非晶體聚合物基板的微細熱壓轉印工藝研究.pdf

1、熱壓轉印工藝是一種微/納米尺度下特征結構的復制加工技術，相對于其它傳統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統(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特的優(yōu)勢，這類產(chǎn)品在生物、化學等領域中有著廣闊的應用前景，例如生物芯片、化學微流控芯片以及光學部件等。當前聚合物基板產(chǎn)品的熱壓轉印工藝正受到越來越多的關注，成為微細制造領域中的一個研究熱點。隨著市場需求的不斷增長和批量化生產(chǎn)的不斷

2、推進，深入研究非晶體聚合物材料在玻璃轉化溫度附近的流動行為特性，探索熱壓轉印工藝條件、材料性能以及最終產(chǎn)品轉印質量之間的影響規(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，建立了玻璃轉化溫度附近非晶體聚合物材料粘彈性模型；進而建立了平壓式熱壓轉印工藝仿真模型，分析了工藝參數(shù)對轉印質量的影響規(guī)律；最后針對微細特征結構的大面積連續(xù)轉印問題，對連續(xù)滾壓式熱壓轉印工藝展開了研究，提出采用轉印復制率對連續(xù)滾壓式熱壓

3、轉印質量的評價方法，探討了滾壓工藝參數(shù)對成型質量的影響規(guī)律，以期為非晶體聚合物基板的微細熱壓轉印工藝設計提供指導。本文的主要研究成果包括以下幾個部分：
　　 1)熱壓轉印工藝中非晶體聚合物材料流變行為與粘彈性特性
　　 首先分析了熱壓轉印工藝中聚合物流動變形機理，圍繞非晶體聚合物在各個溫度范圍內(nèi)的力學狀態(tài)，通過蠕變和應力松弛兩種變形行為對聚合物的粘彈性特性進行描述，借助于應力松弛實驗確定了聚碳酸酯材料的關鍵參數(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，為熱壓轉印成型工藝有限元數(shù)值仿真分析提供了理論基礎。
　　 2)平壓式微細熱壓轉印工藝過程仿真建模與工藝分析
　　 采用有限元方法對平壓式熱壓轉印工藝進行了研究，應用粘彈性材料模型對聚合物基板材料在轉印過程中的力學行為進行描述，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，建立了微細熱壓轉印工藝數(shù)值仿真分析模型。分析了粘彈性材料在熱壓轉印過程所表現(xiàn)出的時間依賴

5、特性，揭示了平壓式熱壓轉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)對成型質量的影響規(guī)律，為平壓式微細熱壓轉印工藝設計提供參考。
　　 3)平壓式微細熱壓轉印工藝的實驗研究
　　 利用兩種不同微細結構的玻璃碳模具對聚碳酸酯基板進行平壓式熱壓轉印工藝實驗研究，獲得了聚合物材料流動特性，轉印過程中工藝參數(shù)(時間、溫度和壓力等)對最終復印質量的影響規(guī)律，并通過實驗結果與數(shù)值仿真分析的比較，驗證了前述平壓式熱壓轉印

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口的倒錐體微細凹坑結構的模具進行了熱壓轉印實驗，并采用正交實驗方法分析了工藝參數(shù)對轉印質量的影響。
　　 4)連續(xù)滾壓式微細熱壓轉印工藝研究
　　 針對大面積基板的微細特征結構復制轉印要求，開展了連續(xù)滾壓式微細熱壓轉印工藝(roll-to-flat micro thermal imprint process)研究，首先定義了用于連續(xù)滾壓式熱壓轉印質量評價的轉印復制率

7、，再基于滾壓轉印工藝中材料流動填充過程分析，構造出轉印復制率的解析模型。然后，基于已有的滾壓式微細熱壓轉印系統(tǒng)，開展了連續(xù)滾壓式微細熱壓轉印工藝實驗研究，驗證了模型的正確性。最后，通過轉印復制率解析模型，分析了連續(xù)滾壓式微細熱壓轉印工藝的成型規(guī)律，以期對非晶體聚合物基板的連續(xù)滾壓式微細熱壓轉印工藝設計提供參考。
　　 本論文圍繞熱壓轉印工藝中微細特征結構從模具到聚合物基板的轉印復制問題進行了研究，以熱壓轉印工藝中材料流動特性的分