超声波键合压力自适应平衡装置设计与实验研究

周利杰 郝瑞林 蔡国庆 刘 辉 宿世界

1.河北水利电力学院机械工程系,沧州,0610012.河北水利电力学院河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心,沧州,0610013.大连理工大学辽宁省微纳米及系统重点实验室,大连,116024

0 引言

即时检测(point-of-care testing, POCT)指在患者旁边或者床旁进行的临床医学检验,可在现场利用便携式分析仪器、检验装置和试剂快速得到检验结果[1],具有操作简单、等待时间短、标本用量少、仪器小型化的优点[2]。即时检测芯片是即时检测技术的应用载体,已经应用于医疗保健[3]、标志物检测[4]、精准农业[5]、食品安全[6]、军事医疗[7]等领域。超声波键合是利用汇聚的短时超声能量使聚合物局部结构熔融,待冷却固化后实现芯片连接的技术,具有效率高、强度高、无需中间介质、生物兼容性好的优点,是实现即时检测芯片批量生产的有效途径之一[8]。在超声波键合过程中,焊头与待键合芯片的平行度对芯片的键合精度、键合均匀性和微通道的高度有着显著影响,不良的键合质量会降低即时检测芯片在后续生化检测过程中的稳定性和准确度,因此必须对焊头和芯片进行精密调平。调平技术主要可分为主动式调平和被动式调平[9]。主动式调平是预先利用传感器测量平行度,然后利用精密驱动机构调整平台姿态,系统较复杂,成本较高[10]。被动式调平是利用弹性元件受压后所产生的形变,使平台姿态被动调整,从而减轻压力不均衡现象[11]。弹性元件主要采用柔性铰链[12]、橡胶[13]、气囊[11]等。被动式调平方法结构简单可靠、适应性强、成本较低[14],是即时检测芯片键合过程中主要采用的方法之一。LEE等[15]利用球副和负压系统设计了一种自适应夹具,利用球副调整夹具的姿态,利用真空系统锁紧夹具。LI等[13]利用硅橡胶设计了一种自适应夹具,通过硅橡胶的弹性形变调整夹具上板的姿态,从而实现键合压力均匀。刘冲等[16]利用球副和球面锁紧箍设计了一种压力自平衡夹具,焊头的不平衡压力驱动球副转动,使芯片和焊头压力平衡。田芳等[11]设计了一种自调平系统,利用压缩气体将球面调平结构浮起,减小球面副转动所需的力矩。综上所述,利用弹性元件进行自适应调平在一定程度上能够提高键合精度和均匀性,但是无法从本质上实现压力平衡,仍然存在形变大的地方压力大、形变小的地方压力小的现象;利用球副和锁紧装置进行调平能够在一定程度上得到较好的键合质量,但是忽视了球副转动产生的静摩擦力矩的影响,同时对于尺寸一致性较差的芯片,需要多次调平和锁紧操作,效率不高。

本文设计了压力自适应平衡装置,当压力不平衡时,迫使压力大的气缸内的气体向压力小的气缸内流动,从而使装置姿态自适应调整,同时利用封闭空气的弹性支撑降低静摩擦力矩产生的影响,实现焊头与待键合芯片的压力均匀,能够有效提高键合均匀性、键合精度和生产效率。

1 压力自适应平衡装置的设计

1.1 压力自适应平衡装置结构设计

本文设计的超声波键合压力自适应平衡装置如图1所示,装置的全抛结构如图2所示。该装置主要由底板、转盘支架、气缸支架、气缸、转盘、支撑柱、关节轴承、气管、四通接头等部件组成。4个气缸通过气管和四通接头形成互通的密闭空间,该空间内填充一定体积的空气。气缸支架、气缸、转盘支架、转盘、支撑柱和关节轴承组成一组支撑结构,该装置由4组完全相同的支撑结构实现对上板的支撑,每组支撑结构间隔90°,并呈圆周阵列。

1.关节轴承 2.支撑柱 3.转盘 4.气缸 5.气缸支架 6.转盘支架 7.底板 8.上板 9.气管 10.四通接头图1 压力自适应装置结构图

1.关节轴承 2.支撑柱 3.转盘 4.气缸 5.气缸支架 6.转盘支架 7.底板 8.上板 9.气管 10.四通接头 11、12.滚针轴承 13.滚珠轴承 14.封闭空气图2 压力自适应装置全抛图

超声波键合压力自适应平衡装置在不考虑封闭空间内气体被压缩的情况下,在OXZ平面的机构简图见图3。该装置包含9个可动构件、11个转动副和2个移动副,其中转动副R2是由OYZ平面内的转盘和支撑柱所形成的铰链约束,关节球副可以在OXZ平面等效为2个转动副,即R1和R3。该装置在OXZ平面的自由度计算如下:

F=3N-(2pl+ph)=3×9-2×13=1

(1)

式中,N为活动构件个数;pl为低副个数;ph为高副个数。

图3 OXZ平面机构简图

计算得出该装置在OXZ平面含有1个自由度,同理可得该装置在OYZ平面内含有1个自由度,同时考虑封闭空间内气体被压缩的情况,上板可沿Z轴上下运动,因此该装置在空间内的总自由度为3,分别为绕X轴的旋转自由度、绕Y轴的旋转自由度和沿Z轴上下运动的自由度。当上板压力不平衡时,该装置能够调整上板空间姿态,从而使上板压力平衡。该装置的相关尺寸为:lAB=273 mm,lAH=60 mm,lHG=lGF=15 mm,气缸可移动距离为15 mm。进行运动学分析,可得上板绕X轴和Y轴的空间可转动角度为6°。

1.2 压力自适应平衡原理分析

即时检测芯片的超声波键合过程可分为焊头下压、压紧保持、超声振动和焊头上抬4个步骤。当焊头下表面和待键合芯片不平行时,如图4a所示,在压紧保持步骤中会导致待键合芯片压力不均匀,在后续的超声振动步骤中,高频机械振动使芯片导能筋在高速摩擦和压力的作用下熔化,所受压力大的导能筋熔化量大,所受压力小的导能筋熔化量小,最后导致芯片微通道尺寸不均匀和局部位置键合强度低的情况。在定量生化检测中,微通道内稳定的流速对生化检测稳定性和可靠性较为重要,微通道的尺寸和形貌直接影响着微通道内部流体的流动速度[17-18],因此在超声波键合过程中需要保证芯片具有较高的键合精度和微通道尺寸的一致性。

利用超声波键合压力自适应平衡装置进行键合的过程如图4b所示,超声波焊头下压与芯片局部接触后会将压力传递至气缸,4个气缸内部的气体压力开始出现不均衡,在焊头继续下压到压紧保持的过程中,压力大的气体流向压力小的气缸内,迫使上板调整空间姿态,直到焊头与芯片表面完全接触后,4个气缸内部的气体压力相等,从而实现超声波焊头与待键合芯片表面的压力均匀。气体的摩擦阻力较小,可以有效降低上板在调整空间姿态过程中的运行阻力。另外在上板完成空间姿态调整后,气缸活塞和关节轴承会有一定的静摩擦力,所产生的力矩会对键合压力均匀性产生不良影响。4个气缸内部封闭的气体具有一定的可压缩性,能够在键合过程中对上板提供弹性支撑,能够减小静摩擦力矩对键合压力均匀性产生的不良影响。

(a)使用无调平功能的装置进行超声波键合的过程

(b)使用压力自适应平衡装置进行超声波键合的过程图4 超声波键合过程的对比分析

2 实验研究与结果

2.1 压力分布均匀性实验

键合压力的平衡效果可以通过压力分布均匀性来体现,本实验采用FUJIFILM公司的微压型(4LW)压力测量胶片作为压力测量元件,该胶片由感压胶片和粗糙胶片组成,感压胶片上分布有细小的微囊,当压力作用于胶片上时,粗糙胶片会使感压胶片的微囊破裂,从而在胶片上显现红色,颜色越深表明压力越大,通过颜色的深浅和位置分布可以分析键合压力的均匀性。为消除芯片的形状误差给实验带来的干扰,实验采用平整度较好的平板玻璃代替芯片,并将平板玻璃切割为100 mm×20 mm。实验设置对照组和实验组,对照组采用无调平功能的夹具,通过手动调整焊头的姿态,并利用塞尺不断测量,使焊头一端与平板玻璃产生约100 μm的间隙,焊头另一端与平板玻璃接触,从而模拟焊头与芯片表面不平行的状态。实验组使用本文设计的键合压力自适应平衡装置。实验过程中,逐渐提高键合压力F并观测压力测量胶片的颜色分布,保压时间均采用20 s。实验结果如图5所示。

图5 压力测量胶片颜色分布

由图5可知,使用本文设计的键合压力自适应平衡装置得到的胶片颜色分布更均匀,键合压力均匀性较好。为定量分析胶片的压力均匀性,本文将胶片转换为灰度图像,并定义了压力分布均匀性系数:

(2)

式中,pi为图像任意一点像素i的灰度值;p′i为像素i关于胶片中心对称像素点的灰度值;n为图像像素点的总数。

该系数计算胶片所有像素点与其中心对称像素点的灰度值绝对差值的平均值,取值范围为0～255,取值越小表明胶片颜色分布越均匀,同时表明键合压力分布越均匀。对照组和实验组的压力分布均匀性系数如图6所示。

图6 压力分布均匀性系数折线图

由图6可知:①随着键合压力的增大,对照组(无调平功能)的压力分布均匀性系数逐渐增大并在27～29的范围内趋于稳定,说明压力均匀性逐渐恶化并稳定;②实验组(压力自适应平衡)的压力分布均匀性系数始终处于8～11的范围,说明压力均匀性较稳定且明显优于无调平功能的对照组,相比于对照组,实验组压力分布均匀性系数降低约50%～72%。

2.2 键合实验与键合精度测量

为得到键合实验所需的芯片,制作了硅模具,并使用有机玻璃(PMMA)板和热压机制作了芯片的基片,芯片的盖片采用PMMA平板,芯片尺寸为69 mm×15 mm,芯片基片和键合前的芯片截面扫描电镜照片如图7所示。

图7 实验芯片和截面

键合实验所使用的设备和本文设计的超声波键合压力自适应平衡装置如图8所示,该设备最大键合压力为1500 N,时间调整步长为0.01 s,超声振动频率为20 kHz,最大输出功率为2000 W。键合实验仍然设置了对照组和实验组,对照组采用无调平功能的夹具固定芯片,并使焊头一端与芯片产生约100 μm的间隙,焊头另一端与芯片接触,以模拟焊头与芯片表面不平行的状态;实验组使用本文设计的键合压力自适应平衡装置固定芯片。实验组和对照组采用相同键合参数:键合压力300 N;超声振动时间0.05 s;保压压力300 N;保压时间5 s;超声振幅60 μm。键合后的芯片如图9所示。

图8 超声波键合装置

图9 超声波键合后的芯片截面和熔接线

由图9可知,采用无调平功能的对照组在键合过程中出现了导能筋熔接不足和熔接过度的情况,导能筋熔接后形成的熔接线宽度差别大,微通道高度不均匀;采用键合压力自适应平衡装置的实验组在键合过程中导能筋熔接较均匀,熔接线宽度较一致,微通道高度较均匀。实验表明,键合压力自适应平衡装置具有较好的键合压力平衡能力。

为进一步分析键合压力自适应平衡装置的效果,需要测量键合后芯片的微通道高度h和熔接线宽度w,微通道高度测量点和熔接线宽度测量点的分布如图10所示,测量点的选取主要围绕芯片轴向的微通道展开,其中H1～H10为微通道高度测量点,W1～W21为熔接线宽度测量点。采用奥林巴斯工具显微镜(分辨力0.1 μm)测量,测量微通道高度时将芯片按照测量点截断,并打磨清洗后进行测量。对照组和实验组均测量10片,测量结果如图11和图12所示。

图10 微通道高度和熔接线宽度测量点分布图

图12 熔接线宽度测量折线图

对测量点的数据进行分析可得,对照组芯片键合后微通道高度变化较大,微通道高度峰峰值为33.9 μm,标准差为12.4 μm,且熔接线宽度变化较大,熔接线宽度峰峰值为724.9 μm,标准差为217.3 μm;实验组芯片键合后微通道高度变化较小,微通道高度峰峰值为1.3 μm,标准差为0.4 μm,熔接线宽度峰峰值为23.3 μm,标准差为8.0 μm;相比于对照组,使用本文设计的压力自适应平衡装置能够将微通道高度峰峰值减小96.2%,标准差减小96.8%,熔接线宽度峰峰值减小96.8%,标准差减小96.3%。实验结果表明,本文设计的键合压力自适应平衡装置具有较好的键合效果,对微通道高度和熔接线宽度的键合精度和均匀性有着显著作用。

为了进一步研究压力自适应平衡装置对不同尺寸芯片超声波键合的适应性,通过逐渐减小芯片尺寸,开展了键合实验并测量键合后微通道的高度。实验过程中,将热压完成的基片沿长度方向在9～69 mm的范围内以10 mm的步长切割为不同规格尺寸的片段,芯片宽度保持不变(15 mm)。使用本文设计的压力自适应平衡装置固定芯片,并利用塞尺在芯片的同一端调整出约500 μm的间隙。所有芯片片段采用相同的键合参数:键合压强0.28 MPa;超声振动时间0.05 s;保压压强0.28 MPa;保压时间5 s;超声振幅60 μm。芯片键合完成后沿长度方向均匀测量6点的微通道高度值,结果如图13所示。

图13 不同尺寸的芯片微通道高度测量折线图

由测量结果可知,芯片长度l在19～69 mm的范围内,芯片尺寸的减小对键合后微通道高度的影响不显著,69 mm长度的芯片微通道高度峰峰值为1.3 μm,19 mm长度的芯片微通道高度峰峰值为1.9 μm,显现出本文设计的压力自适应平衡装置对长度l为19～69 mm的芯片具有较好的适应性;当芯片长度减小为9 mm时,键合后微通道高度出现显著的变化,9 mm长度的芯片微通道高度峰峰值为5.9 μm。出现这种情况的主要原因为:随着芯片尺寸的减小,保持0.28 MPa的键合压强所需的键合压力逐渐减小,导致焊头在接触芯片一端时施加给压力自适应平衡装置上板的驱动力减小。同时随着芯片尺寸的减小,驱动力作用点逐渐靠近上板中心点,驱动上板调整空间姿态所需的驱动力逐渐增大。当芯片尺寸小于一定值后,键合压力形成的驱动力矩小于上板调整空间姿态所需克服的静摩擦力矩,上板无法有效调整姿态,只能利用压力自适应平衡装置的弹性支撑缓解压力不平衡,从而导致芯片微通道高度均匀性的下降。

2.3 超声振子谐振频率和阻抗的测试与对比

超声波键合设备常采用刚性较大的金属夹具固定待键合芯片。本文设计的压力自适应平衡装置能够提供弹性支撑,在Z轴方向刚性较小,应用于超声波键合可能会导致超声振子的谐振频率和阻抗发生变化,甚至影响键合设备正常工作,因此,本文对超声振子进行了谐振频率和阻抗的测试与对比。

实验过程中对照组采用实心不锈钢夹具固定芯片,实验组采用本文设计的压力自适应平衡装置固定芯片,使用阻抗分析仪测量超声振子在不同键合压力F下的谐振频率fs、反谐振频率fp、最小阻抗模值Zmin和最大阻抗模值Zmax,测试结果如图14和图15所示。

图14 超声振子谐振频率对比

图15 超声振子阻抗对比

由测试结果可知,使用压力自适应平衡装置与使用不锈钢夹具,在相同键合压力下,谐振频率fs、反谐振频率fp、最小阻抗模值Zmin和最大阻抗模值Zmax均相差较小,谐振频率fs和反谐振频率fp最大差值均为2 Hz,最小阻抗模值Zmin和最大阻抗模值Zmax的差值均不超过3.5%。因此,使用本文设计的压力自适应平衡装置不会对原有键合设备的超声振子系统产生较大影响。

3 结论

针对即时检测芯片在超声波键合过程中对高键合均匀性和高键合精度的要求,设计了键合压力自适应平衡装置,该装置可自适应地调整上板的空间姿态,同时降低静摩擦力矩对键合压力均匀性产生的不良影响,主要结论如下:

(1)该装置能够降低压力分布均匀性系数约50%～72%,显著提高了键合压力均匀性。

(2)在超声波键合过程中,对于69 mm×15 mm的芯片,该装置能够将微通道高度峰峰值控制在1.3 μm,将熔接线宽度峰峰值控制在23.3 μm;与对照组相比,能够将微通道高度峰峰值减小96.2%,标准差减小96.8%,熔接线宽度峰峰值减小96.8%,标准差减小96.3%;对长度为19～69 mm的芯片具有较好的适应性,微通道高度峰峰值能够控制在1.9 μm;当芯片长度减小为9 mm时,该装置的适应性变差,键合后微通道高度峰峰值下降到5.9 μm。该装置对长度为19～69 mm芯片的微通道高度和熔接线宽度的键合精度和均匀性有着显著作用。

(3)使用本文设计的压力自适应平衡装置不会对原有键合设备的超声振子系统产生较大影响。对比使用压力自适应平衡装置与使用不锈钢夹具,在相同键合压力下,谐振频率fs和反谐振频率fp最大差值均为2 Hz,最小阻抗模值Zmin和最大阻抗模值Zmax的差值均不超过3.5%。