(57)【要約】【課題】本発明は、紫外線硬化型接着剤を用いて透明材料と被着体とを接着する方法に関し、ヒートシンクやペルチェといった被着面幅の大きい被着体においても良好な硬化特性を得ることができる。【解決手段】透明材料で構成される素子と被着体との接着方法であって、前記素子の天面と前記被着体との間に紫外線硬化型接着剤を塗布する工程と、前記素子に対して前記天面側から略垂直に紫外光を照射する工程とを有し、前記被着体に覆われずに前記照射された紫外線が透過する前記素子の領域の内部または底面に、該底面に対して傾きを有する反射面を備えた反射部材を少なくとも１つ設け、前記紫外光を前記反射部材で反射させて前記接着剤に投射させることを特徴とする接着方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料で構成される素子と被着体との接着方法であって、前記素子の天面と前記被着体との間に紫外線硬化型接着剤を塗布する工程と、前記素子に対して前記天面側から略垂直に紫外光を照射する工程とを有し、前記被着体に覆われずに前記照射された紫外線が透過する前記素子の領域の内部または底面に、該底面に対して傾きを有する反射面を備えた反射部材を少なくとも１つ設け、前記紫外光を前記反射部材で反射させて前記接着剤に投射させることを特徴とする接着方法。
【請求項２】
前記被着体の被着面の幅Ｗが、前記素子の天面から光を反射する面までの距離Ｄ、空気の屈折率ｎａ、前記透明材料の屈折率ｎｂとすると、Ｗ≧２Ｄｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｎａ／ｎｂ））を満たすことを特徴とする請求項１に記載の接着方法。
【請求項３】
前記素子が、マイクロ流体デバイスであることを特徴とする請求項１または２に記載の接着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線硬化型接着剤を用いて透明材料で構成される素子と被着体とを接着する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、１枚のチップ上に化学分析、生化学分析に必要なすべての要素を組み込むマイクロトータルアナリシスシステム（μ−Ｔａｓ）と呼ばれる技術についての研究開発が盛んである。具体的には、ＤＮＡ分析デバイスや免疫分析デバイス、電気泳動デバイスを始めとする様々なデバイスが開発されている。これらのデバイスは、マイクロ流路、温度制御機構、濃度調整機構、送液機構、反応検出機構などから構成され、一般にマイクロ流体デバイスと呼ばれている。
【０００３】
マイクロ流体デバイスの特徴の１つとして、迅速な温度制御が挙げられる。マイクロ流体デバイスは温度制御を行う微小流路の体積が小さいため、熱容量が小さく、少ない熱量で短時間に加熱及び冷却できるという特徴を有する。マイクロ流路内の温度を上昇させるためには、マイクロ流路の下方にヒーターを設け、加熱することで流路内温度を上昇させる方法がある。一方、流路内温度を冷却させるためには、マイクロ流体デバイスにヒートシンクやペルチェ素子を接着し、接着面からの放熱によりマイクロ流路を冷却させる方法がある。
【０００４】
マイクロ流体デバイスとヒートシンクやペルチェ素子との接着は、作業の容易性、高い生産性という理由から接着剤が用いられる。用いられる接着剤の種類は、常温硬化型、熱硬化型、紫外線硬化型の３種類に大別できる。その中でも接着に要する時間を短縮するために紫外線硬化型の接着剤が広く用いられている。
【０００５】
マイクロ流体デバイスはマイクロ流路内を観察するために光を透過させる透明な材料、例えばガラスやシリコン系樹脂が広く用いられている。一方、ガラス基板に接着させる被着体であるヒートシンクやペルチェ素子等の被着体はアルミやプリント基板といった光を通さない材料で構成されている。そのため、紫外線硬化型の接着剤を用いる際は、まず、マイクロ流体デバイスと被着体の被着面に接着剤を塗布し、透明材料で構成されるマイクロ流体デバイス側から被着体に向けて光を照射し、透明材料を通して接着剤を硬化させることでマイクロ流路デバイスと被着体を接着させている。
【０００６】
しかしながら、マイクロ流体デバイス内にヒーターなどの金属膜がデバイス内部に部分的もしくは全面に存在すると、接着剤を硬化させるための紫外線が遮光されてしまう。そのため、被着面の一部もしくは全面が照射されず、十分な接着強度が得られないという問題がある。
【０００７】
例えば特許文献１では、基板に垂直な方向から紫外線を照射しても遮光部材の存在により紫外線が照射されない領域に対し、斜め方向から紫外線を照射することで接着剤を硬化させる方法が開示されている。
【０００８】
前記斜め方向から紫外線を入射させる方法は、照射深度に限界がある。照射深度とは、被着面の端部を基準にした際の被着面内部方向の距離とする。この照射深度は、透明材料に対して略水平に入射させ、透明材料内に屈折させた時に最大となる。しかしながら、被着面が前記の最大照射深度よりも大きい場合には被着面全面を照射できないという課題がある。
【０００９】
その例を図２に示す。図２は、特許文献１に記載の斜め方向から紫外線を入射させる方法により、被着面が大きいヒートシンクとマイクロ流体デバイスとを接着させた接着体の断面図である。図２では、被着面が１０ｍｍ×１０ｍｍのヒートシンク２１と、１５ｍｍ×３０ｍｍの２枚のガラス基板からなるマイクロ流体デバイス２４とを接着させた。マイクロ流路デバイス２４は、上ガラス基板２５及び下ガラス基板２７からなる。基板膜厚はどちらも５００μmである。上ガラス基板２５にはヒーターとして機能させる白金２９を底面に成膜、パターニングした後、ＣＶＤによりＳｉＯ２で２μm被覆した。下ガラス基板２７には樹脂２６を用いて深さ１００μmの溝を形成し、上ガラス基板２５と下ガラス基板２７を接着することでマイクロ流体デバイスを作製した。そして、このヒートシンク２１とマイクロ流体デバイス２４を接着させるために、マイクロ流体デバイス２４に対して斜め方向から紫外線３０を入射させた。
【００１０】
図３に図２に示した接着体に対して紫外線を斜め方向から入射させた際の紫外線の光路を示す。被着面２３に紫外線３０を照射するために、紫外線３０を斜めから入射させた。マイクロ流体デバイス２４に対する紫外線３０の入射角度が図３に示すように９０°の時に、照射深度が最大となり、被着面内部まで照射できる。空気の屈折率をｎａ、透明材料の屈折率をｎｂ、臨界角の角度をθｂとすると、θｂはスネルの法則により以下の式で示される。
【００１１】
【数１】
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この時の照射深度３１は、上ガラス基板２５の膜厚をＤとすると、
２Ｄｔａｎθｂ
であらわされる。ここで、上ガラス基板２５の天面から白金２９までの距離は、上ガラス基板２５の膜厚と同じであるとした。以上より、被着面幅Ｗが照射深度よりも大きい場合には、紫外線を被着面全面に照射できず、十分な接着強度が得られない。例えば、空気、ガラスの屈折率を１、１．５とすると、図２における照射深度は約０．９ｍｍであり、被着面の約９割が未照射領域となってしまう。作製した被着体に対し破壊試験を行い、被着面を観察したところ、被着面に接着剤の未硬化部が確認された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−２０７７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、このような背景技術を鑑みてなされたものであり、透明材料で構成される素子とヒートシンクやペルチェ素子といった被着面幅の大きい被着体とを紫外線硬化型の接着剤を用いて接着する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
透明材料で構成される素子と被着体との接着方法であって、前記素子の天面と前記被着体との間に紫外線硬化型接着剤を塗布する工程と、前記素子に対して前記天面側から略垂直に紫外光を照射する工程とを有し、前記被着体に覆われずに前記照射された紫外線が透過する前記素子の領域の内部または底面に、該底面に対して傾きを有する反射面を備えた反射部材を少なくとも１つ設け、前記紫外光を前記反射部材で反射させて前記接着剤に投射させることを特徴とする接着方法とする。
【発明の効果】
【００１５】
素子内部または底面に設置した反射部材で紫外線を反射させることにより、被着面の幅が大きく、素子に対して斜め方向から光を入射させても照射できない領域にまで光を導光し、接着剤を硬化できる。また、本発明は、熱硬化型の接着剤など他の接着方法に比べても短時間で接着できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態を示す図である。
【図２】マイクロ流体デバイスとヒートシンクを接着させた接着体の断面図である。
【図３】図２の接着体に対し紫外線を斜め方向から入射させた際の光路図である
【図４】本発明にかかる実施例を示す接着体の断面図である。
【図５】紫外線の角度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態は、図１の断面図に示すように、透明材料で構成される素子４と被着体１との接着方法である。素子４の天面と被着体１との間に紫外線硬化型接着剤２を塗布し、紫外線硬化型接着剤２は素子４に対して天面側から略垂直に紫外線を照射する照明部材６からの照射光５により硬化される。被着体１に覆われておらず、照射された紫外線が透過する前記素子４の領域の内部または底面に、該底面に対して傾きを有する反射面を備えた反射部材７を設け、この反射部材７で照明光５を反射させ、反射光が被着面３に投射され、紫外線硬化型接着剤２が硬化することを特徴とする。
【００１８】
このような構成とすることで、前記被着体の被着面の幅Ｗが、反射光を利用せずに紫外線を斜め方向から入射させた際の最大照射深度、すなわち、前記素子の天面から光を反射する面までの距離Ｄ、空気の屈折率ｎａ、前記透明材料の屈折率ｎｂとしたときに、２Ｄｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｎａ／ｎｂ））以上ある場合（Ｗ≧２Ｄｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｎａ／ｎｂ）））でも接着剤を硬化させることができる。
【００１９】
素子４を構成する透明材料は、光透過性を有する材料であり、例えばプラスチック樹脂、ＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）などのシリコン系樹脂、ガラス、石英などを用いることが望ましい。
【００２０】
被着体１は、ヒートシンクやペルチェ素子といった温度調節機能を有する素子を想定しているが、特に指定はない。
【００２１】
照明部材６は金属製の照射器であり、照射器内には紫外線を選択的に反射させる特性を有する反射鏡が配置されている。反射鏡の内面には直管上の紫外線ランプが取り付けられており、ランプからの放射光は直接または反射鏡により反射されて、基板に対して略垂直に照射される。
【００２２】
反射部材７は、金属などの光を反射する材料で構成されている。この反射部材７は１枚のみで被着面１の全面に反射光を投射させてもよいし、図１に示すように被着体１の両側に反射部材を配置し、２枚の反射部材で被着面１の全面に反射光を投射させてもよい。反射部材を複数枚設置することで、被着面に反射光を投射させてもよい。また、反射部材を複数枚設置することで被着面への照射強度を増加させ、硬化にかかる時間を短縮させてもよい。
【実施例１】
【００２３】
本発明の実施例を図４に基づき説明する。図４は紫外線硬化型接着剤を用いて透明材料で構成される素子と被着体とを接着した接着体の断面図である。透明材料で構成される素子として１５ｍｍ×３０ｍｍの２枚のガラス基板からなるマイクロ流体デバイス４４を作製し、被着体として１０ｍｍ×１０ｍｍの被着面４３を有するヒートシンク４１を準備し、紫外線硬化型接着剤４２を用いて接着した。
【００２４】
まず、マイクロ流体デバイス４４の作製方法について説明する。マイクロ流体デバイス４４は、上ガラス基板４５及び下ガラス基板４７からなる。基板膜厚はどちらも５００μmである。上ガラス基板４５にはヒーターとして機能させる白金４９を底面に成膜、パターニングした後、ＣＶＤによりＳｉＯ２で２μm被覆した。
【００２５】
次に、反射部材５１の配置位置と反射部材５１の反射面の上ガラス基板４５の底面に対する角度（テーパー角度）について説明する。ここでは被着面４３を挟んで両側に反射部材５１を設置し、反射部材５１で反射された光が、被着面４３全面に照射されるような角度と位置を計算した。まず、照明部材５２から照射される紫外線５３の広がりを標準偏差σ＝５°、平均μ＝０°の正規分布と仮定し、−１０°〜１０°の分布の紫外線５３が被着面４３を照射するべく反射部材５１の設置位置を計算した。図５に紫外線の角度分布（正規分布と仮定）を示す。その結果、４３°の斜面角度の反射面を有し、深さが１００μmの反射部材５１を、被着面４３の端部を基準に上ガラス基板の外部方向に２０００μmの位置に配置することで、−２°〜８°の分布の光が被着面４３全面を照射すると計算された。例えば、照明部材５２の光源の強度を５００［ｍＪ／ｓ・ｃｍ２］、空気から上ガラス基板４５へ入射する際の透過率を９６％、反射面における反射率を８０％とすると、光の強度は３８５［ｍＪ／ｓ・ｃｍ２］となる。被着面４３の端部ほど照射強度が小さいので、被着面４３の端部の接着剤４２が硬化する時間を被着面４３全面が硬化する時間として見積もる。端部に照射される紫外線５３は、８°成分（１．６［ｍＪ／ｓ・ｃｍ２］）と被着面４３を挟んで反対側に設置した反射部材５１で反射した−２°成分（１．０［ｍＪ／ｓ・ｃｍ２］の合計２．６［ｍＪ／ｓ・ｃｍ２］が照射される。  接着剤４２の硬化に必要な照射量を５００［ｍＪ／ｃｍ２］と仮定すると、この照射量により接着剤４２を硬化させるためには１９０ｓｅｃ必要である。
【００２６】
次に、反射部材５１の形成について説明する。まず、ドライエッチングによりテーパー形状を有する溝５０を前記配置位置に形成した。この時、ドライエッチングに用いるレジストの膜厚を調整することにより溝５０のテーパー角度を調整した。ここで形成したテーパー角度は、前記のように４３°とした。溝５０を形成した後、溝５０の表面に反射率を向上させるためにＡｌを成膜した。さらに、Ａｌ膜が下ガラス基板４７との接合を妨害しないように、Ａｌのパターンは溝５０の内部にとどめるべくパターニングを行った。
【００２７】
次に、下ガラス基板４７に対する流路パターンの形成について説明する。下ガラス基板４７には樹脂４６を用いて深さ１００μmの溝５０を形成し、上ガラス基板４５と下ガラス基板４７をプラズマ照射により表面を改質した後、接着することでマイクロ流体デバイス４４を作製した。
【００２８】
次に素子であるマイクロ流体デバイス４４と被着体であるヒートシンク４１の接着について説明する。被着面４３に紫外線硬化型接着剤４２を塗布する。そして、ステージに置いたマイクロ流体デバイス４４の白金パターンを被着面が覆う様にヒートシンク４１を落とし込む。次に照射部材５２本体の中心軸とステージをほぼ垂直に保持した後、照明部材５２から紫外線５３を１９０秒間照射し、接着剤４２を硬化させた。照明部材５２の紫外線照射強度を５００［ｍＪ／ｓ・ｃｍ２］と設定し、接着剤４２は、硬化に必要な照射量が５００［ｍＪ／ｃｍ２］のものを用いた。この硬化時間は、３０分前後の硬化時間を必要とする熱硬化型接着剤と比べても優位であると言える。
【００２９】
最後に、作製した接着体に対し破壊試験を行い、被着面４３を観察したところ、接着剤の未硬化部がなく、均一に硬化されている様子が確認された。
【実施例２】
【００３０】
実施例１の変形例として、図４において上ガラス基板４５に設置した反射部材５１は、下ガラス基板４７に設置してもよい。例えば、下ガラス基板に溝５０を形成する際に、反射部材としての機能を有する溝を同時に形成し、その溝に対しＡｌ膜を成膜することで反射部材を形成できる。
【符号の説明】
【００３１】
１、４１  被着体（ヒートシンク）
２、４２  紫外線硬化型接着剤
３、４３  被着面
４、４４  素子（マイクロ流体デバイス）
５、５３  照射光（紫外線）
６、５２  照明部材
７、５１  反射部材
４５  上ガラス基板
４６  樹脂
４７  下ガラス基板
５０  溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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