粘度降至幾十mPa·s。而對高粘液體,需通過升溫降低粘度后,才能實施皮升級注射分配。然而,加熱常會使膠連點的連接強度漂移或下降,無法在精密微膠連場合應(yīng)用。

一些研究者通過引入其他驅(qū)動方式提升擠出力,以期克服高粘性流阻的制約,獲得離散液滴。例如:Foresti等人提出聲波微噴射法[4],在注射針前沿增加聲波發(fā)生器,利用聲波力增強剪切生成液滴,能獲得粘度高達1011mPa·s的液滴。但受限于聲波振幅,當粘度達到100 mPa·s時,最小液滴體積僅能控制在約30 nL。劉建芳、Kusaka、張勤等人分別建立用于高粘膠液轉(zhuǎn)移的往復(fù)針注射模式[5-7],利用針筒內(nèi)活塞的往復(fù)運動實現(xiàn)液體加載和擠出,但膠點等效直徑會略大于或接近活塞直徑(100~500 μm)?？梢?通過輔助力模式能實現(xiàn)高粘液體的注射分配,但受管內(nèi)高粘性阻力的制約,其最小分配的液滴體積尚不能滿足實際需求。

另一種可用于分配微量液體的方法是轉(zhuǎn)印法,它是將轉(zhuǎn)印頭表面上的液滴采用壓力接觸的方式轉(zhuǎn)移到承印基板上的方法,根據(jù)轉(zhuǎn)印頭是納米針尖或其他形狀,可分為浸蘸筆納米光刻術(shù)[8-10](Dip Pen Nanolithography,DPN)和微接觸印刷術(shù)[11]兩類。如圖1所示,二者的基本工作原理較為相似,均由液滴加載和液滴轉(zhuǎn)移步驟組成:將轉(zhuǎn)印頭浸蘸在儲液池中加載液體,再通過一定的壓力將轉(zhuǎn)印頭上的液體轉(zhuǎn)移到基板上。主要區(qū)別是DPN所用的轉(zhuǎn)印頭為納米級針尖,而微接觸印刷術(shù)所用的轉(zhuǎn)印頭是具有微納結(jié)構(gòu)的印章。

圖1 轉(zhuǎn)印法分配微量液體的原理示意圖Fig.1 Principle of liquid transfer-printing dispensing

轉(zhuǎn)印法分配液體主要依賴轉(zhuǎn)印頭-液體-基板表面之間的粘附作用和轉(zhuǎn)印壓力,消除了管內(nèi)流阻制約,也就不需要高驅(qū)動力,這對高粘液體的微量分配是非常有益的。本文將從高粘液體轉(zhuǎn)印的理論模型與仿真方法、液體加載、液體轉(zhuǎn)移等方面進行綜述。

2 理論模型與仿真方法

高粘液體的轉(zhuǎn)印過程本質(zhì)上是存在自由表面微尺度流動現(xiàn)象,加載過程是流體拖曳轉(zhuǎn)印頭表面的過程,而轉(zhuǎn)移則是通過液橋斷裂方式將轉(zhuǎn)印頭上液滴留在基板的過程,二者均可以結(jié)合流體動力學(xué)方程和其他方程來描述。在低粘度液體加載過程中,表面張力引起的拖曳作用主導(dǎo)流動過程,而在接觸角一定的情況下,表面張力方向則受轉(zhuǎn)印頭表面曲率的控制。對低粘度液體斷裂過程則可以借鑒瑞利不穩(wěn)定判據(jù)分析。目前關(guān)于轉(zhuǎn)印的理論研究集中在低粘度溶液的輸運和溶液中低濃度溶質(zhì)輸運方面,鮮見高粘液體轉(zhuǎn)印的報道。

對高粘液體而言,不僅需要考慮表面張力誘導(dǎo)的壓力梯度作用,還要考慮粘性的作用,這使得轉(zhuǎn)印過程分析較為復(fù)雜,難以直接獲得解析解,需要利用有限元等方法獲得數(shù)值解。此外,高粘性還常伴隨各種非牛頓、各向異性、粘彈性等效應(yīng)。涉及的主要理論包括流體動力學(xué)、動態(tài)界面跟蹤、非牛頓流體等。對特定的轉(zhuǎn)印方法,還會涉及聲、光、電、熱耦合理論。

基本流體動力學(xué)方程由連續(xù)性方程和動量方程兩部分組成。

式中:ρ,μ和為代表包括空氣和膠液在內(nèi)的密度、粘度和流速矢量;Δ為哈密頓算子;p為壓力;為重力加速度;為表面張力。

密度ρ、粘度μ和流速矢量可以分別表示為

式中:ρ1和ρ2分別為液體和空氣的密度;μ1和μ2分別為膠液的粘度和空氣粘度;分別代表液體和空氣流動速度;α1為液體質(zhì)量分數(shù)。式中:Ω1和Ω2分別為計算域Ω內(nèi)膠液和空氣所占區(qū)域;ψ為膠液和空氣的自由界面,并且Ω1∪ψ∪Ω2=Ω。

為確定氣-液界面,需要附加界面?zhèn)鬏敺匠虨?/p>

界面/表面張力的建模,可采用Brackbill等人提出的模型[12],并加入到流體動量方程中。

式中:γLG為表面張力系數(shù);κ為界面曲率,它決定了表面張力的方向。

高粘液橋的臨界拉伸斷裂可描述為[13]

式中:rmin為液橋拉伸的最小半徑;R為針頭半徑;τ為無量綱時間,τ=(tb-t/tc),tb為液橋拉斷的時間,tc≡為表面張力,ρ為流體密度;Re為雷諾數(shù),Oh為奧內(nèi)佐格數(shù),用于度量粘性力和表面張力及慣性力的相互關(guān)系;β≈0.175。

3 微量液體加載

轉(zhuǎn)印頭上加載的液體量對最終轉(zhuǎn)印的分配量有重要影響。O′Connell等人研究了粘度小于等于25000 mPa·s的液體皮升級轉(zhuǎn)印的動力學(xué)問題[12,13],發(fā)現(xiàn)高粘液體的轉(zhuǎn)移量隨轉(zhuǎn)印次數(shù)的增加,整體呈指數(shù)衰減趨勢(500次),而在短周期(小于10次)則表現(xiàn)為波動變化,并且粘度越高,液體轉(zhuǎn)印量衰減率和波動幅度亦較高。作者認為針尖上裝載的液體初始體積的不確定性是影響轉(zhuǎn)印重復(fù)性的主要原因,而液體高粘度對流動的影響有放大效應(yīng)。Mirkin等人分析了轉(zhuǎn)印中粘性對流動的影響[14],認為粘性流阻不僅會削弱液體對流速度,還會引起針尖處液體表面的曲率和表面張力重新分布。

目前的轉(zhuǎn)印法以將轉(zhuǎn)印頭浸蘸在儲液池中為加載途徑。由于高粘膠類液體中普遍共存極性成分和非極性成分,使得液體內(nèi)部分子間的極性-非極性斥力相互抵消,導(dǎo)致其表面張力較小,且與大多數(shù)固體表面都是親和的。這使得浸蘸到儲液池的轉(zhuǎn)印頭表面會完全包上一層膠液,加載量和浸潤區(qū)域與轉(zhuǎn)印頭的幾何尺寸是一致的,這也是要用納米針尖才能實現(xiàn)皮升到飛升級高粘液體轉(zhuǎn)移,而常規(guī)的接觸印刷只能實現(xiàn)納升級高粘液體轉(zhuǎn)移的根本原因。

通過化學(xué)或電控等手段調(diào)節(jié)接觸角,形成局部超疏液區(qū)域,可以操縱液滴的移動、融合、分裂等。臺灣大學(xué)梁宇恩等人通過調(diào)整圓錐體(轉(zhuǎn)印頭)的結(jié)構(gòu)來改變液滴在轉(zhuǎn)印頭上的接觸角[15],發(fā)現(xiàn)液滴在圓錐體上的接觸角θc小于其在基板上的接觸角θp時,分配到基板上的液體體積幾乎為0;而當θc＞θp時,轉(zhuǎn)印頭上的液體幾乎全部分配到了基板上?？梢?若基板為超疏膠材料,膠液與基板間的接觸角很大時,會有利于提高膠液分配分辨力,然而由于膠液本身是用于連接的介質(zhì),往往同時包含了極性和非極性成分,常規(guī)的超疏液材料主要是針對極性或非極性其中之一,難以用于膠液控制,近年來江雷院士課題組發(fā)展的超疏液的二元協(xié)同納米界面材料表現(xiàn)出雙疏的優(yōu)異性能,為實現(xiàn)超疏膠提供了可行的思路[16-17]。

Farmakidis等人提出基于微力反饋控制加載液量的方法[20],如圖2(a)所示,通過監(jiān)測轉(zhuǎn)印頭浸蘸過程所受的粘性阻力,間接判斷和調(diào)整浸蘸深度,實現(xiàn)最小0.3 pL的加載量。

Wang等人提出基于微結(jié)構(gòu)位阻的液量加載控制方法[19],在轉(zhuǎn)印頭上布置有凸起結(jié)構(gòu),形成阻礙液體自由流動的位阻,延緩液滴浸潤,能夠?qū)⒓虞d液滴的面積約束在幾十平方微米內(nèi)。

Mecozzi等人提出電紡絲和微接觸印刷法相結(jié)合的高粘液體分配方式[20],如圖2(b)所示。先以電紡絲將聚合物圖案沉積在基板上,然后通過熱誘導(dǎo)使紡絲斷裂為微液滴,再以基板為轉(zhuǎn)印頭,將其上的微液滴轉(zhuǎn)移到器件上,獲得最小液滴體積約40 pL。其巧妙之處是以電紡絲成形和熱裂解取代了常規(guī)的浸蘸加載,從而解決了浸潤區(qū)域控制問題。但該方法只適用于允許加熱、且有明顯熱縮效應(yīng)的樣品,這導(dǎo)致液體轉(zhuǎn)移的工藝過程變得更復(fù)雜。

本課題組提出靜電加載液滴的方法,如圖2(c)所示。利用靜電誘導(dǎo)極化力拖曳作用在液膜-轉(zhuǎn)印頭間形成錐狀液橋,隨后液橋尖端與轉(zhuǎn)印頭表面相接觸,以接觸電流突變信號為觸發(fā),控制轉(zhuǎn)印頭向上運動拉斷液橋,實現(xiàn)液體可控加載。其突出優(yōu)點是:靜電誘導(dǎo)形成的液橋呈錐形,而不是對稱液橋,調(diào)整錐尖直徑就可以控制加載量,而通過控制最大許可電流等參數(shù)能較容易地約束錐尖直徑。這樣,不需要微納米尺度的轉(zhuǎn)印頭就實現(xiàn)nL至pL級寬范圍高粘液滴加載。此外,該方法還具有無污染、低成本、高重復(fù)精度特點。

圖2 用于轉(zhuǎn)印的高粘液體加載方法Fig.2 Loading approaches of highly viscous liquid for transfer-printing

4 微量液體轉(zhuǎn)移

最終的膠液轉(zhuǎn)移主要是靠機械運動拉斷轉(zhuǎn)印頭和待連接零件表面間的液橋?qū)崿F(xiàn)的,實施拉斷前的轉(zhuǎn)印頭-膠液-零件表面的三相接觸狀態(tài)對最終的轉(zhuǎn)移量有至關(guān)重要的作用。除初始加載液滴體積外,接觸狀態(tài)主要受到轉(zhuǎn)印頭和基板表面的間距、液滴與上下表面的接觸面積、溫度等影響。

轉(zhuǎn)印過程中,具有粘性液體的微尖陣列接觸并下壓基板時,增加基板溫度會降低液體的粘度,增加流動性,進而提高轉(zhuǎn)印液滴的比例。例如,Jang等人提出利用基板溫度控制轉(zhuǎn)印液滴尺寸變化的微轉(zhuǎn)印方法[10],轉(zhuǎn)印壓力一定時,將基板溫度由25℃升至37℃,聚乙二醇液體的流動能力增強,轉(zhuǎn)印的單個液滴直徑由1.7 μm擴大至6.2 μm。但是,改變溫度容易誘發(fā)其他效應(yīng),例如改變膠液溫度容易使精密微膠連力學(xué)性能退化,并引發(fā)熱應(yīng)力,所以升溫控制很少在高粘微膠連中使用。

Zhang等人研究了兩圓柱棒之間的液橋拉斷問題[21],發(fā)現(xiàn)液體轉(zhuǎn)移率隨液橋與下圓柱棒間的接觸面積增加(314~2826 mm2)而上升(70%~90%)。Chen等人實驗研究了兩平板間的微升級液橋拉斷問題[22],發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移到基板平面的液量將隨著兩平板初始間距(約0.45 mm)的減小而增加,這是由于間距變化引起液橋形態(tài)改變,進而改變了流體動量分配比例。

本課題組在對環(huán)氧樹脂高粘膠液接觸式轉(zhuǎn)移的研究中發(fā)現(xiàn):當轉(zhuǎn)印頭和基板表面的間距在45~145 μm范圍內(nèi),根據(jù)對轉(zhuǎn)移率的主導(dǎo)影響因素不同,可分為流阻控制段、流阻-表面張力混合控制段、表面張力控制段,主導(dǎo)因素的更迭使轉(zhuǎn)移液量隨間距增加呈“先升后降”的非線性趨勢[23]。

Cai等人研究兩平板間和球形頭與平板間的液橋拉斷問題[24],發(fā)現(xiàn)隨液橋初始高度的減小,液橋與平板間的接觸面積增加,由彎液面力與粘性力組成的粘附力快速升高,將導(dǎo)致最終轉(zhuǎn)移體積的增加。

可見,對液體轉(zhuǎn)移而言,在拉斷液橋前對轉(zhuǎn)印頭-承液基板的間距和三相接觸面積等進行監(jiān)測,進而對液橋拉斷前的接觸狀態(tài)進行調(diào)控,才能精確控制最終轉(zhuǎn)移液體的體積。但是,當液橋體積減小到nL至pL量級時,轉(zhuǎn)印頭-承液基板的間距將縮小至約10 μm范疇,需要采用高倍顯微放大才能滿足測量要求,但受轉(zhuǎn)印頭和基板的結(jié)構(gòu)尺寸、顯微鏡短景深等制約,高倍顯微鏡的布置非常不便,影響轉(zhuǎn)印法在高粘液體微量分配中的應(yīng)用,需要建立顯微視覺以外的傳感途徑控制接觸狀態(tài),其中微力傳感因其便于實施、規(guī)律直觀、對現(xiàn)場干擾小而受到廣泛關(guān)注。

Hong,Kim,Liao等人分別在不同尺度和拓撲結(jié)構(gòu)的彈性印章微轉(zhuǎn)印研究中發(fā)現(xiàn)[25-27]:通過改變印章對基板的轉(zhuǎn)印壓力,可對油墨圖案的尺寸進行調(diào)控。隨著轉(zhuǎn)印壓力的持續(xù)減小,可以獲得亞微米級的油墨陣列。為進一步探明高粘液體轉(zhuǎn)印中轉(zhuǎn)印壓力的作用規(guī)律,本課題組基于兩平行平板間粘性流體的擠壓流動,建立了高粘膠滴受壓變形的動力學(xué)模型,得到了轉(zhuǎn)印頭與基板之間壓膜流阻力的理論計算公式,并結(jié)合實驗對微量高粘膠滴的分配機理進行研究,發(fā)現(xiàn)隨著臨界壓膜流阻從1 mN增加至5 mN,轉(zhuǎn)印膠滴與基板的接觸面積近似線性地增加,這使得粘附作用逐漸增強,導(dǎo)致轉(zhuǎn)印膠滴體積和轉(zhuǎn)移率均隨臨界壓膜流阻力的增加而近似線性增加[28],利用這一規(guī)律可實現(xiàn)10 pL級高粘膠滴分配。

除轉(zhuǎn)印壓力外,轉(zhuǎn)印頭的拉伸速度也是影響轉(zhuǎn)印液滴尺寸的因素。Khandavalli等人研究了凹孔式轉(zhuǎn)印頭的拉伸速度對粘彈性油墨轉(zhuǎn)印過程的影響[29]。當轉(zhuǎn)印頭處于較低的拉伸速度(小于0.5 mm/s)下,剪切速率對油墨的分配起主導(dǎo)作用,此時轉(zhuǎn)印的油墨量小于轉(zhuǎn)印頭上加載油墨量的20%。隨著拉伸速度增至0.5 mm/s,轉(zhuǎn)印油墨量略有增加。但拉伸速度超過10 mm/s,則拉伸速度對油墨的分配能力影響凸顯,其轉(zhuǎn)印油墨量約為轉(zhuǎn)印頭上加載量的70%。

5 結(jié)論

綜上可知,將轉(zhuǎn)印方法用于高粘液體微量分配工藝簡潔、技術(shù)優(yōu)勢明顯、應(yīng)用前景廣闊,通過綜合調(diào)控微力和外加電場等可以有效控制加載膠液體積和最終轉(zhuǎn)印量。筆者認為將其在微制造等工業(yè)領(lǐng)域進一步推廣應(yīng)用,應(yīng)重點研究:

1)高密度陣列式轉(zhuǎn)印問題。高效率是現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用的前提之一。但受物理機制制約,加載和轉(zhuǎn)移的周期較難實現(xiàn)跨尺度壓縮,在微尺度實現(xiàn)陣列化轉(zhuǎn)印就成為必然的選擇。雖然目前的加工水平足以勝任微米級高密度陣列轉(zhuǎn)印頭的制造要求。然而,隨著集成度的增加,各區(qū)域的粘性力、低表面力以及其他外力的耦合作用凸顯,會影響液滴轉(zhuǎn)移的精度。

2)轉(zhuǎn)印液滴的幾何特征控制問題。對高性能微小傳感器膠連而言,敏感部位液滴的尺寸和形狀特征對系統(tǒng)性能有重要影響。目前尚缺少對高粘液滴控制的研究,受低表面張力和高粘性的制約,一般化學(xué)/物理的定域表面改性方法并不太奏效。此外,與油墨基印刷術(shù)有所不同的是,其最終產(chǎn)物是具有相應(yīng)微米級厚度的膠點,目前尚缺少保證轉(zhuǎn)印圖案厚度的技術(shù)方案。