微機(jī)電系統(tǒng)低溫陽(yáng)極鍵合用微晶玻璃的研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱MEMS)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng)中，經(jīng)常需要封裝基片結(jié)構(gòu)，因此封裝技術(shù)是MEMS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，而鍵合技術(shù)又是各類封裝方法中最為重要的一類。陽(yáng)極鍵合作為在MEMS系統(tǒng)中所使用的一項(xiàng)重要鍵合技術(shù)，具有工藝簡(jiǎn)單、鍵合強(qiáng)度高、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微電子技術(shù)和MEMS技術(shù)等領(lǐng)域。發(fā)展低溫、低電壓陽(yáng)極鍵合，可以避免高溫、高電壓引起的材料被擊穿、電子元件的損壞、材料氧化以及產(chǎn)生

2、熱應(yīng)力等不良現(xiàn)象。同時(shí)低溫陽(yáng)極鍵合使MEMS的封裝工藝的可選擇性更廣、應(yīng)用也更為廣泛。因此，配合研究快速、低溫、高質(zhì)量的陽(yáng)極鍵合技術(shù)，尋求符合要求的新材料就具有重要的實(shí)際意義。 與傳統(tǒng)的鍵合基片材料玻璃相比，微晶玻璃以其系統(tǒng)廣泛、品種繁多、性能優(yōu)異，特別是其熱膨脹系數(shù)在較大范圍內(nèi)可調(diào)而著稱，本課題以微晶玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)耐熱玻璃作為陽(yáng)極鍵合基片材料，通過(guò)選擇合適的微晶玻璃系統(tǒng)與組成、優(yōu)化其熱處理制度、控制其主晶相種類、晶粒含量及其尺寸

3、大小，調(diào)整其熱膨脹系數(shù)，使之與硅片、金屬(不銹鋼)等鍵合材料近似匹配，達(dá)到減少鍵合應(yīng)力、降低鍵合溫度、提高鍵合質(zhì)量的目的；同時(shí)利用陽(yáng)極鍵合裝置進(jìn)行了陽(yáng)極鍵合實(shí)驗(yàn)及鍵合性能測(cè)試，并詳細(xì)分析了鍵合工藝參數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響，探尋了鍵合工藝制度與鍵合性能之間的影響規(guī)律；獲得了鍵合界面微觀結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)硅/微晶玻璃低溫陽(yáng)極鍵合進(jìn)行了研究與探索，初步建立了微晶玻璃與硅片、金屬(不銹鋼)等材料的陽(yáng)極鍵合模型。 本文的主要研究?jī)?nèi)容和取得的具體成

4、果有： (1)論文全面概括了微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，詳細(xì)分析了各種鍵合技術(shù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及陽(yáng)極鍵合技術(shù)今后的發(fā)展方向。深入探討了微晶玻璃作為良好的封裝材料或鍵合材料的可行性，重點(diǎn)闡述了低溫陽(yáng)極鍵合的目的及意義，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了論文的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)、技術(shù)路線及實(shí)驗(yàn)工藝流程。 (2)系統(tǒng)深入地研究了與金屬材料鍵合的Li2O—Al2O3-ZnO—SiO2(LAZS)系統(tǒng)微晶玻璃組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律。通過(guò)優(yōu)化基礎(chǔ)

5、玻璃組成及相應(yīng)的熱處理制度，使微晶玻璃與其鍵合材料的熱膨脹系數(shù)近似匹配，從而達(dá)到減少鍵合界面的殘余應(yīng)力，提高鍵合質(zhì)量之目的。通過(guò)DTA、XRD、SEM及相關(guān)的測(cè)試方法，重點(diǎn)分析討論了熱處理制度對(duì)主晶相、晶粒尺寸大小、析晶程度及其相關(guān)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微晶玻璃試樣的熱膨脹系數(shù)可以達(dá)到131.6×10-7/℃-142.32×10-7/℃，最大抗折強(qiáng)度達(dá)到95.91MPa，具有良好的抗酸堿腐蝕的能力。由此可見(jiàn)LAZS系統(tǒng)微晶玻璃的熱學(xué)

6、、力學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性等性能足以滿足與選定金屬材料(不銹鋼)進(jìn)行良好的陽(yáng)極鍵合。 (3)全面系統(tǒng)地研究了與硅片鍵合的Li2O—Al2O3-SiO2(LAS)系統(tǒng)微晶玻璃。采用差熱分析方法，研究了LAS系統(tǒng)基礎(chǔ)玻璃的析晶動(dòng)力學(xué)，利用Kissinger、JMA及其修正方程計(jì)算該系統(tǒng)玻璃的析晶活化能等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，分析鋰鋁比對(duì)其析晶動(dòng)力學(xué)的影響機(jī)制。探討了LAS微晶玻璃組成、結(jié)構(gòu)和熱膨脹性能三者之間的關(guān)系，重點(diǎn)研究了組成、復(fù)合晶核劑對(duì)微晶玻

7、璃的析晶性能、微觀結(jié)構(gòu)以及熱膨脹系數(shù)的影響。 (4)采用優(yōu)化組分和二步熱處理法制備了熱膨脹系數(shù)與硅片近似匹配的LAS系統(tǒng)微晶玻璃，并在測(cè)試微晶玻璃熱膨脹系數(shù)、抗折強(qiáng)度等基本性能的同時(shí)，著重研究了微晶玻璃的電學(xué)性能(介電性能，電阻率等)，為后期鍵合機(jī)理的研究創(chuàng)造有利條件。結(jié)果表明：微晶玻璃的室溫電阻率大于基礎(chǔ)玻璃，且隨溫度的升高電阻率呈下降的趨勢(shì)；微晶玻璃的介電常數(shù)和介電損耗均小于基礎(chǔ)玻璃。在介電性能方面，LAS系統(tǒng)微晶玻璃更適宜

8、作為電子器件的絕緣封裝材料。 (5)創(chuàng)新性地開展了不銹鋼/微晶玻璃、硅/微晶玻璃陽(yáng)極鍵合實(shí)驗(yàn)。根據(jù)不同鍵合材料的特殊性，選取不同的鍵合工藝參數(shù)進(jìn)行了陽(yáng)極鍵合實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)鍵合狀況的觀察及鍵合強(qiáng)度的測(cè)試，分析了電壓、溫度、時(shí)間和壓力等鍵合工藝參數(shù)對(duì)鍵合效果的影響，探討了低溫鍵合工藝參數(shù)與鍵合性能之間的變化規(guī)律。 (6)實(shí)驗(yàn)采用去離子水、特殊的化學(xué)溶劑和等離子體刻蝕等三種不同的基片材料表面處理方式，比較分析了不同表面處理方法對(duì)

9、陽(yáng)極鍵合質(zhì)量的影響；詳細(xì)分析了陽(yáng)極鍵合影響因素，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了五種陽(yáng)極鍵合強(qiáng)度的表征方法；通過(guò)檢測(cè)分析鍵合界面微觀形貌及結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)硅/微晶玻璃低溫陽(yáng)極鍵合進(jìn)行了研究與探索，初步建立了硅/微晶玻璃、金屬/微晶玻璃陽(yáng)極鍵合模型。 (7)自制了簡(jiǎn)易陽(yáng)極鍵合裝置(大氣環(huán)境)，并購(gòu)置了一套真空陽(yáng)極鍵合設(shè)備；圍繞本研究?jī)?nèi)容的開展，同時(shí)配合學(xué)校211建設(shè)引進(jìn)了一套美國(guó)進(jìn)口精磨拋裝置、利用學(xué)?？蒲袑ｍ?xiàng)基金配置了一套日本進(jìn)口超景深三維顯微系統(tǒng)。