【微流控·博士公开课】微注塑模芯制造技术大揭秘：聚合物微流控芯片加工技术（中）

原创 Wendell 含光微纳

公开课介绍

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本期作者

Wendell

北京大学博士，研究方向MEMS微加工，在国际顶级mems、transducers会议上发表多篇文章，欧洲访学归国，专注微成型领域5年以上。

上回说到，以微注塑为代表的聚合物批量加工技术是微流控芯片最具有量产前景的技术，而微注塑成型的基础在于带有微结构的模芯制造，本文将比较现有的微模芯加工技术，并进行总结与比较。

聚合物模具

使用高温聚合物可以作为低温聚合物成型的模具，优点是成本低，但由于强度不高，使用寿命受限。

实际应用中有以下几种类型：

1.1. SU-8光刻

SU- 8光刻胶是一种环氧型的、近紫外光负光刻胶，是一种可以光固化的环氧树脂，用于制超厚、高深宽比的MEMS微结构。由于其低成本和与MEMS工艺兼容，在实验室得到了大量应用。

针对SU-8模具强度不足的问题，Yaxi Fan等人通过金属镀层以及防粘连表面修饰的办法提高表面硬度，提高模具寿命（如图1）。

图1 光刻SU-8模具的表面处理

1.2. 浇注环氧树脂模具

环氧树脂除了可以紫外光固化，还有可以热固化的类型，使用浇注工艺可以从原始模具制造环氧树脂模具（如图2），浇注工艺的优势还在于为了提高硬度，可以方便掺杂粉末物质，如ZrO2（如图3），提高模具寿命。

图2 浇注环氧树脂模具

图3 ZrO2掺杂对于环氧树脂维氏硬度的影响

1.3. PDMS模具

PDMS在MEMS软光刻、纳米压印工艺中经常作为软模板使用，亦有研究直接用于热压印，但由于该材料的高弹性，对压力控制要求较高，尺寸精确度受到很大影响。由于其低廉的成本和灵活性，实验室中应用较广。

Jin-Hwan Lee等人应用SU-8与AZ4620光刻胶结合形成不同高度的模板，利用PDMS浇注形成具有高度差的软模具，用于压印COC微流控芯片（如图4）。

图4 PDMS软模具压印结果

1.4. PEEK模具

由于PEEK材料具有很高的强度和刚度，可以用于模具材料，使用聚合物材料模具的一大优势在于模具本身可以用成型方法得到，对于某些不易加工的结构来说具有相当的优势(如图5)，传统机加工不好加工的微结构可以通过加工其相反的结构，热压成型PEEK模具，再进行注塑成型得到需要的聚合物微结构。

图5 聚合物做模具的优势

由于PEEK材料相比PDMS和环氧树脂使用温度更高，可以用于注塑成型，通过镶嵌技术组装到注塑模具，对于低温材料如PP等寿命尚可，但是如果应用在PC、COC等高温中，熔体温度已经接近PEEK使用温度的极限，因此容易造成模具损伤等问题(如图6)。

图6 经过注塑后的PEEK模具表面

硅、氧化硅、陶瓷等脆性模具

脆性材料抗压强度远远大于抗拉强度（大几倍至几十倍），不能承受振动和冲击荷载，也不宜用做受拉构件，只适用于作承压构件。因此适合作为压印模具，而不适用于注塑成型。

硅由于成熟的MEMS工艺是最容易做到微结构的材料，DRIE技术可以方便的用于加工高深宽比微结构，但其扇贝形(Scallop)侧壁形貌可能对脱模造成影响。

也有使用硅模具进行注塑成型的研究，如Sung-Hwan Yoon等人研究了硅模具表面处理提高高温聚合物熔体润湿性以提高高深宽比结构填充效果，通常应用在实验室研究以降低成本。

石英（氧化硅）亦可以采用刻蚀等方法完成加工，通常采用各向同性湿法刻蚀(如图7)，可用于微流控芯片的压印。

图7 石英玻璃模具加工

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金属模具

金属是传统注塑成型工艺模具材料的选择。具体到微加工领域有以下的加工方法：

3.1. 基于LIGA/UV-LIGA工艺的电镀模具

LIGA（缩写自德文Lithographie Galvanoformung Abformung英文为Lithography, Electroplating, and Molding，中文为光刻、电铸与微成形，简称为深刻电铸模造）工艺：一般是指通过软 X 射线光刻，加之金属镍电铸成型的一种微细加工途径，后期又发展了基于深紫外光刻及其他金属如铜的电镀工艺。

基于LIGA/UV-LIGA工艺得到的镍及镍基合金电铸模具是目前微注塑领域应用最广的技术，其基本流程（如图8），优势在于可得到精细的线条精度与很高的深宽比（图9）。