超聲波鍵合壓力自適應平衡裝置設計與實驗研究

周利杰 郝瑞林 蔡國慶 劉 輝 宿世界

1.河北水利電力學院機械工程系,滄州,0610012.河北水利電力學院河北省工業機械手控制與可靠性技術創新中心,滄州,0610013.大連理工大學遼寧省微納米及系統重點實驗室,大連,116024

0 引言

即時檢測(point-of-care testing, POCT)指在患者旁邊或者床旁進行的臨床醫學檢驗,可在現場利用便攜式分析儀器、檢驗裝置和試劑快速得到檢驗結果[1],具有操作簡單、等待時間短、標本用量少、儀器小型化的優點[2]。即時檢測芯片是即時檢測技術的應用載體,已經應用于醫療保健[3]、標志物檢測[4]、精準農業[5]、食品安全[6]、軍事醫療[7]等領域。超聲波鍵合是利用匯聚的短時超聲能量使聚合物局部結構熔融,待冷卻固化后實現芯片連接的技術,具有效率高、強度高、無需中間介質、生物兼容性好的優點,是實現即時檢測芯片批量生產的有效途徑之一[8]。在超聲波鍵合過程中,焊頭與待鍵合芯片的平行度對芯片的鍵合精度、鍵合均勻性和微通道的高度有著顯著影響,不良的鍵合質量會降低即時檢測芯片在后續生化檢測過程中的穩定性和準確度,因此必須對焊頭和芯片進行精密調平。調平技術主要可分為主動式調平和被動式調平[9]。主動式調平是預先利用傳感器測量平行度,然后利用精密驅動機構調整平臺姿態,系統較復雜,成本較高[10]。被動式調平是利用彈性元件受壓后所產生的形變,使平臺姿態被動調整,從而減輕壓力不均衡現象[11]。彈性元件主要采用柔性鉸鏈[12]、橡膠[13]、氣囊[11]等。被動式調平方法結構簡單可靠、適應性強、成本較低[14],是即時檢測芯片鍵合過程中主要采用的方法之一。LEE等[15]利用球副和負壓系統設計了一種自適應夾具,利用球副調整夾具的姿態,利用真空系統鎖緊夾具。LI等[13]利用硅橡膠設計了一種自適應夾具,通過硅橡膠的彈性形變調整夾具上板的姿態,從而實現鍵合壓力均勻。劉沖等[16]利用球副和球面鎖緊箍設計了一種壓力自平衡夾具,焊頭的不平衡壓力驅動球副轉動,使芯片和焊頭壓力平衡。田芳等[11]設計了一種自調平系統,利用壓縮氣體將球面調平結構浮起,減小球面副轉動所需的力矩。綜上所述,利用彈性元件進行自適應調平在一定程度上能夠提高鍵合精度和均勻性,但是無法從本質上實現壓力平衡,仍然存在形變大的地方壓力大、形變小的地方壓力小的現象;利用球副和鎖緊裝置進行調平能夠在一定程度上得到較好的鍵合質量,但是忽視了球副轉動產生的靜摩擦力矩的影響,同時對于尺寸一致性較差的芯片,需要多次調平和鎖緊操作,效率不高。

本文設計了壓力自適應平衡裝置,當壓力不平衡時,迫使壓力大的氣缸內的氣體向壓力小的氣缸內流動,從而使裝置姿態自適應調整,同時利用封閉空氣的彈性支撐降低靜摩擦力矩產生的影響,實現焊頭與待鍵合芯片的壓力均勻,能夠有效提高鍵合均勻性、鍵合精度和生產效率。

1 壓力自適應平衡裝置的設計

1.1 壓力自適應平衡裝置結構設計

本文設計的超聲波鍵合壓力自適應平衡裝置如圖1所示,裝置的全拋結構如圖2所示。該裝置主要由底板、轉盤支架、氣缸支架、氣缸、轉盤、支撐柱、關節軸承、氣管、四通接頭等部件組成。4個氣缸通過氣管和四通接頭形成互通的密閉空間,該空間內填充一定體積的空氣。氣缸支架、氣缸、轉盤支架、轉盤、支撐柱和關節軸承組成一組支撐結構,該裝置由4組完全相同的支撐結構實現對上板的支撐,每組支撐結構間隔90°,并呈圓周陣列。

1.關節軸承 2.支撐柱 3.轉盤 4.氣缸 5.氣缸支架 6.轉盤支架 7.底板 8.上板 9.氣管 10.四通接頭圖1 壓力自適應裝置結構圖

1.關節軸承 2.支撐柱 3.轉盤 4.氣缸 5.氣缸支架 6.轉盤支架 7.底板 8.上板 9.氣管 10.四通接頭 11、12.滾針軸承 13.滾珠軸承 14.封閉空氣圖2 壓力自適應裝置全拋圖

超聲波鍵合壓力自適應平衡裝置在不考慮封閉空間內氣體被壓縮的情況下,在OXZ平面的機構簡圖見圖3。該裝置包含9個可動構件、11個轉動副和2個移動副,其中轉動副R2是由OYZ平面內的轉盤和支撐柱所形成的鉸鏈約束,關節球副可以在OXZ平面等效為2個轉動副,即R1和R3。該裝置在OXZ平面的自由度計算如下:

F=3N-(2pl+ph)=3×9-2×13=1

(1)

式中,N為活動構件個數;pl為低副個數;ph為高副個數。

圖3 OXZ平面機構簡圖

計算得出該裝置在OXZ平面含有1個自由度,同理可得該裝置在OYZ平面內含有1個自由度,同時考慮封閉空間內氣體被壓縮的情況,上板可沿Z軸上下運動,因此該裝置在空間內的總自由度為3,分別為繞X軸的旋轉自由度、繞Y軸的旋轉自由度和沿Z軸上下運動的自由度。當上板壓力不平衡時,該裝置能夠調整上板空間姿態,從而使上板壓力平衡。該裝置的相關尺寸為:lAB=273 mm,lAH=60 mm,lHG=lGF=15 mm,氣缸可移動距離為15 mm。進行運動學分析,可得上板繞X軸和Y軸的空間可轉動角度為6°。

1.2 壓力自適應平衡原理分析

即時檢測芯片的超聲波鍵合過程可分為焊頭下壓、壓緊保持、超聲振動和焊頭上抬4個步驟。當焊頭下表面和待鍵合芯片不平行時,如圖4a所示,在壓緊保持步驟中會導致待鍵合芯片壓力不均勻,在后續的超聲振動步驟中,高頻機械振動使芯片導能筋在高速摩擦和壓力的作用下熔化,所受壓力大的導能筋熔化量大,所受壓力小的導能筋熔化量小,最后導致芯片微通道尺寸不均勻和局部位置鍵合強度低的情況。在定量生化檢測中,微通道內穩定的流速對生化檢測穩定性和可靠性較為重要,微通道的尺寸和形貌直接影響著微通道內部流體的流動速度[17-18],因此在超聲波鍵合過程中需要保證芯片具有較高的鍵合精度和微通道尺寸的一致性。

利用超聲波鍵合壓力自適應平衡裝置進行鍵合的過程如圖4b所示,超聲波焊頭下壓與芯片局部接觸后會將壓力傳遞至氣缸,4個氣缸內部的氣體壓力開始出現不均衡,在焊頭繼續下壓到壓緊保持的過程中,壓力大的氣體流向壓力小的氣缸內,迫使上板調整空間姿態,直到焊頭與芯片表面完全接觸后,4個氣缸內部的氣體壓力相等,從而實現超聲波焊頭與待鍵合芯片表面的壓力均勻。氣體的摩擦阻力較小,可以有效降低上板在調整空間姿態過程中的運行阻力。另外在上板完成空間姿態調整后,氣缸活塞和關節軸承會有一定的靜摩擦力,所產生的力矩會對鍵合壓力均勻性產生不良影響。4個氣缸內部封閉的氣體具有一定的可壓縮性,能夠在鍵合過程中對上板提供彈性支撐,能夠減小靜摩擦力矩對鍵合壓力均勻性產生的不良影響。

(a)使用無調平功能的裝置進行超聲波鍵合的過程

(b)使用壓力自適應平衡裝置進行超聲波鍵合的過程圖4 超聲波鍵合過程的對比分析

2 實驗研究與結果

2.1 壓力分布均勻性實驗

鍵合壓力的平衡效果可以通過壓力分布均勻性來體現,本實驗采用FUJIFILM公司的微壓型(4LW)壓力測量膠片作為壓力測量元件,該膠片由感壓膠片和粗糙膠片組成,感壓膠片上分布有細小的微囊,當壓力作用于膠片上時,粗糙膠片會使感壓膠片的微囊破裂,從而在膠片上顯現紅色,顏色越深表明壓力越大,通過顏色的深淺和位置分布可以分析鍵合壓力的均勻性。為消除芯片的形狀誤差給實驗帶來的干擾,實驗采用平整度較好的平板玻璃代替芯片,并將平板玻璃切割為100 mm×20 mm。實驗設置對照組和實驗組,對照組采用無調平功能的夾具,通過手動調整焊頭的姿態,并利用塞尺不斷測量,使焊頭一端與平板玻璃產生約100 μm的間隙,焊頭另一端與平板玻璃接觸,從而模擬焊頭與芯片表面不平行的狀態。實驗組使用本文設計的鍵合壓力自適應平衡裝置。實驗過程中,逐漸提高鍵合壓力F并觀測壓力測量膠片的顏色分布,保壓時間均采用20 s。實驗結果如圖5所示。

圖5 壓力測量膠片顏色分布

由圖5可知,使用本文設計的鍵合壓力自適應平衡裝置得到的膠片顏色分布更均勻,鍵合壓力均勻性較好。為定量分析膠片的壓力均勻性,本文將膠片轉換為灰度圖像,并定義了壓力分布均勻性系數:

(2)

式中,pi為圖像任意一點像素i的灰度值;p′i為像素i關于膠片中心對稱像素點的灰度值;n為圖像像素點的總數。

該系數計算膠片所有像素點與其中心對稱像素點的灰度值絕對差值的平均值,取值范圍為0～255,取值越小表明膠片顏色分布越均勻,同時表明鍵合壓力分布越均勻。對照組和實驗組的壓力分布均勻性系數如圖6所示。

圖6 壓力分布均勻性系數折線圖

由圖6可知:①隨著鍵合壓力的增大,對照組(無調平功能)的壓力分布均勻性系數逐漸增大并在27～29的范圍內趨于穩定,說明壓力均勻性逐漸惡化并穩定;②實驗組(壓力自適應平衡)的壓力分布均勻性系數始終處于8～11的范圍,說明壓力均勻性較穩定且明顯優于無調平功能的對照組,相比于對照組,實驗組壓力分布均勻性系數降低約50%～72%。

2.2 鍵合實驗與鍵合精度測量

為得到鍵合實驗所需的芯片,制作了硅模具,并使用有機玻璃(PMMA)板和熱壓機制作了芯片的基片,芯片的蓋片采用PMMA平板,芯片尺寸為69 mm×15 mm,芯片基片和鍵合前的芯片截面掃描電鏡照片如圖7所示。

圖7 實驗芯片和截面

鍵合實驗所使用的設備和本文設計的超聲波鍵合壓力自適應平衡裝置如圖8所示,該設備最大鍵合壓力為1500 N,時間調整步長為0.01 s,超聲振動頻率為20 kHz,最大輸出功率為2000 W。鍵合實驗仍然設置了對照組和實驗組,對照組采用無調平功能的夾具固定芯片,并使焊頭一端與芯片產生約100 μm的間隙,焊頭另一端與芯片接觸,以模擬焊頭與芯片表面不平行的狀態;實驗組使用本文設計的鍵合壓力自適應平衡裝置固定芯片。實驗組和對照組采用相同鍵合參數:鍵合壓力300 N;超聲振動時間0.05 s;保壓壓力300 N;保壓時間5 s;超聲振幅60 μm。鍵合后的芯片如圖9所示。

圖8 超聲波鍵合裝置

圖9 超聲波鍵合后的芯片截面和熔接線

由圖9可知,采用無調平功能的對照組在鍵合過程中出現了導能筋熔接不足和熔接過度的情況,導能筋熔接后形成的熔接線寬度差別大,微通道高度不均勻;采用鍵合壓力自適應平衡裝置的實驗組在鍵合過程中導能筋熔接較均勻,熔接線寬度較一致,微通道高度較均勻。實驗表明,鍵合壓力自適應平衡裝置具有較好的鍵合壓力平衡能力。

為進一步分析鍵合壓力自適應平衡裝置的效果,需要測量鍵合后芯片的微通道高度h和熔接線寬度w,微通道高度測量點和熔接線寬度測量點的分布如圖10所示,測量點的選取主要圍繞芯片軸向的微通道展開,其中H1～H10為微通道高度測量點,W1～W21為熔接線寬度測量點。采用奧林巴斯工具顯微鏡(分辨力0.1 μm)測量,測量微通道高度時將芯片按照測量點截斷,并打磨清洗后進行測量。對照組和實驗組均測量10片,測量結果如圖11和圖12所示。

圖10 微通道高度和熔接線寬度測量點分布圖

圖12 熔接線寬度測量折線圖

對測量點的數據進行分析可得,對照組芯片鍵合后微通道高度變化較大,微通道高度峰峰值為33.9 μm,標準差為12.4 μm,且熔接線寬度變化較大,熔接線寬度峰峰值為724.9 μm,標準差為217.3 μm;實驗組芯片鍵合后微通道高度變化較小,微通道高度峰峰值為1.3 μm,標準差為0.4 μm,熔接線寬度峰峰值為23.3 μm,標準差為8.0 μm;相比于對照組,使用本文設計的壓力自適應平衡裝置能夠將微通道高度峰峰值減小96.2%,標準差減小96.8%,熔接線寬度峰峰值減小96.8%,標準差減小96.3%。實驗結果表明,本文設計的鍵合壓力自適應平衡裝置具有較好的鍵合效果,對微通道高度和熔接線寬度的鍵合精度和均勻性有著顯著作用。

為了進一步研究壓力自適應平衡裝置對不同尺寸芯片超聲波鍵合的適應性,通過逐漸減小芯片尺寸,開展了鍵合實驗并測量鍵合后微通道的高度。實驗過程中,將熱壓完成的基片沿長度方向在9～69 mm的范圍內以10 mm的步長切割為不同規格尺寸的片段,芯片寬度保持不變(15 mm)。使用本文設計的壓力自適應平衡裝置固定芯片,并利用塞尺在芯片的同一端調整出約500 μm的間隙。所有芯片片段采用相同的鍵合參數:鍵合壓強0.28 MPa;超聲振動時間0.05 s;保壓壓強0.28 MPa;保壓時間5 s;超聲振幅60 μm。芯片鍵合完成后沿長度方向均勻測量6點的微通道高度值,結果如圖13所示。

圖13 不同尺寸的芯片微通道高度測量折線圖

由測量結果可知,芯片長度l在19～69 mm的范圍內,芯片尺寸的減小對鍵合后微通道高度的影響不顯著,69 mm長度的芯片微通道高度峰峰值為1.3 μm,19 mm長度的芯片微通道高度峰峰值為1.9 μm,顯現出本文設計的壓力自適應平衡裝置對長度l為19～69 mm的芯片具有較好的適應性;當芯片長度減小為9 mm時,鍵合后微通道高度出現顯著的變化,9 mm長度的芯片微通道高度峰峰值為5.9 μm。出現這種情況的主要原因為:隨著芯片尺寸的減小,保持0.28 MPa的鍵合壓強所需的鍵合壓力逐漸減小,導致焊頭在接觸芯片一端時施加給壓力自適應平衡裝置上板的驅動力減小。同時隨著芯片尺寸的減小,驅動力作用點逐漸靠近上板中心點,驅動上板調整空間姿態所需的驅動力逐漸增大。當芯片尺寸小于一定值后,鍵合壓力形成的驅動力矩小于上板調整空間姿態所需克服的靜摩擦力矩,上板無法有效調整姿態,只能利用壓力自適應平衡裝置的彈性支撐緩解壓力不平衡,從而導致芯片微通道高度均勻性的下降。

2.3 超聲振子諧振頻率和阻抗的測試與對比

超聲波鍵合設備常采用剛性較大的金屬夾具固定待鍵合芯片。本文設計的壓力自適應平衡裝置能夠提供彈性支撐,在Z軸方向剛性較小,應用于超聲波鍵合可能會導致超聲振子的諧振頻率和阻抗發生變化,甚至影響鍵合設備正常工作,因此,本文對超聲振子進行了諧振頻率和阻抗的測試與對比。

實驗過程中對照組采用實心不銹鋼夾具固定芯片,實驗組采用本文設計的壓力自適應平衡裝置固定芯片,使用阻抗分析儀測量超聲振子在不同鍵合壓力F下的諧振頻率fs、反諧振頻率fp、最小阻抗模值Zmin和最大阻抗模值Zmax,測試結果如圖14和圖15所示。

圖14 超聲振子諧振頻率對比

圖15 超聲振子阻抗對比

由測試結果可知,使用壓力自適應平衡裝置與使用不銹鋼夾具,在相同鍵合壓力下,諧振頻率fs、反諧振頻率fp、最小阻抗模值Zmin和最大阻抗模值Zmax均相差較小,諧振頻率fs和反諧振頻率fp最大差值均為2 Hz,最小阻抗模值Zmin和最大阻抗模值Zmax的差值均不超過3.5%。因此,使用本文設計的壓力自適應平衡裝置不會對原有鍵合設備的超聲振子系統產生較大影響。

3 結論

針對即時檢測芯片在超聲波鍵合過程中對高鍵合均勻性和高鍵合精度的要求,設計了鍵合壓力自適應平衡裝置,該裝置可自適應地調整上板的空間姿態,同時降低靜摩擦力矩對鍵合壓力均勻性產生的不良影響,主要結論如下:

(1)該裝置能夠降低壓力分布均勻性系數約50%～72%,顯著提高了鍵合壓力均勻性。

(2)在超聲波鍵合過程中,對于69 mm×15 mm的芯片,該裝置能夠將微通道高度峰峰值控制在1.3 μm,將熔接線寬度峰峰值控制在23.3 μm;與對照組相比,能夠將微通道高度峰峰值減小96.2%,標準差減小96.8%,熔接線寬度峰峰值減小96.8%,標準差減小96.3%;對長度為19～69 mm的芯片具有較好的適應性,微通道高度峰峰值能夠控制在1.9 μm;當芯片長度減小為9 mm時,該裝置的適應性變差,鍵合后微通道高度峰峰值下降到5.9 μm。該裝置對長度為19～69 mm芯片的微通道高度和熔接線寬度的鍵合精度和均勻性有著顯著作用。

(3)使用本文設計的壓力自適應平衡裝置不會對原有鍵合設備的超聲振子系統產生較大影響。對比使用壓力自適應平衡裝置與使用不銹鋼夾具,在相同鍵合壓力下,諧振頻率fs和反諧振頻率fp最大差值均為2 Hz,最小阻抗模值Zmin和最大阻抗模值Zmax的差值均不超過3.5%。