工艺与检测Ｔｅｃｈｎｏ１Ｉ０ ｇｙ ａｎｄ ＣＯ２激光直写ＰＭＭＡ微流道凸起仿真研究 相恒富 （中国石油大学机电工程学院，山东东营２５７０６１） 摘要：建立了激光烧蚀流道凸起模型，获得了流道凸起与激光功率和作用时间的关系。模拟结果表明：增 大激光扫描速度，减小激光照射时间，选择较低的激光功率可以减小流道凸起高度。模拟结果对激 光直写ＰＭＭＡ微流道表面质量控制有指导意义。 关键词：激光加工微流道有限元仿真 凸起 中图分类号：ＴＰ３９１．９，ＴＫ１２４ 文献标识码：Ａ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｂｕｌｇｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｙ ＣＯ２ ｌａｓｅｒ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ＰＭＭＡ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ＸＩＡＮＧ Ｈｅｎｇｆｕ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｔ。Ｅｌｅｅｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ ２５７０６ １，ＣＨＮ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａ ｂｕｌｇｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｇａｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂｕｌｇｅ ａｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ— ｉｎｇ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｐｒｅｆｅｒｒｉｎｇ ｌｏｗｅｒ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｂｕｌｇｅ ｈｅｉｇｈｔ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｄｉｒｅｃｔ ｔｈｅ ｉｍ— ｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ＰＭＭＡ ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ；Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ；Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｂｕｌｇｅ 聚合物ＰＭＭＡ（聚甲基 烯酸甲酯，也称有机玻 璃）微流道的ＣＯ 激光直写加工技术，是近年来国际上 的研究热点。一些专家运用实验方法列‘ＣＯ 激光直写 ＰＭＭＡ微流道进行了研究。丹麦工业大学微系统研究 １ ＣＯ：激光直写ＰＭＭＡ微流道凸起有限元模 型 ＣＯ 激光直写ＰＭＭＡ微流控芯片的方法是利用红 所通过大量实验结果，获得了ＣＯ！激光加工ＰＭＭＡ微 流控芯片的流道深度模型，并分析了流道宽度、流道长 外激光的高能束在ＰＭＭＡ基片上直接加工微流道，加 工原理如图１所示。 度对流道深度的影响 ｎｆ ３ 里 ０ 。Ｍａｒｔｉｎ Ｆ．Ｊｅｎｓｅｎ等人应用 当激光束聚焦在ＰＭＭＡ 光栅扫描技术优化激光光斑来提高微流道的加工质 但是，ＣＯ，激光直写出的流道表面粗糙度值较大， 在ＣＯ，激光产生的高温条件下，流道表面的材料发生 沸腾和起泡，冷凝后形成不规则的凸起和凹陷，在芯片 流道边缘会形成凸起的冷凝区带，直接影响芯片在该 区域的键合质量，并且可能导致流道的堵塞。针对流 基片的表面，升温开始，到达 大约１１５ 玻璃态温度之前 一… ｛｛｛ 、 ｉ ＭＭＡ 直是固态。继续升温，ＰＭ． ＭＡ变成呵翅和橡皮状并开 ～ ｛ 一 始热降解，ＰＭＭＡ的聚合链 ｝ ｛ ＿／／ ｉ 断裂发展为单体ＭＭＡ并挥 ｌ ； 发出来，热降解主要发生在熔鬯 —型Ｌｊ 温度为３７０℃。ＣＯ２激光器图ｌ激光加工ＰＭＭＡ原理图 以一定的速度在ＰＭＭＡ基片 道边缘凸起问题，Ｃｈｕｎｇ等人对流道凸起形成机理进 行了研究，认为流道边缘凸起是加工过程中熔化的材 料在气化物压力及表面张力作用于流道的结果，他们 通过在ＰＭＭＡ材料表瓶覆盖一层保护层来抑制流道 凸起 。为了预测流道凸起的成形规律，本文运用有 上根据给定的轨迹就可制作成微流控芯片的微流道。 为了用数学模型来描述激光烧蚀材料的过程，不 影响最终结果，我们做了如下假设： 限元方法研究＿ｒ激光功率、作用时问与流道凸起高度 的关系，对改善微流道表面质量提供依据。 （１）密度、比热和热传导系数等热物理参数不随 温度变化； 睁．，一 ｊ ￡Ｉ Ｕ Ｉ耋耳 ０删 Ｔｅｃｈｎ０１０ｇｙ ａｎｄ Ｔｅｓｆ工艺与检测 （２）对比入射光强，材料表面的对流和气化作用 叮以忽略不计； 环境温度取２０℃。降解潜热Ｌ：１．８Ｘ１０。Ｊ／ｋｇ，弹性 模量Ｅ＝３ ３００ ＭＰａ，泊松比 ：０．４，材料的热膨胀系 （３）激光材料相互作用导致在气化温度时去除材 料，任何熔融材料都能被气流完全驱除，不会影响激光 与材料的作用 数 ＝７×１０。、。Ｋ～。ＣＯ 激光 聚焦光斑半径为Ｉ２０ ｍ，功率在０～３０ ｗ变动。有限元方法用来研究激光 直写ＰＭＭＡ的流道形状和温度分布，通过调整激光功 率和扫描速度等ＪＪＵ．￣参数来研究微流道的影响因素。 激光功率遵循高斯分布，激光功率密发为 ．，： Ｃ－毫 （１） 图３是激光功率为２０ ｗ，照射时间分别为０．２ ｑＴＷ０ 式中： 。为激光束的聚焦半径；Ｐ为激光功率；“为 ＰＭＭＡ吸收系数；ｒ为点距离激光中心的距离 流道边缘凸起与激光烧蚀流道的温度场有关。这 里先用有限元分析软件建立流道截面的温度场模型， 在此基础上建立热应力模型，最终得到流道边缘＾起 与激光工艺参数之问的 系。由于激光功率遵循高斯 分布，流道形状也是轴埘称的，大大简化ｒ模型，节约 了模型运算时间，建 的有限元模 如 ２所示。模 型尺寸为１８０ ｍ×１２０ ｍ，共有单元２１ ６００个，节点 ２１ ９０１个 图２激光直写ＰＭＭＡ有限元模型 根据激光直写ＰＭＭＡ原理，当温度升高到降解温 度３７０℃时，材料吸热但温度不再升高，等到吸收完降 解升华所需的热量后，材料气化掉，我们用“歹匕”单元 技术来模拟材料的气化去除。有多少材料被汽化掉， 对应多少“死”单元，生死单元的分界面即为流道形 状。对于连续激光作用，采用小时『Ｈｊ步长逐步施加负 载近似模拟，利用每一一微小时问步计算得到的单元温 度作为单元生死判据，不断循环迭代，最终得到流道形 状及其温度分布，、 ２计算结果及分析 聚合物ＰＭＭＡ的参数ｊ“Ｊ下：密度ｐ＝１ ｌ９０ ｋｇ／ｍ’， 等压比热ｃ １ ４２０ Ｊ／（ｋｇ・Ｋ），热传导系数 ＝０．１９ Ｗ／（ｍ・Ｋ），材料的吸收系数ｎ：０．９２，ＰＭＭＡ在受热 时的分解温度为３５０—３８０℃，具体依赖于加热速率， Ｉｌｌｓ、０．４ ｍｓ、０．６ ｍｓ和０．８ ＩＩＩＳ时的温度场分布。我们 运朋生死单元技术获得了流道外形。图中模 上部单 元缺少，缺少的部分 元为死单元，被激光热源所气 化，剩余的部分为加 后的形状，生死单元的交界部分 为流道形状ｊ采用生死单元不仪能够得到激光烧蚀的 流道外形，还可以得到流道温度场分布，这为分析激光 烧蚀流道热应力热变形打下ｒ基础。从 【１１ 以看 出，随着照射时问的增加，激光烧蚀的流道外形和深度 都在变化，可见烧蚀流道深度 照射时 有关。 。ｒ 一盯 ＴＥＭＰ（ＡＶＧ） ＲＳＹＳ＝０ ＳＭＮ＝２９３ ＳＭＸ＝７１４．１２ － ｛ 寸寸 ∞ ∞甘∽ 卜 口 ∞一寸卜 ∞卜 甘∞ ｛ 寸ｏ。 卜＿＾ ０寸ｏｏ ■ 寸ｏｏｏ０ ∞ｃ。 ｏｏ ０ ｃ。 ｏｏ ｃＮ ０ ｎ ０ ０＠０卜一 ｎ Ｏ０∞。。 卜 卜 ｎ寸 ０卜 ｎ寸寸 ０ ｆａｌ ０ ２ ｍｓ 『ｂｌ ０ ４ ｍＳ ＴＥＭＰ（ＡＶＧ） ＴＥＭＰ（ＡＶＧ） ＲＳＹＳ＝Ｏ ＲＳＹＳ＝０ ＳＭＮ＝２９３ ＳＭＮ＝２９３ ｓ ∞Ｌｎ 一＿ 卜 卜 ∞一 寸 卜。ｏ ０ Ｈ ∽ Ｏ０ Ｏ０ 寸 ０。。 ∽∞ 可 ∽。。 卜 卜 甘 寸 寸。。 。。∞ ０卜 ０卜 寸 卜∞０ 寸 寸∞∞ｏ。 ｂ－ 卜 ０ 寸 ０ ０ ∞∽ 甘 卜 ∞ 寸寸 卜【、 （ｃ）０ ６ ｍｓ 【ｄ】０ ８ ｍ 图３ ２０ Ｗ时照射时间分别为０．２ ｍｓ、０．４ ｍｓ、０．６ ｍｓ 和Ｏ．８ ｍｓ时的温度场 图４是当功率为２Ｏ ｗ时特征时问分别为０．２ ｍＳ、０．４ ＨＩＳ、０．６ ｍＳ和０．８ ＩｒｉＳ时的凸起高度值。从图 中可以看出，随着照射时间的增加，凸起高度也逐渐增 加，ｆｊＩＪ受热材料的运动变形更为剧烈，与实际的加工结 果是符合的。当照射时间为０．２ Ｉｌｌｓ时，凸起最大高度 为０．２０７ ｍ，０．４ Ｉｌｌｓ时为０．２７５ ｍ，０．６ ＨＩＳ Ｈ寸为 ０．２９０ ｍ。０．８ Ｉｌｌｓ时为０．３１６ ｎ１。这为实际加工中 ０ ０ 控制流道凸起高度提供了依据，对ＣＯ 激光烧蚀ＰＭ— 卜０． Ｈ 甘．０ 卜０．∞＿【 ．０ ＭＡ微流道并控制流道表面质量有指导意义。 卜０． ０ ０． ＿［ ０ （ＡＶＧ） 卜０． ０ ０ 控制流道凸起高度提供了依据，只需改变激光功率参 卜０． 寸 ，０ 数和照射Ｈ，卜。 ／ｌ￣，就可以获得大量的流道凸起高度值，卜 ．。 忙 对 卜０．∞ ，０ 流道凸起高度结果进行分析即可得到流道凸起的变化 规律。可见，合理控制激光的输出功率和照射时间对 减小凸起高度有着重要的作用。 ＵＳＵＭ（ＡＶＧ） ＲＳＹＳ；０ ＤＭＸ＝Ｏ ２０７Ｅ一０ ６ ＳＭＸ＝Ｏ．２０７Ｅ一０．６ ＵＳＵＭＲＳＹＳ：０ ０ ∞∞∞＿【．０ ＤＭＸ＝Ｏ．２７５Ｅ一０．６ ０． ＿【 ＿【．０ ＳＭＸ＝Ｏ．２７５Ｅ—Ｏ．６ ０． 寸∞＇【．０ 一 。越 ，∞ 。 ＿－ ０ 出卜０ ．０ ０ 卜０ ∞ ｏ ．０ 卜０．∞∞＿【 ．０ ３ 结语 本文主要研究了ＣＯ，激光直写ＰＭＭＡ微流道引 卜０． ∞＿【 ０ ０． ＿［．０ ０ ∞∞Ｈ．０ ０。 寸∞ ．０ （ａ１ ０．２ｍＳ ０．ｂ１ ０ ４ ＿［ ０ ｍｓ ＵＳＵＭ（ＡＶＧ） ＵＳＵＭ（ＡＶＧ）０， ．０ ＲＳＹＳ＝０ ＲＳＹＳ＝Ｏ ＤＭＸ＝０．２９０Ｅ一０．６ ＤＭＸ＝Ｏ．３１６Ｅ—０。∞ 卜 ．Ｏ．６ ０ ＳＭＸ＝Ｏ．２９０Ｅ一０．６ ＳＭＸ＝Ｏ ３ｌ６Ｅ一０．６ ＿ ０ ０ ０ ｆｒ．，２出 口 口 ０ ０ ０ ０ ６ ｍｓ （ｄ）０．８ｍｓ 图４功率为２０ Ｗ时照射时间分别为０．２ ｍｓ、０．４ ｍｓ、 ０．６ ｍｓ和０．８ ｍｓ时流道凸起高度 Ｏ ３ Ｏ 量ｏ ２ ＼ 莲ｏ ２ 型ｏ ２ 魁 耀Ｏ・２ Ｏ Ｏ．１ ８ ｔ／ｍｓ 图５不同功率不同照射时间对比图 为了研究激光功率与流道凸起高度的关系，通过 改变激光功率，得到了一系列流道凸起高度，当照射时 间分别为０．２ Ｉｌｌｓ、０．４ ｍＳ、０．６ Ｉｌｌｓ和０．８ ｍｓ时，流道凸 起高度的变化如图５所示。流道凸起高度随照射时间 越长而越高，随着激光功率增大而增高。仿真结果为 起表面凸起的现象，并进行了有限元仿真。仿真结果 眶 表明，在流道形成的过程中，热应力作用会在流道边缘 产生凸起，而且流道凸起高度随激光照射时问越长而 越高，随着激光功率增大而增高。所以通过增大激光 。． 寸 。 扫描速度，减小激光照射时问，选择较低的激光功率可 以减小流道凸起高度。～ 参考文献 ［１］ＫＬＡＮＫ Ｈ，ＫＵＴＴＥＲ Ｊ Ｐ，ＧＥＳＣＨＫＥ Ｏ．ＣＯ２－ｌａｓｅｒ ｍｉｅｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｂａｃｋ——ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｒａｐｉｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭＭＡ—・ｂａｓｅｄ ｍｉｃｒｏｆｌｕ— ｉｄｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ，２００２（２）：２４２－２４６． ［２］ＳＮＡＫＥＮＢＯＲＧ Ｄ，ＫＬＡＮＫ Ｈ，ＫＵＴｒＥＲ Ｊ Ｐ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ ＣＯ２ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉ— ｎｅｅｆｉｎｇ，２００４（１４）：１８２—１８９． ［３］Ｍａｒｔｉｎ Ｆ Ｊｅｎｓｅｎ，Ｍｉｋｋｅｌ Ｎｏｅｒｈｏｌｍ，ｅｔ ａ１．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｂｒｉｃａｌｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ ＣＯ２ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ：ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｐｒｏ— ｄｕｃｅｄ ｂｙ ｒａｓｔｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ［Ｊ］．Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ，２００３ （３）：３０２—３０７． ［４］Ｃ Ｋ Ｃｂｕｎｇ，Ｙ Ｃ Ｌｉｎ，Ｇ Ｒ Ｈｕａｎｇ．Ｂｕｌｇｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｉｎ ＣＯ２ ｌａｓｅｒ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｅｈ．Ｍｉｃｒｏ— ｅｎｇ．，２００５，５５（１５）：１８７８一】８８４． ［５］ｊ Ｍ Ｌｉ，Ｃ Ｌｉｕ，Ｌ Ｙ Ｚｈｕ．Ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒｓ ｂｕｌ－ ｇｅｓ ｉｎ ＣＯ２ ｌａｓｅｒ ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，２０９（１０）：４８１４． ［６］Ｃｈｒｙｓｓｏｌｏｕｒｉｓ Ｇ．１ａｓｅｒ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：ｔｈｅｏｒ．ｙａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅｆ Ｍ ｊ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，１９９１． ［７］Ｄ Ｈａｎｓｅｌｍａｎ，Ｂ Ｌｉｔｔｌｅｆｉｅｌｄ．Ｍａｓｔｅｒｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ ６［Ｍ］．北京：清华大 学出版社，２００２：３１０—３４３． ［８］ＭＥＵＮＧ ＪＵＮＧ ＫＩＭ｛．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ－ｃｕｔｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｂｏｕｎｄ ａｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ，２０００（２５）： ２５—３９． ［９］Ｂａｒｂａｒａ Ａ Ｆｏｇａｒｔｙ，Ｋａｔｈｌｅｅｎ Ｅ ｌｔｅｐｐｅｒｔ，Ｔｈｅｏｄｏｒｅ Ｊ Ｃｏｒｙ，ｅｔ ａ１．Ｒａｐｉｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙ（ｄｉｎ１ｅｔｈｙ１ｓｉ１０ｘａｎｅ）～ｂａｓｅｄ ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｏ— ｐｈｏｒｅｓｉｓ ｄｅｖｉｃｅｓ ｕｓｉｎｇ ＣＯ２ ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｔ，２００５，１ ３０ （６）：９２４—９３０． （编辑余捷） （收稿¨期：２ｏ】１—０２—１３） 文章编号：１ １０６３９ 如果您想发表对本文的看法。请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 剧童箍． 和稼 ２０ｔｔ年第６期