（机械电子工程专业论文）塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 将超声波塑料焊接技术引入微流控芯片的封装具有不弓l 入终部介质、键会强度高、 键合时间短、材料适用范围广的优势。但就超声波塑料焊接技术而言，人们对其机理的 理解还不十分深入。研究超声波塑料焊接的机理，可以更清楚的理解微流控芯片超声波 键合时材料的熔融行为和焊接参数对键合过程的影晌，为实现高质量键合服务。因此本 文就超声波塑料焊接的机理做了部分基础性研究工作。首先针对聚合物材料，提出了一 种粘弹性力学模型，该模型以广义m a x w e l l 模型为基础，借动b o 娩麟阻叠加原理和“时 温等效性原理 ，可以将聚合物的动态模量表示为温度和频率的函数。然而在利用“时 温等效性原理 将松弛曲线片段平移为松弛主曲线时存在平移不准确的闯题，因此文 中对“时温平移方程”进行了修正。推导了周期应变载荷下的粘弹性产热方程，从中 得出，粘弹性热是在一定的温度范围内很短的时间里产生的，且低温段的粘弹性产热并 不甓显。对承受静压力和高频振动载荷的带矩形导能筋的有限元模型进行了动力学仿 真，结果显示角点处的瞬时摩擦应力和相对滑动速度可以达到很高的数值，从而提出低 温段超声波塑料焊接的热源来自界面上的摩擦热的观点。分别对摩擦热和糙弹性热提融 了相应的仿真策略，结果表明超声波焊接接头上的温度场为非均匀温度场，粘弹性热使 材料内的温度在很短的时间内攀升到很高的温度。用热电偶温度传感器进行了超声波塑 料焊接接头温度场的实际测量，所得结果与仿真结果具有类似的趋势。对不同焊接压力 和振幅作用下的模型温度场进行了仿真，结果显示温升速率随焊接压力和振幅的提高而 提高，且振幄的影响要大予焊接压力的影响。最后，针对塑料微流控芯片的封装给出了 两种不同的导能筋形式，从机理方面分析了其可行性，并对该两种形式导能筋的芯片进 行了超声波键合实验。 关键词：微流控芯片封装；超声波塑料焊接；摩擦热；粘弹性热；温度场测试 塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究 si m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sr e s e a r c ho nt h eu l t r a s o n i cb o n d i n g m e c h a n i s mo fm i c r o f l u i d i cc h i p s a b s t r a c t i t sam o d e mt h i n gt h a ti n t r o d u c e su l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n gt e c h n o l o g yt ot h ef i e l do f m i c r o f l u i d i cc h i pe n c a p s u l a t i o n ，w h i c hh a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha se x t e r n a ls u b s t a n c ef l e e ， h i g h e rb o n d i n gs t r e n g t h , s h o r t e rb o n d i n gt i m e ，w i d e ra p p l y i n gm a t e r i a l ，e t c t ot h eu l t r a s o n i c p l a s t i cw e l d i n gt e c h n o l o g y ，h o w e v e r , t h ej o i n i n gm e c h a n i s mi sn o tw e l lu n d e r s t o o d r e s e a r c h o nt h em e c h a n i s mh e l p su n d e r s t a n dt h em e l t i n gb e h a v i o ra n dt h ee f f e c t so fw e l d i n gp a r a m e t e r o nt h ew e l d i n gp r o c e s s ，w h i c hw o u l dg r e a t l yb e n e f i tw e l d i n gq u a l i t yi m p r o v e m e n t a i m i n ga t p r o v i d i n gt h e o r i e st ot h ea d v a n c e di m p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g y ，t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so n r e s e a r c h i n gt h ej o i n i n gm e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g f i r s t l y ，ap r a c t i c a lv i s c o e l a s t i cm o d e lt ot h ep o l y m e rm a t e r i a li sp r o p o s e d b a s e do n g e n e r a l i z e d m a x w e l lm o d e la n db o l t z m a n n s u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e a n dt t e p ( t i m e - t e m p e r a t u r ee q u a lp r i n c i p l e ) ，t h ed y n a m i cm o d u l u sc o u l d b ee x p r e s s e da st h ef u n c t i o n o ft e m p e r a t u r ea n df r e q u e n c y h o w e v e r , w h e ns h i f t i n gr e l a x a t i o nm o d u l u ss e g m e n t so f p m m a ( p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ) t og a i nam a s t e rc u l - v e ，i n a c c u r a c ya p p e a r s ，s ot h en o r m a l t i m e - t e m p e r a t u r es h i f t i n gf a c t o r si sm o d i f i e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ev i s c o e l a s t i ct h e r m o g e n e s i se q u a t i o no fv i s c o e l a s t i cm a t e r i a lu n d e rp e r i o d i c a ls t r a i nl o a di sd e d u c e d f r o mt h e n u m e r i c a ls o l u t i o ni tc o u l db ec o n c l u d e dt h a t , v i s c o e l a s t i ch e a ti sg e n e r a t e di nav e r ys h o r t t i m ei ns p e c i f i e dt e m p e r a t u r er a n g e ，a n dv i s c o e l a s t i ch e a ti sn o ta p p a r e n ta tl o wt e m p e r a t u r e o t h e rh e a tg e n e r a t i n gm e c h a n i s mm a ye x i s ta tt e m p e r a t u r eb e l o wt g s u b s e q u e n t l y ，k i n e t i c s i m u l a t i o nw a sp r o c e e d e dt ot h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t har e c t a n g u l a re n e r g yd i r e c t o r , w h i c hb e a r sb o t hw e l d i n gp r e s s u r ea n dh i g h - f r e q u e n c yv i b r a t i n gl o a d s i nt h es i m u l a t i o n ， c o m e ro ft h ee n e r g yd i r e c t o rp r o d u c e sh i g hi n s t a n t a n e o u sf r i c t i o ns t r e s sa n dr e l a t i v es l i d i n g v e l o c i t y s ov i e w p o i n tw a sd e r i v e dt h a tt h eh e a tg e n e r a t i n gm e c h a n i s ma tl o wt e m p e r a t u r ei s f r i c t i o nh e a tr i g h ta tt h ei n t e r f a c e s i m u l a t i n gs t r a t e g yt ot h ef r i c t i o nh e a ta n dv i s c o e l a s t i ch e a t w a sp u tf o r w a r d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt e m p e r a t u r ef i e l do nt h er e c t a n g u l a re n e r g yd i r e c t o r i sn o n u n i f o r m ，a n dv i s c o e l a s t i ch e a tm a k e st h et e m p e r a t u r er i s e si nav e r ys h o r tt i m e t o v a l i d a t et h ep r o p o s e dh e a tg e n e r a t i n gm e c h a n i s ma n dt h e s i m u l a t i n gm e t h o d ，e x p e r i m e n t s w e r ep r o c e e d e dw i t hm e a s u r e m e n t so ft e m p e r a t u r et e n d e n c yo fe n e r g yd i r e c t o rd u r i n g w e l d i n gp r o c e s s s i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l dw h e nt h ew e l d i n gp a r a m e t e r s ，t h a ti s w e l d i n gp r e s s u r ea n da m p l i t u d e ，v a r i e si sp r o c e e d e d ，i n d i c a t i n gt h a tt e m p e r a t u r er i s e r a t e 大连理工大学硕士学位论文 t e n d st oi n c r e a s ew i t ht h ea p p l i e dw e l d i n gp r e s s u r ea n da m p l i t u d e a tl a s t ，t w ok i n d so f e n e r g yd i r e c t o rs h a p e ，t r i a n g u l a ra n dr e c t a n g u l a r ，f o rt h ee n c a p s u l a t i o no f m i c r o f l u i d i cc h i p s i sp r e s e n t e d ，a n dt h e i rf e a s i b i l i t yi sd i s c u s s e dt h e o r e t i c a l l y e n c a p s u l a t i n ge x p e r i m e n t so ft h e t w ok i n d so fm i c r o f l u i d i cc h i p sw e r ep r o c e e d e d k e yw o r d s ：e n c a p s u l a t i o no fm i c r o f l u i d i cc h i p s ；u l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g ；f r i c t i o nh e a t ； v i s c o e l a s i t ch e a t ；t e m p e r a t u r et e n d e n c ym e a s u r i n g i i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阕。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名1 1 , 日期：盔笙年j 乙月臣日 露期：酗咩年z 月乒甚 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说舞并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：塑垫邀速控整兰壑岜速缝佥狃堡煎盆墓皇塞验珏塞 作者签名： 拯丝耄 日期：迦芷年j l 月且日 大连理l 大学硕士学位论文 1 绪论 本论文的主要研究对象为微流控芯片、超声波塑料焊接技术，因此本章首先介绍二 者的相关背景，然后引出超声波塑料焊接技术在微流控芯片制备上的应用，最后给出本 论文的研究内容及意义。 1 1 微流控芯片概述 自从瑞士的m a n z 和w i d m e r 于2 0 世纪9 0 年代初首次提出微型全分析系统 ( m i n i a t u r i z e d t o t a la n a l y s i ss y s t e m 叮a s ) 的概念以来，经历了发展初期的冷落与彷徨， 在短短的1 0 余年中己发展为当前世界上最前沿的科技领域之一。u t a s 的目的是通过 化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设 各中，甚至集成到方寸大小的芯片上。由于这种特征，本领域的一个更为通俗的名称是 “芯片实验室”( 1 a b - o i l a - c h i p ，l o c ) 。微流控芯片( m i e r o f l u d i cc h i p ) 是u t a s 中最 为活跃的领域和发展前沿，在某种程度上，微型全分析系统和微流控芯片实质为同一概 念，它最集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的思想。经过近1 0 年的快速 发展，微流控芯片已开始应用于生命科学、农业、临床医学、法医学、药物学、预防医 学、环境科学等诸多领域。 微流控芯片是利用微加工技术在芯片上制做微阀、微通道、微反应器、微传感器、 微检测器等功能单元而构成的微型化学系统，在该系统中可完成样品的前处理、化学反 应、分离、检测等功能。利用微流控芯片系统进行生化分析具有试剂消耗量少( 其分析 试剂进样量仅为纳升级) 、效率高( 分析检测大多在秒级内完成) 、微型化、集成化等 特点。图11 、12 展示了大连理工大学微系统研究中心制作的两种微流控芯片。 图11 直淘道芯片 w i t hs t r a i g h lc h a n n e l s 图12 弯淘道芯片 f i g i2at y p eo f m i c r o f l u i d i cc h i p w i t hc t l r c ec h a n n e l s 塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究 目前报道用于微流控芯片的基体材料主要有硅、玻璃、高聚物等，高聚物种类主要 有：p m m a 、p c 、p d m s 、c o c 等。基体材料的选择主要取决于芯片的机械强度、化 学稳定性、光学性能、生物兼容性、易加工和容易键合的特点。传统的硅具有良好的化 学惰性、热稳定性、与i c 工业良好的兼容性的优点，但存在加工工艺复杂和生物兼容 性差以及难键合的缺点；玻璃虽具有良好的光学及电学性能，但存在加工成本高、键合 成品率低的缺点；而高聚物以其成本低、种类多、加工工艺简单和良好的生物兼容性的 优点正日益成为制作微流控芯片的主流材料。 1 1 1 聚合物微流控芯片制备技术 2 0 世纪9 0 年代初期，人们试图用聚合物代替硅、玻璃作为基片来制作微流控器件。 到9 0 年代后期，相继出现了许多针对高聚物的加工方法，主要有：模塑法 2 1 、热压法【3 】【4 】【5 】 和激光微加工法【6 】等。其中热压法可实现批量复制，设备及操作相对简单，便于实现较 高程度的自动化生产。国内大连理工大学微系统研究中心较早开展了这方面的研究【3 1 。 热压法制备微流控芯片的工艺过程如图1 3 ，其中微沟道从模板到基片上的复制和基片 与盖片的键合是制备微流控芯片的关键技术。 微流控微沟道微沟道从模盖片上 微流控芯片 芯片的模板的板到基片上孔洞的基片与盖片 设计制作的复制加工 的键合 图1 3 聚合物微流控芯片制备的工艺过程 f i g 1 3 p r o c e s st om a n u f a c t u r ep o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i p s 1 1 2 聚合物微流控芯片封装( 键合) 技术 如上所述，微流控芯片的键合是芯片制备的最后也是重要一步，直接影响微流控芯 片的使用性能。现有的聚合物微流控芯片键合技术主要有： ( 1 ) 粘结剂胶连键合【7 】：引入粘结剂实现器件的连接。实际上，该方法在微流控芯 片领域很难应用，因为很难防止胶粘过程中微沟道的堵塞情况。且该方法精度低，质量 一致性差。 ( 2 ) 溶剂键合【8 】：也是引入外部介质的键合方法，利用有机熔剂溶化塑料片的接触 面而实现器件连接。同样无法避免微沟道的堵塞情况，过程难控制，质量一致性差。 ( 3 ) 激光键合【9 】：上片采用对激光不吸收的材料，下片采用吸收激光的材料。激光 透过上片而在上下片结合面处产生热量，使界面熔融达到连接目的。该方法清洁、焊接 大连理工大学硕士学位论文 精度高，据报道连接界面的熔化膜尺寸仪为3 0 - 4 0 u r n ，但需要特殊的材料，成本相对较 高。 ( 4 ) 热键含【4 】：将芯片温度加至玻璃化转变温度( 无定形聚合物) 或熔融温度( 半 结晶型聚合物) 附近，通过施加一定的压力，实现基片与盖片酶直接键合。该方法操作 简单，但沟道易变形，键合过程耗时间长，键合强度低。 ( 5 ) 超声波键合：宏观世界因显著的优势而应用广泛，但至少在2 0 0 0 年前尚未有 弓| 入微流控芯片键会领域的报道，h o l g e rb e c k e r 等弪】认为主要原因是超声波键合对环境 的洁净程度要求高。但2 0 0 6 年德国学者r t r u c k e m u l l e r 等【l o 】 l l 】对p m m a 和p e e k 材 料的微流控芯片、微单向阀以及盘形微瓣膜泵等微传感器与微执行器用超声键合技术进 行了试验，结果表明利用超声波键合不仅器件的性能参数能够完全满足使用要求，而且 键合强度高，键合深度误差仅为l a m 。本文将重点讨论这种键合方法。 1 2 超声波塑料焊接技术 微流控芯片超声波键合的主要设备为超声波塑料爆接机，因此有必要对超声波塑料 焊接技术简单做一介绍。 超声波塑料焊接是从超声波金属焊接发展起来的。5 0 年代发现的超声金属焊接，已 广泛用于集成电路孳| 线焊接，近年来用于塑料金属复合管的焊接徽有发展前途。由于 工艺上的突出优点，更为广泛应用的是热塑性塑料的焊接。该焊接方法通过在焊件上施 加低振幅( 1 0 2 5 0 a m ) 高频率( 1 5 6 0 k h z ) 机械振动来完成焊接。焊件在焊接过程中 还要承受来自气缸的恒定气压，以保证结合面处紧密贴合。焊件在周期变形作用下，通 过焊接面上和分子内部摩擦产生热量，使热塑性塑料熔融并使焊件熔结，一般表面酶热 量最高。通常焊件中有一部分人为制造的凸起，以使能量大部分集中在凸起中，使之受 热熔融流动，从而使两部分焊件结合在一起。这个凸起称为能量控制器或导能筋，如图 l 。4 所示。y e wk h o yc h u a h 等遴过对a b s 和p e 试件的温度场溯试，得到导能筋对焊接 能量的吸收分别为2 1 8 5 和2 1 2 2 1 。 l 一 曛1 。4 形状麓三角形酶导麓筋 f i g 1 4 a t r i a n g u l a rs h a p e de n e r g yd i r e c t o r 塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究 超声波焊接经常用来焊接由于复杂或价格较高而不能整体成型的部件。出于焊接时 间短( 仅几秒钟) ，所以超声波焊接常用于批量生产。超声波焊接比较灵活，只要夹具 设计允许，就可以焊接小尺寸产晶。而且无定形或半结晶性热塑性聚合物都可以采用超 声波焊接，某些情况下甚至可以焊接不同材料。 超声波焊接比较其他塑料连接方法，显藩优点如下： ( 1 ) 不使用有机胶粘剂，因丽使用安全、清洁； ( 2 ) 速度快( 一般焊接周期小于l s ) ； ( 3 出于是岛身熔合，因而强度特别高； ( 4 ) 操作场地小，焊毕即阉，不必堆放待干； ( 5 ) 无需任何辅助材料，操作简单，投资相对较低； ( 6 ) 可用于大多数热塑性塑料。 超声波焊接通常有两种形式：近场焊接和远场焊接。舀前工业上应用最多的2 0 k h z 焊接系统中，将焊头部件界面与焊接面间距离小予6 r n m 的称为“近场焊接，距离大 于6 n u n 的称为“远场焊接 。之所以区分是二者的机理有所差异，2 0 k h z 频率下塑料 件中的波长一般为6 - - 1 3 r n r n ，因此在近场焊接中，焊接面的振幅与焊头表面的振幅接近， 而远场焊接必须考虑波在部件中的传播。 2 。1 超声波焊接装备 图董5 、1 6 为美国b r a n s o n 公司生产的2 0 0 0 斌系列超声波焊接机的实物及原理图。 超声焊接设备改进方面，日本学者j i r o m a mt s u j i n o 1 3 】【1 4 】等研究了高频和双振动系 统，指出这两种方法的焊接效果更好；羹。h o n g o h 等人瑟习还用基频为1 5 0 k h z 的三角信号、 正弦信号以及方波信号作为激励源，试验发现方波激振时的焊接效果最好；b r a n s o n 公 司的d a v i da g r e w e l l 0 6 1 用p c 机和d a 转换卡控制焊接设备完成了振幅压力轮廓( 指 焊接过程中振幄、压力按指定的规律变化) 试验，得出1 ) 采用振幅轮廓待到的焊体存 在较小的残余应力和高的分子杂乱性，焊接强度高2 ) 采用压力轮廓可以使焊接时间降 低2 8 - 4 3 ，对予低模量的材料可以提高焊接强度3 ) 同时采用振幅和压力轮廓可以同 时提高焊接强度和降低所需的焊接时间；国内的哈尔滨工业大学，针对超声波焊接大批 量生产中，由于焊接工艺参数波动，接头质量的一致性差的翔题，提出了超声能量模式 控制技术l l 列，对保证产品质量的稳定性具有重要意义；哈尔滨工业大学还提出了焊接过 程的变压力控制技术h 引，实现整个焊接过程中压力的最佳控制，在焊接熔化过程及保压 凝固的不同阶段给出合适的焊接压力，从而提高了接头的组织性能和外观质量。 大连理工大学硕士学位论文 图15 b r e n s o n2 0 0 0 x f 系列超声波焊接机 f i g15 p h o t o g r a p ho f b r a n s o n2 0 0 0 x f u l t r a s o n i cw e l d e r 引j 鬻。n ? 。 上 斟i ；j 。m - - “t 雷 厂 ”- r 二三 二至 圈16 超声波焊接设备原理图 f i g 16 s c h e m e o f u l t r a s o n i c w e l d i n ge q u i p m e n t 122 超声波塑料焊接机理的研究 自1 9 5 8 年发现超声波的焊接能力以来，超声波焊接技术在诸多领域尤其是塑料焊接 领域得到了广泛应用。但目前的研究主要集中在超声波焊接设备、焊接工艺参数对焊接 质量的表观影响等方面，但对其内在机理的研究却很不透彻，这严重的阻碍了超声键合 技术的发展，成为这一技术发展的瓶颈“”。 目前文献一f | 关于超声波塑料焊接的机理主要有两种观点【”i ：1 ) 类似于金属焊的 摩擦振动机理：认为塑料件的表面被紧密压合，当超声波被引向待焊的塑料表面时，塑 料质点就会被超卢波激发而快速振动，接触表面之间因振动而产生摩擦，使焊接面的温 度升高，直至熔融连接，非焊接面因无法摩擦，温度不会升高，并不受到破坏2 ) 应力 应变的储能及转换机理：认为对于聚合物这类粘弹性体来说，超声波在塑料体中传播产 生机械功，机械功的表现乃式足塑料质点囡振动而引起的连续交替的受压和解压。由粘 弹性材料的本构关系可知，当交变成力施加到材料上时，村料的力加载和卸载曲线并币 塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究 能完全重合而形成一个回路，这个回路所包围的面积就代表材料内所积聚的能量，这是 由于分子的粘滞效应所致，持续的高频交变应力荷载会使材料温度迅速升高。 在焊接过程中，热量直接影响连接面的熔化行为，是焊接过程的直接表征。g 。m e n g e s 等发现热量的产生主要来自分子内摩擦而非界面摩擦田l 。c 。j a l i o s i o 等人1 2 3 】研究了p c ( 聚碳酸酯) 、a b s ( 丙烯腈丁二烯苯乙烯) 和尼龙的矩形导能筋接口形式的超声波 焊接过程，建立了简化的模型并计算了器件内的应变，尽管进行了简化但计算得出的温 舞率与实验吻合的缀好，并发现热量在极短的时闻内帮迅速上舞至玻璃转变温度k 或熔 化温度t f 。d a v i d a o r e w e l l 硒】也指出塑料的损耗模量f 对温升率影响巨大，f 强依赖 于温度，并且在转变温度或熔化温度成倍增长，因而热量一虽被激发，结合面处的温度 将急剧上升，通常可达到1 0 0 0 。c m 还研究了振幅对熔融过程的影响，指邂高振幅将弓l 起高温升率，进而引起熔化时的流速较高，高的熔体流速将导致分子在与压力垂直方向 的排列取向和熔体的不连续，影响焊接质量；同样过低振幅导致各点不同时熔融和熔体 过早凝固。m n 。t 0 l u n a 秽等幽】研究了无导能筋p s ( 聚苯乙烯) 塑料件的超声波焊接，并 研究了焊接参数对焊接质量的影响，全面考虑了焊接的面热和体热并建立了模型，通过 试验指出焊接过程热的来源是面热和体热的总合。这方面研究最多的是美国俄亥俄州立 大学的a v r a h a mb e n a t a r ，在1 9 8 9 年连续发表的3 篇论文f 2 3 冽【2 5 1 ，讨论了热塑性塑料的远 场和近场超声波焊接技术，建立了包括焊头和夹具在内的系统动力学模型，并对产热机 理做了详尽阐述。c j n o n h o f l 2 司研究了超声波焊接过程的变形、能量耗散、材料流动、 热传导和声阻尼，对整个焊接过程做了全面的阐述。 在热的计算方面，由于焊接过程的复杂性，目前的文献在计算时大多基于简化的模 型。e j 。f r a n k e l 等泌l 将之等效为从接触界面到材料内部的一维热传导问题，但实验发现 在材料的玻璃点转变温度t g 附近有温升率增大的现象，而给出的模型并不能与之很好的 吻合；a v r a h a mb e n a t a r 2 5 】和后来的x i a o l i nw a n g 3 0 1 、k s s u r e s h l 3 1 】等都考虑了材料内部 的粘弹性热，但在计算粘弹性热时又进行了不阚程度的简化，尤其是对耗能模量矽的 简化：k + s s u r e s h 等瑟埴接假设f 是温不变的，丽实际是温度和频率的函数；a v r a h a m b e n a t a r 2 5 】用d m a ( 动态力学分析) 方法测试了低频下材料的动态模量，基于“时温等 效性原理平移并夕卜推得到了高频( 2 0 k h z ) 下材料的动态模量，对计算f 具有很好 的借鉴意义。 由前述可以得如结论：要对超声波塑料焊接的热机理提出合理的解释，必须先对聚 合物这种材料的力学特性进行合理的分析，而后分析超声波的加载过程，这样才能得到 令人信服的结果。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容及意义 将超声波焊接技术引入微流控芯片的封装还是近几年的事情。但如前所述，人们对 超声波塑料焊接的机理本身就缺乏了解，因此有必要提出合理的理论对超声波塑料焊接 的机理进行解释，而后基于理论找到各工艺参数对焊接过程和质量的影响规律。细化下 来，本文将要进行如下的工作： ( 1 ) 建立针对聚合物材料的合理的动力学模型 聚合物材料的力学行为较为复杂，在玻璃态呈现普弹性，而在粘弹态又呈现出粘弹 性力学的特性。这就导致在承受周期载荷时，不同温度将对应不同的动力学行为。本文 的一个目标就是找到合理的模型，对聚合物的力学行为和温变特性进行描述。 ( 2 ) 超声波塑料焊接热机理的研究 尽管有文献对超声波塑料焊接的热机理进行了研究，但并不全面。有的文章将之归 结为粘弹性热，但将玻璃态的热源也归结为粘弹性热是不合理的；有的文章考虑了界面 热，但对这个界面热究竟是什么并没有给出合理的解释。本文将借助有限元法，探索超 声波焊接的热的来源，对超声波焊接的热过程进行解释。 ( 3 ) 超声波塑料焊接热过程的仿真研究 ， 通过仿真得到超声波焊接过程中模型的温度场，得到焊接过程的温度升高曲线，并 仿真工艺参数对焊接热的影响。 ( 4 ) 超声波塑料焊接接头温度场的测量 超声波焊接的测量空间有限，且过程迅速，因此要找一种尺寸小、响应速度快的测 量方法。通过比较实测结果和仿真结果的差异，找出前面提出的理论和进行的仿真所存 在的问题。 ( 5 ) 理论分析与微流控芯片超声波键合技术的结合 设计特定形状的导能筋结构，并从理论上分析其可行性。 塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究 2 超声波塑料焊接机理的研究 在超声波塑料焊接中，热是引起导能筋熔融的直接原因，导能筋上的热分布状况 将直接影响材料的熔融流动行为，并间接影响焊接强度，因此研究焊接过程中试件上 的热过程和热分布具有重要的指导意义。但单在焊接热的来源方面，目前的研究领域 中就存在争议。g m e n g e s 等1 2 2 认为热主要来自材料内部的摩擦而非界面摩擦； m n t o l u n a r y 等i z 2 j 通过比较单层塑料板和与之等尺寸的双层塑料板( 图2 1 ) 在焊接过 程中的热分布，发现引入界面后试件中层的温度有较大变化，而1 4 高度处的温度趋势 并无明显改变( 图2 2 ) ，从而说明了试件内部质点的热主要来自材料的粘性耗散，但 在界面热的解释上有些牵强；a v r a h a mb e n a t a r t 2 5 1 指出超声波焊接的热源主要来自粘弹 性热及其热传导，并建立了相应的热力学模型；国内也有学者p 2 】【3 3 3 4 1 1 4 3 将之归结为界 面热和从界面向材料内部的热传导，但均并不能解释界面热的具体成因。 o 0 4 5 。0 0 9 0 a 1 5 m l 幢5 _ 上上 彳1 _ 荽厅号盏点 图2 1单层塑料板( a ) 与双层塑料板( b ) 及其测温点 f i g 2 1 s o l i dd i s k ( a ) a n dt h i n d i s k ( b ) s h o w i n g p o i n tw h e r et h e r m o c o u p l e sw e r ea t t a c h e d 一8 一 一 口刚 ，t 。一 辩呻毒 靴 o l 静0 撼 辨 ” 自 箍l 图2 2 测温点上的温度曲线 删：中点，咖：1 4 高度处 f i g 2 2t e m p e r a t u r et e n d e n c yo nt h ep o i n t s s h o w ni nf i g 2 1 一”，_ 州鬻叫裂嚣嗣篡1 _tt 大连理工大学硕士学位论文 本章首先讨论超声波塑料焊接中的粘弹性热，力求能准确计算粘弹性热，而后讨 论界面热的成因，最终得到超声波焊接中的热源，为后续进行热分布和热过程的仿真 提供理论基础。 2 1聚合物材料的力学模型 首先研究一下聚合物材料。聚合物材料可以被分为两类：热固性塑料和热塑性塑料。 在热固性塑料中，聚合物分子交联，分子链不能移动，不能采用焊接方式连接，只能采 用机械铆接或胶结：在热塑性塑料中，聚合物分子链之间二次化学键结合，可以在外部 的作用下发生移动，当加热时，分子间的作用力被削弱乃至破化后，分子链可以无束缚 地运动和相互扩散。因此连接热塑性塑料的方式除了机械铆接和胶结外，还有熔融粘接 和焊接。热塑性塑料进一步分为无定形热塑性塑料和半结晶热塑性塑料。无定形热塑性 聚合物分子链成无规律排布；半结晶形热塑性聚合物同时具有无定形区和结晶区，无定 形区分子链的排布也是无规律的，结晶区的聚合物分子链排布规则，形成结晶。对于无 定形聚合物，焊接工作温度的临界值是其玻璃化转变温度t 窘，半结晶聚合物焊接工作温 度的临界值是其熔点t m 。本文重点讨论无定形聚合物，如无特殊声明，以下所指聚合 物均指无定形聚合物。 无定形聚合物是典型的粘弹性材料，其典型静力学特征是蠕变和应力松弛，前者是 说聚合物材料在恒应力( 仃= c ) 作用下的应变有随时间逐渐增大的趋势，后者是说在 恒应变( s = c ) 作用下的内应力有随时间逐渐减小的趋势。当受到交变载荷时，聚合 物表现出来的力学特征为动力学特征，其表现为加载和卸载时应力应变曲线的不重叠， 如图2 3 所示。 o 图2 3 聚合物材料的典型动力学特性 f i g 2 3t y p i c a lm e c h a n i cc h a r a c t e ro fp o l y m e r s 塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究 聚合物的静态特征和动态特征间存在必然的联系，动态特征可以用静态特征来进行 表征。 2 1 1 静态松弛模量 有很多力学模型可以用来描述聚合物的粘弹性，本文采用较精确的广义m a x w e l l 模 型( 图2 4 ) ，该模型可以把聚合物的松弛模量e ( t ) 展成n 阶p r o n y 级数的形式，每个 m a x w e l l 单元可看作是计及了不同长度分子片断对松弛的贡献，当n o o 时理论上可以 用来准确表述聚合物的应力松弛行为。 图2 4 广义m a x w e l l 模型 f i g 2 4 g e n e r a l i z e dm a x w e l lm o d e l 根据上述模型，静态松弛模量e ( t ) 表示为 n i z ( t ) = = e i 。f + e i e 一7 7 ( 2 1 ) i = l r i = e i ( 2 2 ) 松弛模量一般通过拉伸实验获得，但由于聚合物在常温下的松弛过程较长( 几年甚 至几百年) ，一般的做法是在较高的几个温度点下测得松弛曲线的片断，而后按照“时 一温等效性原理 平移得到特定温度( 一般取为玻璃点转化温度t g ) 下时间跨度很大的 一条主曲线。 2 。1 2 时一温等效性原理 温度对粘弹性响应有显著的影响，在实际工作中，也常常需要根据温度的变化对粘 弹性分析作出调整。这种对温度的强依赖性也可使实验具有特色：比方说，如果粘弹性 转变发生得太快，为了容易测量，实验者可以降低温度以减慢其转变过程，或者粘弹性 大连理工大学硕士学位论文 发生得太慢，可以升高温度以加快其转变过程。简单说，对同一个力学松弛现象，升高 温度与延长观察时间是等效的，这就是“时温等效性原理”【3 5 1 。 在某些聚合物中，尤其像聚异丁烯和其他无定形聚合物之类的“简单”材料中，其 微观结构没有什么复杂的特征，时间和温度的关系可以用相对应的简单模型来描述，这 类材料称为“热流变性简单”材料。用于制备微流控芯片的p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲 酯) 就属于这类材料。 根据“时- 温等效性原理”，对于“热流变性简单材料，升高温度的影响只是将 粘弹响应曲线( 时间轴为对数坐标) 向左平移而不改变形状。这一原理的重要应用就是 由取自一定温度范围的一系列短时的蠕变或松弛数据，通过水平平移变换为一条“主曲 线。选择某一特殊的曲线为参考曲线，然后将其他曲线按一定的规则水平平移，就可 以得到在对数时间轴上跨度很宽的一条曲线，如图2 5 。每条曲线都有自己的平移量， 定义为“时间- 温度平移因子”l g a t ，它是温度的函数，并定义曲线左移为正，右移为负。 c i 卿f ， i o 客， 1 0 8c t a 7 一 图2 5 通过时间一温度平移因子进行叠加得到主曲线 f i g 2 5s u p e r p o s i n gt h es h o r t - t i m ec r e e p i n gc u r v e st og a i nt h em a s t e rc u l n eu s i n g t i m e - t e m p e r a t u r es h i f t i n gf a c t o r j f m a n 0 1 3 6 在文献中给出了平移因子l 鹊t 的完整表达式，指出在低于玻璃态转变温 度的次转变温度范围内应用a r r h e n i u s 方程，而在玻璃态到橡胶态的主转变温度范围内 应用半经验的w l f 方程，即 r l g 口r = _ l 盖23 0 3 r ( 争专 嘲 e f 1 11个，下 irzj 5 一掣t r 乃+ 1 0 0 c 2 + 7 一乙 56 ( 2 3 ) 塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究 式中：l g qt 温度t 下的松弛曲线相对温度t g 下的松弛曲线在对数时间轴上的平移量； t 。一玻璃态转变温度； a e 松弛过程所需活化能； r - 气体常数，r = 8 31 4 5 j m o l k ： c l 、c 2 w l f 方程的常数。 下面以聚合物p m m a 在不同温度下的松弛曲线片断3 7 1 ( 图2 6 ) 为基础，讨论上述 平移方程的正确性，必要时将对方程进行适当的修改。 t i m e s 图2 6p m m a 在不同温度下的松弛曲线片断 f i g 2 6 r e l a x a t i o nc i , i r v s e g m e n t so fp m m au n d e rv a r i o u st e m p e r a t u r e s p m m a 的松弛转变温度及对应的活化能和分子运动机理如下表【3 8 】所示。 表2 1p m m a 的松弛转变参数 t a b2 1p a r a m e t e r so f r e l a x a t i o nt r a n s i t i o no f p m 瓜嗄a 仅考虑伐松弛时有a e = a e a = 3 3 5 k j m o l ，仅考虑松p 松弛时取a e = a e p = 1 2 0 k j m o l ；w l f 方程的参数联 人- - 4 甩 - h 3 7 中取为c l = 3 4 ，c 2 = 8 0 cp m m a 的玻璃态转变温度取为t g - 1 0 5 大连理工大学硕士学位论文 。代入式( 2 3 ) 便可得到平移因子l g qt 的表达式，表示成曲线如图2 7 。按照所得 平移因子的表达式对p m m a 的松弛曲线片断进行平移的结果如图2 8 和2 9 所示。 温度( ) 图2 7 平移因子 f i g 2 7 c u r v eo fs h i r i n gf a c t o r s 图2 8 松弛曲线片断及平移后的主曲线，活化能e 取q 松弛的活化能e 。 f i g 2 8 r e l a x a