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《上海交通大学》 2011年
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非晶体聚合物基板的微细热压转印工艺研究

蓝树槐  
【摘要】:热压转印工艺是一种微/纳米尺度下特征结构的复制加工技术,相对于其它传统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)工艺而言,在制造成本、生产效率和制造精度方面具有着独特的优势,这类产品在生物、化学等领域中有着广阔的应用前景,例如生物芯片、化学微流控芯片以及光学部件等。当前聚合物基板产品的热压转印工艺正受到越来越多的关注,成为微细制造领域中的一个研究热点。随着市场需求的不断增长和批量化生产的不断推进,深入研究非晶体聚合物材料在玻璃转化温度附近的流动行为特性,探索热压转印工艺条件、材料性能以及最终产品转印质量之间的影响规律显得尤为重要。 本文首先研究了聚合物材料随温度变化的流变特性,建立了玻璃转化温度附近非晶体聚合物材料粘弹性模型;进而建立了平压式热压转印工艺仿真模型,分析了工艺参数对转印质量的影响规律;最后针对微细特征结构的大面积连续转印问题,对连续滚压式热压转印工艺展开了研究,提出采用转印复制率对连续滚压式热压转印质量的评价方法,探讨了滚压工艺参数对成型质量的影响规律,以期为非晶体聚合物基板的微细热压转印工艺设计提供指导。本文的主要研究成果包括以下几个部分: 1)热压转印工艺中非晶体聚合物材料流变行为与粘弹性特性 首先分析了热压转印工艺中聚合物流动变形机理,围绕非晶体聚合物在各个温度范围内的力学状态,通过蠕变和应力松弛两种变形行为对聚合物的粘弹性特性进行描述,借助于应力松弛实验确定了聚碳酸酯材料的关键参数,建立了基于广义Maxwell模型的聚碳酸酯材料的粘弹性模型,为热压转印成型工艺有限元数值仿真分析提供了理论基础。 2)平压式微细热压转印工艺过程仿真建模与工艺分析 采用有限元方法对平压式热压转印工艺进行了研究,应用粘弹性材料模型对聚合物基板材料在转印过程中的力学行为进行描述,探讨了仿真模型中单元选择、接触边界条件及载荷的定义方法,建立了微细热压转印工艺数值仿真分析模型。分析了粘弹性材料在热压转印过程所表现出的时间依赖特性,揭示了平压式热压转印工艺中的重要工艺参数(压印温度、压印压力和模具特征密度)对成型质量的影响规律,为平压式微细热压转印工艺设计提供参考。 3)平压式微细热压转印工艺的实验研究 利用两种不同微细结构的玻璃碳模具对聚碳酸酯基板进行平压式热压转印工艺实验研究,获得了聚合物材料流动特性,转印过程中工艺参数(时间、温度和压力等)对最终复印质量的影响规律,并通过实验结果与数值仿真分析的比较,验证了前述平压式热压转印工艺仿真模型的有效性和可行性。此外,使用表面带有正方形开口的倒锥体微细凹坑结构的模具进行了热压转印实验,并采用正交实验方法分析了工艺参数对转印质量的影响。 4)连续滚压式微细热压转印工艺研究 针对大面积基板的微细特征结构复制转印要求,开展了连续滚压式微细热压转印工艺(roll-to-flat micro thermal imprint process)研究,首先定义了用于连续滚压式热压转印质量评价的转印复制率,再基于滚压转印工艺中材料流动填充过程分析,构造出转印复制率的解析模型。然后,基于已有的滚压式微细热压转印系统,开展了连续滚压式微细热压转印工艺实验研究,验证了模型的正确性。最后,通过转印复制率解析模型,分析了连续滚压式微细热压转印工艺的成型规律,以期对非晶体聚合物基板的连续滚压式微细热压转印工艺设计提供参考。 本论文围绕热压转印工艺中微细特征结构从模具到聚合物基板的转印复制问题进行了研究,以热压转印工艺中材料流动特性的分析为基础,结合有限元数值仿真分析和热压转印实验分析,揭示了微细热压转印过程中工艺参数对最终转印复制质量的影响规律,为聚合物基板上微细特征结构的热压转印制造和工艺质量控制的进一步研究方面提供了一些参考。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ320.6

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