Создание отверстий в микрофлюидных чипах

30 сентября 2026 10:00

// Микрофлюидика

Как создают отверстия в стеклянных микрофлюидных чипах и почему выбор технологии имеет значение? В новой статье Micronit рассматриваются три метода: порошкоструйная обработка, лазерное сверление и лазерно-индуцированное травление. Разбираем их преимущества и ограничения, достижимые размеры и качество отверстий, а также основные критерии выбора технологии для конкретной микрофлюидной системы.

Технологии формирования отверстий в микрофлюидных устройствах

Micronit специализируется на производстве микрофлюидных устройств и помогает заказчикам пройти путь от первоначальной идеи до готового работающего продукта быстро и эффективно. Одним из ключевых условий успешной реализации проекта является согласованность конструкции изделия с технологией его производства. В противном случае могут возникнуть дополнительные расходы, задержки и даже проблемы, приводящие к невозможности изготовления или эксплуатации устройства.

Одним из важных этапов производства стеклянных микрофлюидных устройств является создание отверстий. На первый взгляд эта задача может показаться простой, однако качество и геометрия отверстий способны существенно повлиять на характеристики и работоспособность конечного продукта.

В этой статье рассмотрены особенности формирования отверстий в стеклянных микрофлюидных устройствах. Сначала разберем распространенные ошибки и способы их предотвращения, затем рассмотрим различные технологии изготовления отверстий, их преимущества и ограничения. В заключение приведем основные критерии выбора подходящего метода.

Распространенные ошибки при создании отверстий в микрофлюидных устройствах

При производстве микрофлюидных систем существует множество факторов, способных повлиять на конечный результат. Среди распространенных проблем — неоднородная форма отверстий, неправильное расположение и чрезмерная шероховатость стенок. Такие дефекты могут негативно сказаться на функциональности готового устройства и в некоторых случаях привести к его полной неработоспособности.

Чтобы избежать подобных проблем, важно правильно выбрать технологию создания отверстий и понимать особенности каждого производственного процесса. Ниже рассмотрены наиболее эффективные методы формирования отверстий в микрофлюидных устройствах, их преимущества и ограничения, а также основные факторы, которые следует учитывать при выборе технологии для конкретной конструкции.

Методы создания отверстий в микрофлюидных устройствах

Для формирования точных и качественных отверстий в микрофлюидных устройствах могут использоваться различные технологии. Среди них — порошкоструйная обработка (powder blasting), лазерное сверление и лазерно-индуцированное травление (LIE). Каждый из этих методов имеет свои преимущества и ограничения.

Порошкоструйная обработка (Powder Blasting)

Порошкоструйная обработка — это механический процесс, при котором абразивные частицы с высокой скоростью направляются на поверхность подложки, удаляя материал и формируя отверстия. Метод подходит для обработки широкого спектра типов стекла и особенно эффективен при изготовлении пластин (wafer) с большим количеством отверстий. Одним из недостатков технологии является шероховатость стенок отверстий. Кроме того, с помощью порошкоструйной обработки сложнее получать очень маленькие отверстия и элементы с острыми углами. При использовании этого метода отверстия всегда получаются коническими, с углом конусности примерно 15–30°. Диаметр отверстия со стороны порошкоструйной обработки будет больше, чем с противоположной стороны.

Преимущества порошкоструйной обработки

Универсальность. Метод позволяет создавать отверстия различных размеров и форм в зависимости от требований конкретного применения.
Экономичность. По сравнению с лазерными технологиями порошкоструйная обработка является более доступным методом, особенно при необходимости создания большого количества отверстий.

Ограничения порошкоструйной обработки

Шероховатые края. Вокруг сформированных отверстий могут появляться неровные края, поэтому для получения более гладкой поверхности может потребоваться дополнительная обработка.
Ограниченная точность. Достижение высокой точности может быть затруднено из-за таких факторов, как размер абразивных частиц и изменение силы их воздействия на материал. Минимальный диаметр отверстия составляет 200 мкм.

Слева: отверстие диаметром 200 мкм, полученное порошкоструйной обработкой; справа: поперечное сечение отверстий, полученных порошкоструйным методом.

Лазерная абляция

Лазерная абляция, также называемая лазерным сверлением, — это бесконтактный процесс, при котором сфокусированный лазерный луч удаляет материал и формирует отверстие. Этот метод подходит для создания небольших высокоточных отверстий и может использоваться для обработки различных типов стекла, включая D263, Borofloat и Mempax. Технология позволяет получать отверстия с аспектным отношением до 1:10 при минимальном диаметре 100 мкм. При необходимости возможно уменьшение диаметра до 50 мкм.

Лазерное сверление представляет собой последовательный процесс, поэтому при наличии большого количества отверстий в конструкции его использование становится менее привлекательным. Однако в зависимости от объема производства пластин этот вариант все равно может оказаться оптимальным. Специалисты Micronit могут помочь подобрать подходящую технологию.

Преимущества лазерной абляции

Высокая точность. Лазерная абляция позволяет создавать четко сформированные отверстия с микронной точностью.
Минимальные потери материала. Благодаря бесконтактному характеру процесса количество отходов минимально, а риск загрязнения снижается.
Минимальная дополнительная обработка. Для формирования отверстий не требуется нанесение масок или защитных покрытий, что позволяет избежать дополнительных этапов предварительной и последующей обработки.
Широкий выбор материалов. Технология не ограничивается боросиликатным стеклом; возможна также обработка плавленого кварца (Fused Silica).

Ограничения лазерной абляции

Сколы. Как и при порошкоструйной обработке, по краям отверстий могут возникать сколы.

Слева: вид сверху отверстий диаметром 100 мкм, полученных лазерным сверлением; справа: поперечное сечение отверстий.

Лазерно-индуцированное травление (Laser-Induced Etching, LIE)

Лазерно-индуцированное травление — технология, сочетающая особенности лазерной обработки и химического травления. В процессе используется лазерный луч для локального воздействия на стекло, после чего применяется химический травитель, который избирательно взаимодействует с обработанными областями материала, в результате чего формируются отверстия. Этот метод особенно эффективен для получения отверстий с очень гладкими стенками, а также сложных микроструктур.

Одной из основных причин выбора этой технологии является необходимость изготовления конструкции с высокой плотностью отверстий. Лазер позволяет быстро обработать большое количество участков, после чего травление выполняется одновременно для всей партии. При большом количестве отверстий такой подход обеспечивает более высокую производительность по сравнению с обычным последовательным лазерным сверлением.

Преимущества лазерно-индуцированного травления

Селективность. Технология позволяет избирательно формировать отверстия и точно контролировать их расположение и размеры.
Высокое аспектное отношение. Метод позволяет получать отверстия с большим отношением глубины к диаметру. Возможно достижение аспектного отношения до 1:100 при минимальном диаметре около 10 мкм, а в некоторых случаях — еще меньше.
Создание сложных структур. Лазерно-индуцированное травление позволяет формировать отверстия в сложных геометрических конфигурациях.
Гладкость поверхности. Отверстия не имеют сколов и отличаются очень гладкими стенками.

Слева: отверстия диаметром 250 мкм, полученные методом лазерно-индуцированного травления; справа: поперечное сечение отверстий.

Ограничения лазерно-индуцированного травления

Сложность процесса. Технология требует тщательной оптимизации параметров лазерного воздействия и химического травления, поэтому технологический процесс сложнее по сравнению с другими методами.

Как выбрать подходящий метод?

При выборе оптимальной технологии создания отверстий в микрофлюидных устройствах необходимо учитывать несколько ключевых факторов.

Размер и форма отверстия. В зависимости от назначения микрофлюидного устройства могут потребоваться отверстия определенного размера и геометрии. Например, порошкоструйная обработка подходит для создания конических отверстий.
Материал. Материал микрофлюидного устройства влияет на выбор технологии. Некоторые методы лучше подходят для определенных материалов. Например, лазерное сверление может применяться для широкого спектра материалов.
Стоимость производства. Затраты на изготовление микрофлюидного устройства зависят от выбранной технологии. Порошкоструйная обработка обычно дешевле лазерно-индуцированного травления, однако имеет ограничения по размеру, форме и качеству отверстий.
Объем производства. При серийном изготовлении большого количества микрофлюидных устройств выбор метода формирования отверстий существенно влияет на скорость и эффективность производства.

Выбор технологии для микрофлюидного устройства

Выбор подходящей технологии формирования отверстий зависит от множества факторов, включая требуемую форму и размер отверстий, шероховатость поверхности и стоимость производства. Micronit обладает опытом применения различных технологий и помогает подобрать оптимальный метод в соответствии с конкретными требованиями проекта. Возможности порошкоструйной обработки, лазерного сверления и лазерно-индуцированного травления позволяют создавать отверстия с необходимыми геометрическими и качественными характеристиками.