王鳳偉，孟令鳳，宛瑛澤，鄒赫麟

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引言

近年來(lái)，噴墨打印技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)從傳統(tǒng)的圖像打印逐漸擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，如柔性集成電路打印[1-3]、紡織數(shù)碼印刷[4]、3D打印技術(shù)[5-7]、生物醫(yī)學(xué)芯片印刷[8-9]和太陽(yáng)能電池板印刷[10]。噴墨腔室作為儲(chǔ)墨和供墨的結(jié)構(gòu)，是噴墨打印頭的核心部件之一，對(duì)墨水的壓力波傳導(dǎo)和墨滴的形成具有重要作用。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的噴射，制備符合噴墨要求的腔室具有重要意義。

目前噴墨腔室的鍵合工藝方法主要有膠粘鍵合、硅硅高溫鍵合、硅硅低溫鍵合、熱鍵合、干膜層壓鍵合等。Shen等[11]結(jié)合微電鑄和微注塑工藝制作噴墨打印頭的開(kāi)放腔室，再通過(guò)膠粘鍵合的方法將開(kāi)放腔室與發(fā)熱元件組合在一起，得到熱氣泡式噴墨打印頭。這種工藝可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，但是在膠粘過(guò)程中黏結(jié)劑容易造成流體通道堵塞。Kim等[12]利用高溫硅硅鍵合的方法制作一體化的噴墨腔室，先在兩個(gè)硅片上刻蝕出微通道，然后在1 200℃的高溫下進(jìn)行硅與硅的鍵合。這種工藝鍵合時(shí)經(jīng)過(guò)高溫1 200℃，容易造成結(jié)構(gòu)損壞。翟彥昭等[13]采用硅硅低溫直接鍵合的工藝制作集成的壓電式噴墨腔室，通過(guò)干法刻蝕技術(shù)分別制作上下腔室結(jié)構(gòu)，再直接低溫鍵合。這種方法制作的腔室具有較高的鍵合強(qiáng)度，但是在鍵合時(shí)對(duì)準(zhǔn)精度不高。He等[14]采用了聚合物SU-8制作一體化的壓電式噴墨腔室，先在開(kāi)放腔室熱鍵合一層薄的未交聯(lián)SU-8膠層后紫外曝光使之交聯(lián)，再鍵合厚SU-8膠層來(lái)避免熱鍵合過(guò)程中腔室和限流部堵塞問(wèn)題。由于熱鍵合時(shí)使用的是未交聯(lián)的SU-8膠層，容易使薄SU-8膠層彎曲變形，導(dǎo)致后續(xù)光刻制作的噴孔形狀是發(fā)散的，不利于墨滴噴射。智麗莎等[15]采用了干膜層壓的方法鍵合SU-8聚合物腔室，工藝簡(jiǎn)單，對(duì)準(zhǔn)精度高，但是在層壓鍵合后曝光，由于層壓過(guò)程中干膜易發(fā)生變形，導(dǎo)致光刻時(shí)通孔較少，效率降低。

在本文中，提出了一種結(jié)合光刻和熱鍵合工藝制作壓電噴墨腔室的方法，并且研究了制作工藝對(duì)鍵合質(zhì)量的影響。首先在硅基底上制作出SU-8開(kāi)放腔室；然后在玻璃-聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上旋涂SU-8 2075光刻膠，采用合適的曝光量進(jìn)行光刻，得到噴孔板；最后熱鍵合開(kāi)放腔室和噴孔板，得到壓電噴墨腔室。本文優(yōu)化了曝光量、氧等離子體處理參數(shù)以及鍵合參數(shù)，最后測(cè)試的壓電噴墨腔室的鍵合強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 噴墨腔室結(jié)構(gòu)

圖1所示為設(shè)計(jì)的壓電噴墨打印頭的結(jié)構(gòu)，主要包括壓電驅(qū)動(dòng)器、振動(dòng)板、噴墨腔室。噴墨腔室由供墨通道、限流部、開(kāi)放腔室和噴孔板組成，其中一體化腔室是通過(guò)紫外光刻技術(shù)和熱鍵合的方法制作的。

圖1 壓電噴墨打印頭結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

SU-8 2075（MicroChem Corporation，Newton，MA，USA）用來(lái)制作聚合物開(kāi)放腔室和噴孔板；勻膠機(jī)（KW-4A，中科院）；光刻機(jī)SUSSMA6（SUSSMicro-Tec，UK）；丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA，MicroChem Corporation，Newton，MA，USA）作為SU-8光刻膠顯影液；噴孔板的基底材料為1 mm的玻璃和聚二甲基硅氧烷（PDMS，Dow Corning184），PDMS預(yù)聚體和固化劑按照10∶1的比例混合，在真空烘箱中抽取混合時(shí)產(chǎn)生的氣泡，升溫至85℃保持2 h；電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-0AB型）；光學(xué)顯微鏡（Olympus STM6，Japan）。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

本文選擇SU-8作為開(kāi)放腔室和噴孔板的材料，SU-8是一種環(huán)氧基負(fù)性光刻膠，由于在近紫外光范圍內(nèi)光吸收系數(shù)較低，光敏性較好，具有較好的熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性[16]。因此，采用光刻技術(shù)制備高深寬比的開(kāi)放腔室，結(jié)合熱壓鍵合噴孔板的方法制作封閉的噴墨腔室。

噴墨腔室的制作工藝流程如圖2所示。首先在帶有振動(dòng)元件的硅基底上制作開(kāi)放腔室，由于SU-8光刻膠與Si基底的熱膨脹系數(shù)相差較大，因此在旋涂SU-8之前先以2 600 r/min的速度旋涂一層厚度約5μm的BN308光刻膠，作為緩沖層。然后在BN308基底上旋涂一層厚度約90μm的SU-8 2075光刻膠，低速600 r/min、9 s，高速2 000 r/min、30 s，如圖2（a）所示，置于熱板上采用階梯烘的方法進(jìn)行前烘，65℃、30 min，70℃、10 min，75℃、10 min，80℃、10 min，85℃、30 min后緩慢降至室溫，防止應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生裂紋。利用光刻機(jī)以350 mJ/cm2的劑量用腔室掩模對(duì)SU-8層進(jìn)行曝光，如圖2（b）所示，在85℃下烘10 min后，曝光區(qū)域被完全交聯(lián)，未曝光區(qū)域由SU-8顯影劑PGMEA顯影5 min后去除，形成開(kāi)放腔室，如圖2（c）所示。玻璃-PDMS在丙酮、乙醇和去離子水處理后在85℃熱板上烘30 min，去除殘留水分，如圖2（d）所示。在玻璃-PDMS基底上旋涂一層厚度約45μm的SU-8 2075光刻膠，如圖2（e）所示，置于熱板上采用階梯烘的方法進(jìn)行前烘，65℃、30 min，70℃、10 min，75℃、10 min，80℃、10 min，85℃、30 min后隨爐冷卻，隨后利用掩膜版對(duì)SU-8層曝光，如圖2（f）所示，采用鄰近式曝光，以得到錐形噴孔，曝光劑量110 mJ/cm2，70℃熱板上加熱10 min，使光刻膠曝光區(qū)域交聯(lián)。在PGMEA中顯影3 min去除未曝光的SU-8光刻膠，得到噴孔板，如圖2（g）所示。將開(kāi)放腔室與噴孔板在顯微鏡下對(duì)準(zhǔn)，如圖2（h）所示，然后施加120 kPa的壓力，放在85℃的烘箱中加熱12 min，如圖2（i）所示。鍵合過(guò)程結(jié)束后，輕輕取下玻璃-PDMS基底，噴孔板轉(zhuǎn)移至開(kāi)放腔室上，形成封閉腔室，如圖2（j）所示。將封閉腔室置于300 mJ/cm2曝光量下再次曝光，并在85℃熱板上烘5 min，得到完全交聯(lián)的噴墨腔室。

圖2 噴墨腔室的制作工藝流程

1.4 鍵合強(qiáng)度測(cè)試

SU-8主要由溶質(zhì)（雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂）、溶劑和10%的光引發(fā)劑3種成分組成，圖3所示為SU-8光刻膠的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，每個(gè)SU-8光刻膠分子包含8個(gè)環(huán)氧基和8個(gè)芳族基，當(dāng)進(jìn)行紫外曝光時(shí)，光刻膠中的光引發(fā)劑吸收光子，分解并產(chǎn)生強(qiáng)酸，在后烘過(guò)程中，SU-8光刻膠在強(qiáng)酸的催化下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，環(huán)氧基打開(kāi)，與其他環(huán)氧基反應(yīng)，由短鏈變長(zhǎng)鏈，形成致密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)采取不同的曝光量時(shí)，SU-8光刻膠的交聯(lián)程度不同[17]，噴墨腔室的鍵合強(qiáng)度也不同。

圖3 SU-8光刻膠的結(jié)構(gòu)

為了表征鍵合質(zhì)量，利用推拉力計(jì)（HF-50，ABE Aibo Instrument Co.，USA）測(cè)量鍵合強(qiáng)度。鍵合強(qiáng)度指的是SU-8開(kāi)放腔室和噴孔板粘結(jié)界面所能承受的最大應(yīng)力。在噴墨時(shí)，腔室內(nèi)墨水不斷沖擊噴孔板，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，噴孔板受到的最大瞬時(shí)沖擊力為0.31 MPa。圖4所示為使用推拉力計(jì)測(cè)量鍵合強(qiáng)度的示意圖。將測(cè)試芯片固定在推拉力計(jì)上，施加拉力直至鍵合界面斷裂，獲取斷裂時(shí)的最大拉力，根據(jù)鍵合面積計(jì)算得到鍵合強(qiáng)度。

圖4 測(cè)量鍵合強(qiáng)度

2 結(jié)果與討論

2.1 不同曝光量對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響

SU-8光刻膠的交聯(lián)程度隨曝光量和后烘參數(shù)（溫度和時(shí)間）的變化而變化。曝光劑量越大，產(chǎn)生的強(qiáng)酸越多，后烘參數(shù)的增加，醚基的形成速率增加，交聯(lián)程度增大[17]。在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)相同厚度噴孔板采取了不同的曝光量來(lái)獲得不同的交聯(lián)程度，噴孔板曝光量分別為50 mJ/cm2、100 mJ/cm2、200 mJ/cm2、300 mJ/cm2、400 mJ/cm2，后烘參數(shù)為65℃、10 min，顯影后得到不同交聯(lián)程度的噴孔板。將噴孔板鍵合至開(kāi)放腔室后，測(cè)量鍵合強(qiáng)度。

圖5所示為不同曝光量下腔室的鍵合強(qiáng)度變化曲線，可以看出，曝光量小的噴孔板，噴墨腔室鍵合強(qiáng)度大，也就是噴孔板交聯(lián)程度越小，鍵合強(qiáng)度越大。這是由于材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度隨著交聯(lián)程度的增大而增加，在交聯(lián)程度較小時(shí)，此時(shí)玻璃轉(zhuǎn)化溫度小于鍵合溫度85℃，處于高彈態(tài)的SU-8流動(dòng)性較強(qiáng)，由于分子發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)，界面分子快速擴(kuò)散，因此鍵合強(qiáng)度也較大。隨著曝光量的增加，交聯(lián)程度的增大，玻璃轉(zhuǎn)化溫度也隨之增大，當(dāng)大于鍵合溫度時(shí)，SU-8的分子運(yùn)動(dòng)速度降低，界面分子的擴(kuò)散速度降低，因此鍵合強(qiáng)度也低。當(dāng)曝光量小于100 mJ/cm2時(shí)，鍵合強(qiáng)度達(dá)到了1.21 MPa以上，遠(yuǎn)大于噴孔板受到的最大瞬時(shí)沖擊力。當(dāng)曝光量為400 mJ/cm2時(shí)，鍵合強(qiáng)度只有0.08 MPa，急劇減小，主要是由于楊氏模量增大，削弱了分子運(yùn)動(dòng)和界面分子擴(kuò)散速度。基于以上分析，選擇優(yōu)化的曝光量為100 mJ/cm2。

圖5 不同曝光量下腔室的鍵合強(qiáng)度變化曲線

2.2 氧等離子體處理工藝參數(shù)優(yōu)化

SU-8光刻膠的表面性能對(duì)腔室鍵合強(qiáng)度影響較大。本文使用等離子灰化儀（K1050X，Quorum/Emi-tech，UK）對(duì)SU-8光刻膠表面進(jìn)行氧等離子體處理，利用液型 分 析 儀（Drop Shape Analysis System，DSA100，Kruss，Germany）測(cè)量SU-8表面接觸角，分析了不同射頻功率和處理時(shí)間下SU-8光刻膠與去離子水之間的接觸角。由于在氧等離子體處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)輝光效應(yīng)，使弱交聯(lián)的SU-8光刻膠曝光，因此只對(duì)完全交聯(lián)的開(kāi)放腔室進(jìn)行氧等離子體處理。

圖6～7分別為當(dāng)?shù)入x子灰化儀的腔室壓強(qiáng)為80 Pa時(shí)，接觸角與射頻功率和處理時(shí)間的關(guān)系。未經(jīng)過(guò)氧等離子體處理的完全交聯(lián)SU-8光刻膠的接觸角是86.16°，采用氧等離子體處理后，接觸角明顯下降，親水性增強(qiáng)，SU-8光刻膠的表面能增加，有利于增大鍵合強(qiáng)度。圖6中，隨著射頻功率的增大，接觸角減小，當(dāng)射頻功率高于35 W時(shí)，接觸角變化不大，選擇射頻功率35 W。由圖7可以看出，接觸角隨著處理時(shí)間的增加而降低，20 s后趨于穩(wěn)定，因此選擇處理時(shí)間20 s。

圖6 SU-8接觸角隨射頻功率的變化曲線

圖7 SU-8接觸角隨處理時(shí)間的變化曲線

2.3 鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，腔室SU-8 2075的采用完全交聯(lián)，等離子體處理參數(shù)為35 W、20 s，噴孔板曝光量采取100 mJ/cm2，不做等離子體處理，研究了在不同溫度和時(shí)間下的鍵合情況。

腔室最大變形量是指噴孔板變形產(chǎn)生的最大位移，如圖8所示。粘合率是指噴孔板實(shí)際鍵合面積與總鍵合面積的比值，只有粘合率達(dá)到100%，才能確保腔室陣列互不串?dāng)_。圖9為在鍵合壓力120 kPa，鍵合時(shí)間8 min時(shí)，腔室變形和粘合率隨鍵合溫度的變化曲線?？梢钥闯觯瑴囟壬?，腔室的變形增加，這是因?yàn)槿踅宦?lián)的SU-8的黏度隨著溫度的升高而降低。在65℃時(shí)，腔室的粘合率較低，高于85℃時(shí)，雖然粘合率可以達(dá)到100%，但是腔室的變形量很大。因此，選擇75℃作為合適的鍵合溫度，在這個(gè)溫度下變形量較小且粘合率較高。圖10所示為在鍵合壓力120 kPa，鍵合溫度75℃時(shí)，腔室變形和粘合率與鍵合溫度之間的關(guān)系。由圖可知，腔室的變形和粘合率隨鍵合時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，10 min時(shí)可以得到100%的粘合率且變形量較小。綜合以上討論，為了得到完全封閉的腔室，選擇最優(yōu)的參數(shù)為鍵合溫度75℃、鍵合時(shí)間10 min。

圖8 鍵合后腔室最大變形量

圖9 腔室變形和粘合率與鍵合溫度之間的關(guān)系

圖10 腔室變形和粘合率與鍵合溫度之間的關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)結(jié)合光刻和熱鍵合的工藝制作出壓電式噴墨打印頭的一體化腔室，優(yōu)化了噴孔板的曝光劑量、氧等離子體表面處理參數(shù)和鍵合參數(shù)，提高了噴墨腔室的鍵合質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，射頻功率35 W和處理時(shí)間20 s時(shí)，SU-8表面具有較強(qiáng)的親水性；噴孔板曝光量100 mJ/cm2、鍵合溫度75℃、鍵合時(shí)間10 min是減小腔室變形量和提高鍵合強(qiáng)度的最優(yōu)參數(shù)。綜上，在最終制作的噴墨打印頭中，腔室的鍵合強(qiáng)度達(dá)到了1.42 MPa，滿(mǎn)足腔室鍵合要求。本文的研究?jī)?nèi)容為制造高質(zhì)量的噴墨腔室提供了依據(jù)。