（材料加工工程专业论文）玻璃与铝的阳极键合机理研究.pdf

摘要 中文摘要 阳极键合作为一种新型特殊的连接方法，目前主要应用于金属材料或半导 体誊季料对无机毒 金属绝缘材料的连接或封接审。其最显著的特点就是可以在比 较低的温度下，在不加中间材料的情况下利用直流电场直接实现材料的固态连 接。自阳极连接发现以来，许多研究人员研究了阳极键合过程的不同方面，以 求更好的理解其机械性能及不同工艺参数对键合囊量的影响。 本文首先通过阳极键合试验，得出了玻璃铝两层阳极键合的最佳工艺参数 以及影响键合质量的主要因素，最佳键合温度范围为3 5 0 - - 4 2 0 ，最佳键合电 压为6 5 0 7 5 0 v ，键合时阀为1 0 - - 1 5 m i n ；试验结果表明，温度是影喃键合质量 的最主要因素，在键合温度范围内，温度越离，键合质量越高，相应的键合时 间越短；电压也是主要影响因素，较高电压也可以提高键合质量。 在两层阳极键合的基础上，进行了多层阳极缝合的工艺与枕理研究，研究 表明公共阳极法可以成功进行多层阳极键合，键合的工艺参数和键合机理与两 层的没有多大差别。这种方法要比现有文献中提到的用交流电源或阳极键合与 其它方法( 如光刻法) 结合的方法简单易行褥多，更有利于阳极键合的推广应 用。 本文利用光学显微镜、扫描点镜、透射电镜及能谱分析等手段，对玻璃一 铝的阳极键合界面的组织和成份进行了分析。分析结果发现：铝、氧等元素在 结合界恧区发生了扩散过渡，过渡区组织以氯化物( 如氧化铝) 为主。表观结 合过程是一种氧化扩散的方式进行的。对阳极键合过程中电场的作用机理进行 了理论分析和探讨。分析认为，电场作用下介质材料的极化是阳极键合赖以实 现的一个重要原因。理论分誊厅和计算表明，介质极化后界面间隙处产生的巨大 静电力是实现界面紧密接触的重要因素。 并采用m s c m a r c 非线性有限元分析软件，进行了玻璃与铝阳极键合试 件冷却过程的应力分析，获得了犍合镩麸4 5 0 冷却到室温后，阳极键合试件 的翘曲变形量和变形形状，键合件内的应力、应变分布等重要场量信息。 关键词：阳极键合；键合机理；公共阳极法；有限元 摘要 a b s t r a c t a san e wm e t h o do fb o n d i n gt os p e c i a lm a t e r i a l s ，a n o d i cb o n d i n gi s n o wb e i n gu s e dt ob o n dm e t a l sv s n o n m e t a l l i cm a t e r i a l s i t sm o s t r e m a r k a b l ef e a t u r ei st h a ti tc a nb eb o n d e di ns o l i da tl o w e rt e m o e r a t u r e w i t h o u ta n yo t h e rm e d i am a t e r i a l s s i n c et h ea n o d i cb o n d i n gw a s d i s c o v e r e d ，m a n yr e s e a r c h e r sh a v es t u d i e dt h ea n o d i cb o n d i n gp r o c e s s d i f f e r e n ta s p e c t ，i no r d e rt ou n d e r s t a n dw e l li t sm a c h i n ec a p a b i l i t ya n d t h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tc r a f tp a r a m e t e rf o rc o n n e c t st h eq u a l i t y t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r so fa n o d i c b o n d i n gb e t w e e ns i l i c o na n dg l a s sw a so b t a i n e d 。t h em a i nf a c t o r ss u c h a sb o n d i n gt e m p e r a t u r e ，v o l t a g ea n db o n d i n gt i m ew h i c ha r eb e l i e v e dt o i n f l u e n c et h eb o n dq u a l i t y i ti sb e l i e v e dt h a tt h eo p t i m a lp r o c e s s p a r a m e t e r si ss u c ha sb e l l o w s ：t e m p e r a t u r er a n g ei s3 5 0 - - - 4 2 0 。c ，v o l t a g e r a n g ei s6 50 - - 7 50 va n db o n d i n gt i m ei s5 - - 。10 m i no fa n o d i cb o n d i n g b e t w e e ns i l i c o na n dg l a s s t h er e s u l ts h o w st h a tb o n d i n gt e m p e r a t u r ei s t h eg r e a t e s tf a c t o r s ，a n di ti m p o s e sap o s i t i v ea f f e c to nb o n ds t r e n g t h i m p r o v e m e n t ；t h ev o l t a g ei st h es e c o n dg r e a t e s tf a c t o r sa n db o n d i n g t i m ed on o te x h i b i ts u c hs i g n i f i c a n ti n f l u e n c ea st e m p e r a t u r ea n d v o l t a g e h i 曲t e m p e r a t u r ea n dh i 曲v o l t a g ec a r lc a u s eh i 醇c u r r e n ta n dh i 醢b o n d q u a l i 哆a n ds h o r t e nb o n d i n gt i m e 。 b a s e do nt h ee x p e r i m e n ta b o v e ，t h eb o n d i n gm e t h o d so fc o m m o n i i i a n o d ei sg i v e n u s i n gt h e m e t h o d s ，m u l t i p l el a y e r sc a nb eb o n d e d t o g e t h e r t h ec o m m o na n o d em e t h o dc a nb ec o n s i d e r e dt w op a r t so f h e a n o d i cb o n d i n gi np a r a l l e l i nt h i sp r o c e s s ，t h ei o nm o v e m e n t s ，t h e i n t e r f a c i a lr e a c t i o na n de l e c t r o s t a t i cf i e l di nb o t hs i d e so ft h ea n o d ew i l l o c c u ra tt h es a m et i m e i nt h eb o n d i n gp r o c e s s ，t h en a + c a na l s om o v ei n t h eo p p o s i t ed i r e c t i o n c o m p a r e dt h em i c r o s t r u c t u r eb o n d e di nt h ef i r s t s t e p a n ds e c o n ds t e p ，i ti sa l m o s tt h es a m ew i t ht h em i c r o s t r u c t u r e b o n d e dw i t ha n o d i cb o n d i n gm e t h o d i nt h i sp a p e r ，t h em i c r o s t u r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o ni nt h eb o n d e d i n t e r f a c e so fb o r o s i l i c a t e g l a s s w a ss t u d i e d b ym e a n so fo p t i c s m i c r o s c o p e ，s c a n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，t r a n s m i s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ( t e m ) a n dp e d i g r e ea n a k y s i s t h er e s u rr e v e a l st h a tt h e e l e m e n t ss u c ha sa 1 ，0e t c d i f f u s ei nt h eb o n d e di n t e r f a c ea n dt h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h et r a n s i t i o n a lr e g i o ni sm a i n l ym a d eu pw i t ho x i d e ( s u c ha sa 1 2 0 3 ) i ts h o w st h a tt h eb o n d i n gi sp r o b o b a yap r o c e s so f o x i d i z i n gd i f f u s i o n i na d d i t i o n ，t h eo p e r a t i n gm e c h e n i s mo fe l e c t r i cf i e l d i nt h eb o n d i n gp r o c e s si sa n a l i z e dt h e o r e t i c a l l y i ts h o w st h a tt h e p o l a r i z a t i o n o ft h em e d i am a t e r i a l si sa l li m p o r t a n tc a u s et oa n o d i c b o n d i n g t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h ee l e c t r i c f i e l di n t e n s i t ya n de l e c t r o s t a t i cf o r c e si nt h ei n t e r f a c ec l e a r a n c ed e c r e a s e w i t ht h ee n l a r g e m e n to ft h ew i d t ho fc l e a r a n c e ，t h i c k n e s so fm e d i a m a t e r i a l sa n dt h ew i d t ho fp o l a r i z a t i o na r e a ，b u ti n c r e s ew i t ht h e i v 摘要 a u g m e n t a t i o n o ft h e e l e c t r i c i n t e r v e n t i o nc o n f f i c i e n t 。a n d h i g h e l e c t r o s t a t i cf o r c ei nt h ec l e a r a n c ei sa n i m p o r t a n t f a c t o rt of i n i s h b o n d i n g m s c m a r ci su s e do nt h e g l a s sa n d t h ea l u m i n u ma n o d e b o n d i n gt e s ts a m p l eu n d e r c o o l i n gs t r e s sa n a l y s i s ，h a so b t a i n e di m p o r t a n t i n f o r m a t i o nt h a tt h e s a m p l e c o o l sf r o m4 5 0 t ot h er o o m t e m p e r a t u r e ：t h ea m o u n to fw a r pd e f o r m i t yo fs a m p l e 、d i s t o r t i o n s h a p eo fs a m p l e 、s t r e s s 、s t r a i nd i s t r i b u t i o na n ds oo n k e yw o r d s ：a n o d i cb o n d i n g ；m e c h a n i s mo fb o n d i n g ；t h ec o m m o n a n o d i cb o n d i n g ；m a r c v 承诺书承话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指 导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技 大学a 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位 论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明 引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ：刘子建 2 0 0 8 年6 月2 0 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 阳极键合技术 1 1 1 阳极键合的基本原理 阳极键合1 1 1 的过程就是电化学反应过程( 如图1 1 所示) 。在热的馋魇下， 快离子导体中的氧化物受热离解，在温度高到阳离子可移动的条件下，施加于 玻璃与阳极之间的电场将使玻璃中的碱金属离子( 主要是n i t + ) 从阳极附近向 疆极移动，并在阴极表露析出，在玻璃与阳极界面附近形成极化的碱金属离子 耗尽层，负电荷在该层内积累；在玻璃的耗尽层存在高强电场，玻璃厚度方向 上的电压降主要在耗尽层区域，非耗尽层区域电压降较小。高强电场在阳极和 玻璃界面产生了巨大的吸弓| 力，通过玻璃的弹性交形及稻性流动，使得玻璃和 金属阳极表丽紧密接触。一般认为金属为阻滞性阳极( b l o c k i n ga n o d i c ) ，在鼯 极键合中并不能向玻璃中扩散，钠离子耗尽层高的界面静电使氧负离子向阳极 移动并与硅反应形成氧化硅，从而完成键合，达到连接效果。扛7 】 由于这种结合只发生在阳极金属与阴极非金属介质材料相接触的界蕊上， 而介质材料同阴极相接触的界面上不发生结合，故叫阳极键合( a n o d i c b o n d i n g ) 又弱q 做静电连接( e l e c t r o s t a t i cb o n d i n g ) ，静电封接( e l e c t r o s t a t i c s e a l i n g ) 、场致连接( f i e l d a s s i s t e db o n d i n g ) 、场致扩教连接 ( f i e l d a s s i s t e dd i f u s i o nb o n d i n g ) 2 1 等。 s c 警 键合 界面 图l ，1 阳极键合机理示意图 鑫垂 魄荷 空骧 氟阴离子 na 1 1 2 阳极键合技术的特点 阳极键合是种利用电和热联合作震来实现材料固态连接的一种焊接方法。 玻璃与铝的阳极键合机理研究 与其它方法相比最显著的特点是焊接温度低( 低于材料的软化温度) ，在无需添加任 何中间材料的情况下直接进行固态连接，工件变形小，工艺过程简单，既能在真空 或僳护气氛下焊接，也可在空气中焊接强】，它主要应用于金属( 磐a 1 、c u 、m o 、n b 、 可伐合金等) 或半导体( 如s i ) 与非金属( 如玻璃、陶瓷等) 的连接。低的键合温度不 仅部分消除了传统焊接方法带来的一些问题，还使得由于热膨胀而带来的材料热物 理性能不匹配问题得以缓解，从两馕其适用的材料范匿更广1 9 ，两且可以保证材料 的某些性能如光学平面等光学性质不受破坏。所以阳极键合的作用与特点正网益受 到重视，应用也越来越广。但这种方法的缺点是表面加工精度要求很高，易受零件 结构形式的制约( 一般主要适用于平面结构的连接) 。这其中的一些问题有望通过这 项技术的进一步发展和完善得到解决。 1 2 玻璃与铝阳阳极键合技术的应用 1 2 1 阳极键合技术的应用 由予以上特点，阳极键合技术露益受到重视，应用也愈来愈广。誉前，阳极 键合技术较多地用于微型机械、微型传感器、微型仪表的制造等 m e m s ( m i c r o - e l e c t r om e c h a i c a ls y s t e m ) 领域以及电真空、航空航天、太阳能电 池及集成芯片等结构器件的制造中瓢翘。表i - i 绘出了阳极键合生产中应用的例 子。 表i - i阳极键合连接的应用实例 领域类别应用实例 微波电子器件 电子管壳、脚、柱、阴极组件、导热件、支撑耖 电子学构、管壳封装、l c 基片、微电路及真空i c 、整溃 半导体及 器外壳、叠层、混合接头。 微型传感器 化学传感器、光学和热学传感器、加速度仪、碱 光学、光电学金属蒸气灯、闪光灯、弧光灯的封接、激光谐振 电光源、激光 腔、激光窗、观察孔。 原子能和 探测设备 探头及引线密封、防辐射元器件、加速器部件、 高能物理反应堆元件、观察窗。 新能源 高能电池、燃料电池、太阳能发电孱、换能器、 能源交通点火器、磁流体发电设备。离子推进器部件、列 字航、汽车 接灯、无线罩、火花塞、陶瓷发动机。 仪表激型仪表元件、封装、工作室、密封件、引线、 仪器设备 微型设备毯旋质谱仪、放电泵、微型泵。 冶金、化工仪表及设备反应装置、加工工具、x 光管壳 2 第一章绪论 针对不同器件本身的工艺特征，可以采用不同的阳极键合工艺达到连接效 果。近年来，随着微电子技术的快速发展，阳极键合已广泛应用于功能玻璃与金 属或半导体阚的连接，方法和工艺越来越成熟。 结合m e m s 本身的要求，近年来人们已经利用阳极键合方法实现了多种功能材料间 的连接，如玻璃与金属的连接、陶瓷与金属、玻璃与玻璃的连接、s i - s i 的连接 等，并且与其它连接方法起实现了多层不同性质材料的连接或玻璃与金属的多 层连接。 1 2 2 玻璃与铝阳极键含的应用 ( 1 ) 玻璃与铝的连接 铝与玻璃连接是阳极键合最基本的应用。利用铝导电性好，比强度高等特 点，通过阳极键合方法对铝与玻璃进行连接已广泛应用于传感器的装配、密封及 包装秘纠鄯。赫t b l o m 等入轴韬利用阳极键合技术成功实现了对要求较坚硬的流体互 联系统( k o v a r 基体) 与压电电阻硅玻璃流体传感器( p y r e x 基体) 的连接。与 硅压电传感器相比，铝与玻璃进行阳极键合后制成的压力传感器可应用于严酷的 工作环境。另外，利用钛金属具有良好的生物兼容饿，与p y r e x 或f o t u r a n 玻璃键 合用于微通道( m i c r o c h a n n e l ) 的密封或用来制造较坚硬的具有生物兼容性的微 流体豆连装鼹口7 1 。 晶片 图l 一2 在玻璃基体上对称键合的敏热器结构图 ( 2 ) 运用阳极连接技术实现玻璃、硅与铝的多层连接 随着阳极键合技术的日趋成熟，结合m e m s 生产过程中的实际需求，近年来， 人们发展了运焉双阴极单阳极的阳极键合技术，从焉可使玻璃与铝或其它材料实 现多层连接，例如美国的n i t e s hd n i m k a r 口7 3 等人用此技术设计了一种电子测试 表面设备，该设备的散热器结构由硅玻璃铝玻璃硅五层组成，如图i - 2 就是 透过多次运用阳极键合技术实现其五层连接的。 3 玻璃与铝的阳极键合机理研究 l 。3 玻璃与铝阳极键合技术的发展背景与研究现状 1 3 1 发展背景 随着工业的发展、现代高性能功能材料的出现，近年来，玻璃一铝的连接在航 空航天、汽车利造、核能工程以及机械制造等各个领域得到越来越广泛的应用。这 主要归咎于异种材料结构较单一金属结构具有耐蚀、抗高温、低磨损以及绝热等特 性。在这类结构的制造中，异种材料之间的连接是一项关键技术。目前，异种材料 的连接在工程应焉和科学研究两方面均得到了高度重视，许多国家豹研究工作者发 表了不少学术论文，获得了一些有价值的成果。然而，异种材料连接在技术上也带 来了一些新的问题与挑战。其中主要点是被连接的异种材料在力学性能和热物理 性能( 热膨胀系数、弹性模量、熔点等) 上往往存在很大的差异，这使得寻找合适连 接技术的探索过程变得非常艰难。目前，异种材料的连接主要有传统的钎焊、热压 扩散焊、部分过渡液相焊、胶接等。现在又发展了许多新技术，包括摩擦焊、电子 束焊接、激光焊接、超声波焊接、气体一金属共晶法、中性原子照射法、自蔓延高 温焊等。对于金属与非金属材料的连接，传统方法( 钎焊，热压扩敖焊，化学粘接) 一般都有焊接温度高，工艺过程复杂，焊接条件苛刻( 如要求真空或保护气氛) 易 老化等特点。特别是高的焊接温度，容易带来许多问题，如对热膨胀系数不匹配更 敏感，弓| 起变形等。阳极键合技术以其显著特点可以在某种程度上部分克服这些方 法存在的问题。其作用与特点正日益受到重视，应用也越来越广。但这种方法的缺 点是易受零件结构形式的制约( 一般主要适用于平面结构的连接) ，对连接表面的 加工精度要求很高。焉对于多层连接的研究大多是具体产品的制造，对各工艺参数 对焊合律的影响以及结合界面的力学性能研究较少。这些问题有望通过本课题的研 究得到进一步发展和完善。 1 3 。2 研究现状 ( 1 ) 国内研究现状 经过查阅大量的资料表明，目前我国在这方面的研究还处在起步阶段， 且大多是试探憔的研究，较为系统深入地研究还不曾见到。国内从事这项研究的 单位和个人也极少。1 9 9 3 年全国焊接年会上钢铁研究总院丁立平对钠玻璃与铝、 氧化铝与铝的阳极键合实验做了简要介绍，指出连接玻璃与金属较易，而铝与氧 化铝的连接较玻璃与铝的连接困难，但对z 艺过程中的基本规律与结合机理并未 4 第一章绪论 做详细研究与阐释。近几年我国在阳极键合方面的研究有了一定的进展，例如太 原理工大学的孟庆森等人研究发现在玻璃与铝的键合过程中界面处形成了以 s i o 。为主的柱状过渡层，0 ，n a ，s i 等元素篁梯度分布“耻粼。西安交通大学的喻 萍、曹宗杰聃妇等人对影响连接因素：电压、温度、时间进行了系统分析，并提 出了种新的检测方法：超声波检测方法。华中科技大学m x c h e n 乜2 3 等人对连 接的可靠性进行了系统的分孝厅，同时开展真空键合设备的研究等莓。串鼹科技大 学致力于低温阳极键合工艺的研究，吴登峰等人乜3 1 通过建立力学和电学模型，分 析了不同阴极形状对阳极键合的时间强度以及结合界面特性的影响等等。 ( 2 雷外研究状况 国际上，阳极键合予1 9 6 8 年由p o m e r a n t z 3 发现并申请专利，发展至今己有 近四十年的时间了。这期间，w a l l i s 、p o m e r a n t z ，a n t h o n y 2 们，a l b a u g h 嘶一州， d e n e e 渊，a r a t a 汹3 等人作了大量工作，所进行的研究多集中在玻璃与硅、玻璃与 金属的结构上。对阳极键合工艺过程及键合机理的认识也是见仁见智、不尽统一。 早期研究表明，玻璃内电流的贡献主要来自碱金属离子，其中钠离子贡献最大啪 瓤3 。w a l l i s 和p o m e r a n t z 潮及c a r s o n 嗽3 认为，在温度高到使玻璃中的阳离子可移 动的条件下，旌加于玻璃的电场将使n a + 等阳离子从阳极附近向阴极迁移，在玻璃 与阳极界面附近产生极化的n a + 等阳离子耗尽层，负电荷在该层内积累，因此耗尽 层中存在高强电场，玻璃厚度方向上的电压降主要在耗尽层区域，非耗尽层区域 电压降很小。高电场在阳极和玻璃界谣产生臣大吸辱 力，使德玻璃和金属阳极表 面紧密接触。其电场强度值高达3x1 0 8 v i l l 一1 量级。 ，w a l l i s n 3 ，d e n e e 器3 3 和b o r o m 秘铂认为玻璃提供的氧使金属阳极氧化，界面氧 化层的形成对阳极键合连接强度起重要作用。a l b a u g h 口 矧在研究极化蜃，搬据电 场辅助阳极连接中去掉电压没有观测到明显的放电电流，提出耗尽层为电中性的， 并由此认为残余电荷形成的电场力对接头强度不重要。但m o r s y 7 3 等不同意这种 观点，认为如果耗尽层呈电中性，静电力对结合强度贡献将微不足道，而电场辅助 阳极连接中静电力是必不可少的。研究结果表明，碱金属离子耗尽层中存在少量 负离子，这些负离子的过剩电荷足以产生使待连接表面紧密结合所需的电场强 度。 b r o w n l o w 啪1 提出，玻璃内邻近阳极的区域焦耳热应产生足够高温度使得这 5 玻璃与铝的阳极键合机理研究 一区域玻璃能够引起变形，以便达到与金属阳极密合，但是，k a n d a 等瞳剐人在金属一 玻璃表面的电场辅助阳极连接过程中测量了该区温度后得出结论：界面处焦耳热 很小，玻璃的温度仍然在软化温度之下。a n t h o n y 汹3 和m o r s y 3 认力在这样温度下 玻璃的粘性流动仍会对玻璃变形有贡献。 a n t h o n y 呻1 比较详细地讨论了电场辅助阳极连接中静电力如何受到待连接 表面不平整度及表面污物粒子的影喃，以及这些缺陷怎样被弹性形变和粘性形变 所缓和面产生表面间紧密接触。他认为随表面不平整度的增加，静电引力迅速下 降，当表面不平整度超过几微米时，电场辅助阳极连接难以实现。 m o r s y 等貉7 3 曾对k o v a r 合金一硼硅酸盐玻璃的电场辅勃阳极连接过程中的紧 密接触面积增大现象作了较系统的研究，结论为：提高连接温度或直流电压引起 紧密接触面积扩展速率明显增大：控制紧密接触面积扩展速率的因素在高温下为 玻璃的粘性流动，在低温下为玻璃的电导率。 目前研究者们趋予一致的看法是：电场辅助阳极连接的实现首先必须使待 连接表面紧密接触，然后在界面上通过化学反应形成化学键。 n i t z s c h e 等汹1 用弹性反冲检测分析法( e r d a ) 研究了电场辅助阳极连接中 p y r e x 硼硅酸盐玻璃恣离子迁移过稷，结果表明：低温低愿( 2 1 0 ，2 5 0 v ) 下电路中 电流几乎可全部用钠的迁移解释，而高温高压( 4 0 0 ，5 0 0 v ) 下，电流的解释必须 考虑负离子的迁移：核磁共振( n m r ) 研究显示他们试验中所用的玻璃内不存在非 桥键氧，因此憩们认为玻璃表面“沥滤层( 1 e a c h e dl a y e r ) 中 明卜团向阳极迁 移，之后与a 1 或s i 原子建立起不稳定复合体a 1 ( 0 h ) 。或s i ( o h ) 幻他们能转变成金属 氧化物或硅氧化物。这一结论与文献中常见的玻璃网络中非桥键氧的激发和迁移 机制相反。m o r s y 嘲等研究了玻璃- k o v a r 会金电场辅韵阳极连接赛面微结构，发 现电场使得钠、钾离子迁移，在阳极附近形成约数微米厚的钠、钾耗尽层，钾耗尽 层尾部跟着钾聚集层，两者都在钠耗尽层内( n i t z s c h e 等m 1 也发现n a + 耗尽层边存 在l ( + 、c a 2 + 聚集层，说明碱金属离子的确从阳极附近移向阴极：同时还发现连接温 度上升导致耗尽层厚度增加，提高电压使得耗尽层厚度略有增加，耗尽层厚度随 连接时间延长而增加并趋于饱和值。然而，n i t z s c h e 等1 研究a 1 和玻璃的电场辅 助阳极连接后认为在实验误差范围内，迂移的氧全用于形成界面氧化物a 王：毡。 日本的k i n gq i n g f e n g h ”等人分别对铝一玻璃的阳极键合詹的晃面进行了微 6 第一章绪论 观分析，在对铝一玻璃阳极键合的界面t e m 认为：铝向玻璃耗尽层扩散势形成铝 一玻璃永久键合的主要原因，此观点与传统阳极键合理论不同。 英器学者a n l o i u st 。j 。瓣2 。等入对铝一玻璃阳极键合进行了微观分析，认为在铝 一玻璃键合界面有r a 1 ：0 。生成，该r a 1 。0 。有瓶种形态，其一为树枝状纳米晶结 构，其二为界面形成了r a 1 ：0 ：；薄膜，此两种形态对界面形成均有贡献。树枝状 纳米晶结构像钉子一样将铝和玻璃钩在一莛，丽r a l 。0 ，薄膜戳像胶一样将两界 面粘结在一起，形成永久键合。 在多层阳极键合上，瑞士的m d e s p o n t h 们等人运用交流电作为电源，成功实 现硅玻璃硅的三层阳极键合，美国的n i t e s hd n i m k a r 瑟秘等人用此技术设计了 一种电子测试表面设备，该设备的敖热器结构由硅玻璃锅玻璃硅五层组成， 就是与光刻技术结合多次运用阳极键合技术实现其五层连接阳极键合的( 图i - 2 ) 美国科学家h q l i 4 翻等人制造崮的高频压电微阀门，该阀门由硅片、玻璃和绝缘 体上硅( s o o 等九层电子材料组成，它们分别用晶片级的阳极键合，扩散焊和共 晶焊技术将连接起来。目前国际上已成功进行多层阳极键合，但使用交流电源的 方法，电流需要根据不同材料、电压、温度等条件选择适当的频率，所以正确的 频率根难确定。与光刻等其它技术结合的方法设备比较复杂，这些给阳极键合技 术的推广带来困难。很有必要对多层键合工艺进行改进，为阳极键合真正在实际 中的推广与应用奠定基础。 总之，到冒前为止，针对玻璃与铝键合研究工作还比较零教，对规制的认识 还不统一，些问题诸如关于紧密接触随时间的变化，电荷分布，氧离子的来源、 钠离子迁移和阳极键合中的电流一时间特性，界面微观结构和物理化学性能，键含 机理解释及接头应力的分柝诗算等闻题还有待进一步研究。 1 4 本课题研究的内容 本文首先通过研究玻璃与铝的单层、三层、五层阳极键合工艺特性，进一 步探讨玻璃与铝阳极键合工艺方法的内在规律性，并分聿厅了界面靛力学性能， 为实际生产和应用制定合理的工艺规范。从而为这项技术适用范围的推广与应 用提供理论依据，弥补国内在这方面的不足。据此，本文就以下几个方面的问 题进行研究翻探讨： 7 玻璃与铝的阳极键合机理研究 ( 1 ) 玻璃与锅的两层键合研究 ，进行玻璃铝的两层连接试验，以期望获得最佳阳极键合工艺参数、结合 界面的微观组织特征和键合的影响因素并探讨玻璃铝豹可焊性与键合机理。 ( 2 ) 玻璃与铝的多层键合研究 随着集成电路复杂度的提高以及微电子电路设计的需要，多层晶片键合技 术也成为微电子元件设计过程中的关键技术之一，晷前国内尚无该项技术的相 关报道，因此有必要探讨多层晶片之间的键合技术。在本项目研究中将首创性 提出用于多层玻璃与铝的公共阳极键合方法。 ( 3 ) 阳极键合的机理研究 采用s e m 、e d x 、x r d 及t e m 对键含界面进行微观组织、结合界面的离子迁移、 反应相变过程及静电键合机理进行分析。对比五层、三层、单层的差异电场力在 阳极键合过程中起着至关重要的作用，采用a n t h o n y 模型，通过修正等效电路深 入理解多层晶片键合机理。通过实验揭示电场作用规律，即在电场作用下，材料 产生极化从而在界面间隙处形成较强的静电引力，使接触面实现紧密接触，同时 为材料内部部分离子的迁移扩散提供动力。通过厢热力学和动力学的观点对结合 爨瑟的翮极氧化和晷相反应进行分析，进一步了解不同材料在阳极键合条件下的 连接性，为键合工艺参数的设计提供理论依据。 ( 4 ) 玻璃与铝键合界面残余应力与变形的模拟分析 残余应力是影响玻璃与铝连接质量的主要因素，减少残余应力也是提高 m e m s 器件质量和使用寿命的关键技术。本项目研究期间与中国科学院力学所非线 性国家重点实验室合作，采用大型商用m a r c 有限元软件对键合接头残余应力与变 形分布进行模拟，建立接头废力分析模型，探讨界面应力应变场的分布规律，揭 示多层晶片阳极键合工艺参数对连接质量的影响，为m e b i s 器件质量提高提供理论 依据。 8 第二章玻璃与铝的两层阳极健合试验 第二章玻璃与铝的两层阳极健合试验 2 1 引言 钠硼硅酸盐玻璃具有优良的离子导电性能、抗热震性能和光学稳定性，成 为光学仪表、微型传感器、太阳能集热器面板、半导体器件基板等重要器件材 料。由于玻璃的软化温度( t g ) 较低，具有比陶瓷材料更为优良的热扩散连接 性能，因此，钠硼硅酸盐玻璃作为一种固体电解质材料在阳极键合技术中应用 较多。 2 2 实验材料与实验设备 2 2 1 实验材料的化学成分与性能 试验所用的材料及其化学成分和物理性能如表2 1 表2 1试验材料化学成分及物理性能 铝箔 0 0 29 9 9 o 0 1 一一一一一一 3 82 5 1 6 k 4 玻璃 2 02 37 23 31 0 5 52 1 1 1 04 9 2 2 2 试验设备 试验采用的是自制阳极键合炉，其示意图如2 1 所示，该键合炉包括高压 电源、炉体及加热控温装置，炉体内有加热板、上下极板、及照明灯。外加 电场设备及温控箱要保持精度和稳定性。键合电源采用1 0 1 0 0 0 v 连续调节 型直流滤波电源；配用t r c 电流保护及微机数据采集和运算单元；加热炉 采用s i c 加热元件及温控单元，控温区为2 0 8 0 0 ；试验平台采用三轴平行 定位及空间三维调节机械装置，加热炉腔可按工艺要求设计为真空、气体保 护或空气，本试验选择在真空中进行铝玻璃阳极键合。 9 玻璃与铝的阳极键合机理研究 图2 - 1 阳极连接的实验装置图 2 3 阳极键合试验 2 3 1 试验参数的确定 阳极键合的主要工艺参数包括：电压、温度、外压力、键合时间以及工件表 面的加工精度。本研究通过试验，确定了电压、温度、键合时间作为主要工艺 参数的影响因子。由于在键合过程中界面处外加电场的静电吸引力远大于外加 的压力，本实验将外加压力设为固定参数；工件表面粗糙度也作为固定参数。 2 3 2 键合过程： 研磨试样抛光 将玻璃粘在铁块上，先用水砂纸将其磨成平面，然后分别换用2 8 0 、 4 0 0 、6 0 0 、1 0 0 0 、1 4 0 0 、1 8 0 0 目的金相砂纸研磨，得到粗糙度为几纳 米的平整光滑界面。然后用抛光液抛光。 预处理 将已抛光的试样放在丙酮中使玻璃与铁块分离，用水清洗后放入 h c l ：h 。0 ：h ：0 = - 1 ：1 ：6 的溶液中，加热至6 0 c 8 0 c 处理十分钟，接着放 入去离子水中清洗。 放置试样 先将上下极板与铝和玻璃接触的表面用丙酮清洗干净，然后由去离子 1 0 第二二章玻璃与铝的两层阳极健台试验 水中取出硅，用丙酮清洗后使其镜面向上放置于阳极板上，用同样方 法将玻璃清洗后使其研磨面向下并与硅片重台，盖上阴极板( 为防止 两极接触，极板间加入绝缘陶瓷) ，将压力杆旋下压紧试样( 保证压力 杆圆尖顶在被压件中央，以使压力均匀) ，力量适当，防止造成压不紧 ( 两表面不能紧密接触) 或压力过太( 压碎试样) ，将热电偶放置于加 热板上以测定环境温度。 加温并加电场 本实验有两套电源，一套为控温电源，与加热炉、温控箱及热电偶相 连；另一套为电场电源与外加电场及加热炉相连。放好试样后，首 先接通温空箱电源，打开开关后分别设定温度( 一般为3 8 0 “4 3 0 c ) ， 然后升温至设定温度，l q 达该值时同时施加电场( 电压为4 0 0 7 5 0 v ) 并同步记录电流数据，注意重点记录前1 2 0 秒电流变化。电场施加时 间为1 0 、2 0 、3 0 分。反应时间到达后，先切断电场电源，然后切断加 热炉及温控箱电源，并整理好实验设备。 退火 撤去电场后随炉冷却至室温，一般需两小时。 取样 取出试样，放入袋中，同时记录相关实验数据。铝与玻璃连接后的照 片如图2 2 所示。 圈2 - 2 铝玻璃阳极键合后的照片 玻璃与铝的阳极键合机理研究 2 3 3 不同的参数对键合电流与焊合率的影响 ( 1 ) 通过实验发现温度与电压是影响阳极键合工艺的两个重要参数。从图 2 3 与图2 4 中可以看出，随着键合电压与键合温度的提高，最大电流值及稳态电 流值均随之增大。且温度的变化对键合电流的影响较键合电压对其的影响更大。 从图2 5 及图2 - 6 看出，在最佳工艺参数范围i 为( 3 5 0 , - - - , 4 2 0 。c ，6 5 0 - 7 5 0 v ) ，焊合率 随温度与电压的增大而增大。 、 皂 、 u c o j u 7 6 1 0 8 7 26 皇 。b = 4 q ) 皇3 82 1 0 01 02 03 0 4 05 06 0 t i m e ( s ) 图2 - 3 温度为4 0 0 。c 时不同电压下的键合电流变化趋势 01 02 03 04 05 06 07 0 t i m e ( s ) 图2 4 键合电压为5 0 0 v 时不同温度下的键合电流变化趋势 1 2 第二章玻璃与铝的两层阳极健合试验 ，_ 、 畎 、， 瓣 d 墼 电压u v 图 图2 5 焊合率随电压的变化曲线 2 6 02 8 0 3 0 0 3 2 03 4 转3 8 03 8 04 0 0 4 2 0 温度 r c 图2 - 6 焊合率随温度的变化曲线 ( 2 ) 温度的作用是使玻璃中的连接较弱的离子脱离束缚，在电场作用下发生 极化。同时温度的提高有幂j 予离子扩散的进行。僵温度的提高，使得两种材料的 热膨胀系数不匹配问题加剧，同时温度提高到一定限值( 4 0 0 ，8 0 0 v ) 恁，将很 容易发生击穿，因此温度不宜太高。此外，电压的作用是形成电场，紧密两试件。 同样，当电压加到一定值( 8 0 0 v ，4 0 0 c ) 后，也很容易发生击穿，因此电压的选择 还需视所选材料及温度丽定。总之，温度与电压是综合作用、相互影响的。 1 3 蛇 驰 明 髂 雅 跎 一皎v瓣锄哦 玻璃与铝的阳极键合机理研究 2 3 4 其它影响因素 ( 1 ) 电源的影响 传统的方法是利用直流电源进行阳极键合，而实际上通过改变电源和电极 的特性可以很好的提高键合质量。采用脉冲电源并选择合适的频率可大大缩短 键合的时间，试验证明：键合效率是波谷电压的函数，使用脉冲电压后，键合 时间变为原来的1 3 。这是因为在恒压作用下，耗尽层一直在增大，因此0 2 一所 受的电场力就会越来越小，扩散速度也就越来越慢。当电压处于波峰的时候， 离子迅速的电离并移动，并发生阳极氧化反应。当电压处于波谷的时候，耗尽 层又会变窄，0 2 一的扩散速度又会加快，这就使得更多的离子之间可以更加充分 的反应，从而大大提高键合的效率。 另外，电极也是影响键合质量的因素之一，在小面积键合时使用单点接触 就可以达到键合目的，但是在大面积键合时就必须通过多个点电极的方法改变 键合的质量，这也使键合所需时间大大的减少。 ( 2 ) 热膨胀系数 选择热膨胀系数相匹配的材料是实现良好键合的关键所在，由于铝的热膨 胀系数一般都比较大，因此在与铝的键合中，一般选择金属箔来消除热膨胀系 数的差异。 ( 3 ) 气氛的影响 阳极键合可以在真空中进行，也可以在气体保护气氛中进行。在铝与玻璃 的键合过程中，为防止金属在键合之前被氧化必须要通过惰性气体保护键合。 如果需要真空密封的器件还要考虑键合炉中温度的均匀性，因为温度不均匀可 能会导致键合界面化学键密度的降低进而影响键合的质量，这时候可以通过在 玻璃表面溅射一层金属薄膜或改进加热装置来改善键合环境。 ( 4 ) 压力和表面粗糙度 要想实现连接，晶片必须紧密接触。由于晶片不可能绝对的光滑，表面光 洁度越高，键合质量也就越高。在外在压力和高温作用下，玻璃发生粘性流动 而与铝紧密地接触，这是初步键合的前提条件。 ( 5 ) 键合后冷却速度的影响 1 4 第二章玻璃与铝的两层刚极健合试验 冷速过大，容易产生较大的残余应力，从而导致键合失败，因此需控制冷 速。本实验将冷速控制在4 - 5k s 。除此之外，时间、压力、升温速度、电 极的形状等均对键合过程有着不容忽视的作用，这些都有待于通过进一步完 善工艺而加以解决。 2 4 接头拉伸试验结果及分析 首先将键合后的试样切成1 0 m m 1 0 m m 的试件，对试件两侧用砂纸打磨粗 糙后用丙酮清洗，最后用高强胶将拉伸试验机上的廷伸棒粘在试件两端，固化 2 4 小时后，用夹具夹于拉伸试验机支架上的延长棒上，开动步进电机，作拉伸 试验。其装置图如2 7 所示，该拉伸试