非晶體聚合物基板的微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝研究.pdf

1、熱壓轉(zhuǎn)印工藝是一種微/納米尺度下特征結(jié)構(gòu)的復(fù)制加工技術(shù)，相對(duì)于其它傳統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng))工藝而言，在制造成本、生產(chǎn)效率和制造精度方面具有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這類(lèi)產(chǎn)品在生物、化學(xué)等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景，例如生物芯片、化學(xué)微流控芯片以及光學(xué)部件等。當(dāng)前聚合物基板產(chǎn)品的熱壓轉(zhuǎn)印工藝正受到越來(lái)越多的關(guān)注，成為微細(xì)制造領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)和批量化生產(chǎn)的不斷

2、推進(jìn)，深入研究非晶體聚合物材料在玻璃轉(zhuǎn)化溫度附近的流動(dòng)行為特性，探索熱壓轉(zhuǎn)印工藝條件、材料性能以及最終產(chǎn)品轉(zhuǎn)印質(zhì)量之間的影響規(guī)律顯得尤為重要。
　　 本文首先研究了聚合物材料隨溫度變化的流變特性，建立了玻璃轉(zhuǎn)化溫度附近非晶體聚合物材料粘彈性模型；進(jìn)而建立了平壓式熱壓轉(zhuǎn)印工藝仿真模型，分析了工藝參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)印質(zhì)量的影響規(guī)律；最后針對(duì)微細(xì)特征結(jié)構(gòu)的大面積連續(xù)轉(zhuǎn)印問(wèn)題，對(duì)連續(xù)滾壓式熱壓轉(zhuǎn)印工藝展開(kāi)了研究，提出采用轉(zhuǎn)印復(fù)制率對(duì)連續(xù)滾壓式熱壓

3、轉(zhuǎn)印質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法，探討了滾壓工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響規(guī)律，以期為非晶體聚合物基板的微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。本文的主要研究成果包括以下幾個(gè)部分：
　　 1)熱壓轉(zhuǎn)印工藝中非晶體聚合物材料流變行為與粘彈性特性
　　 首先分析了熱壓轉(zhuǎn)印工藝中聚合物流動(dòng)變形機(jī)理，圍繞非晶體聚合物在各個(gè)溫度范圍內(nèi)的力學(xué)狀態(tài)，通過(guò)蠕變和應(yīng)力松弛兩種變形行為對(duì)聚合物的粘彈性特性進(jìn)行描述，借助于應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)確定了聚碳酸酯材料的關(guān)鍵參數(shù)，建立了基

4、于廣義Maxwell模型的聚碳酸酯材料的粘彈性模型，為熱壓轉(zhuǎn)印成型工藝有限元數(shù)值仿真分析提供了理論基礎(chǔ)。
　　 2)平壓式微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝過(guò)程仿真建模與工藝分析
　　 采用有限元方法對(duì)平壓式熱壓轉(zhuǎn)印工藝進(jìn)行了研究，應(yīng)用粘彈性材料模型對(duì)聚合物基板材料在轉(zhuǎn)印過(guò)程中的力學(xué)行為進(jìn)行描述，探討了仿真模型中單元選擇、接觸邊界條件及載荷的定義方法，建立了微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝數(shù)值仿真分析模型。分析了粘彈性材料在熱壓轉(zhuǎn)印過(guò)程所表現(xiàn)出的時(shí)間依賴(lài)

5、特性，揭示了平壓式熱壓轉(zhuǎn)印工藝中的重要工藝參數(shù)(壓印溫度、壓印壓力和模具特征密度)對(duì)成型質(zhì)量的影響規(guī)律，為平壓式微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝設(shè)計(jì)提供參考。
　　 3)平壓式微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝的實(shí)驗(yàn)研究
　　 利用兩種不同微細(xì)結(jié)構(gòu)的玻璃碳模具對(duì)聚碳酸酯基板進(jìn)行平壓式熱壓轉(zhuǎn)印工藝實(shí)驗(yàn)研究，獲得了聚合物材料流動(dòng)特性，轉(zhuǎn)印過(guò)程中工藝參數(shù)(時(shí)間、溫度和壓力等)對(duì)最終復(fù)印質(zhì)量的影響規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真分析的比較，驗(yàn)證了前述平壓式熱壓轉(zhuǎn)印

6、工藝仿真模型的有效性和可行性。此外，使用表面帶有正方形開(kāi)口的倒錐體微細(xì)凹坑結(jié)構(gòu)的模具進(jìn)行了熱壓轉(zhuǎn)印實(shí)驗(yàn)，并采用正交實(shí)驗(yàn)方法分析了工藝參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)印質(zhì)量的影響。
　　 4)連續(xù)滾壓式微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝研究
　　 針對(duì)大面積基板的微細(xì)特征結(jié)構(gòu)復(fù)制轉(zhuǎn)印要求，開(kāi)展了連續(xù)滾壓式微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝(roll-to-flat micro thermal imprint process)研究，首先定義了用于連續(xù)滾壓式熱壓轉(zhuǎn)印質(zhì)量評(píng)價(jià)的轉(zhuǎn)印復(fù)制率

7、，再基于滾壓轉(zhuǎn)印工藝中材料流動(dòng)填充過(guò)程分析，構(gòu)造出轉(zhuǎn)印復(fù)制率的解析模型。然后，基于已有的滾壓式微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印系統(tǒng)，開(kāi)展了連續(xù)滾壓式微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了模型的正確性。最后，通過(guò)轉(zhuǎn)印復(fù)制率解析模型，分析了連續(xù)滾壓式微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝的成型規(guī)律，以期對(duì)非晶體聚合物基板的連續(xù)滾壓式微細(xì)熱壓轉(zhuǎn)印工藝設(shè)計(jì)提供參考。
　　 本論文圍繞熱壓轉(zhuǎn)印工藝中微細(xì)特征結(jié)構(gòu)從模具到聚合物基板的轉(zhuǎn)印復(fù)制問(wèn)題進(jìn)行了研究，以熱壓轉(zhuǎn)印工藝中材料流動(dòng)特性的分