玻璃（陶瓷）与金属阳极键合界面结构及力学性能

论文摘要

阳极键合是一种利用电和热相互作用实现固体电解质玻璃（陶瓷）与金属材料固态连接的一种新方法。由于其具有低温、快速、良好的可靠性和稳定性的特点,现已发展成为一种用于微机电系统（Microelectromechanical System,MEMS）器件封装的关键技术之一。对于适用于MEMS器件的各种新型材料阳极键合性能的研究和复杂微机械结构中微连接特征的深入研究将有利于促进MEMS技术的发展和产品设计开发。本文运用阳极键合技术,分别对玻璃/铝、玻璃/可伐合金、固体电解质陶瓷/铝的连接进行了键合工艺试验;并在此基础上设计了多层玻璃/铝键合的共阳极法键合新技术;采用高分辨扫描电镜、超轻元素能谱仪及透射电镜分析了键合界面微观组织、化学元素分布及剪切断口形貌等,采用X射线衍射仪分析了界面微区相结构;应用电学等效方程,对玻璃与铝阳极键合过程的电特性进行了物理模拟;从阳极键合过程键合界面的静电场分布、紧密接触区的变化规律、离子迁移及其电化学、热力学和动力学特征等方面深入分析了阳极键合形成机理;采用MARC非线性有限元分析软件,分析了玻璃与铝、玻璃与可伐合金键合试件冷却过程的应力分布,研究了从450℃冷却到室温时的键合试件翘曲变形量和变形形状、键合试件应力和应变分布的规律。研究认为,在键合温度300～500℃,电场电压400～700V,键合时间5～15min,压力0.05～1MPa的阳极键合最佳工艺参数下,玻璃与铝、玻璃与Kovar合金具有良好的连接性;在键合温度400～500℃,电场电压150～300V,键合时间5～15min,压力0.05～1MPa的阳极键合最佳工艺参数下,β″-Al2O3陶瓷与铝具有良好的连接性;ZrO2陶瓷表面的活化处理提高了ZrO2陶瓷与铝的连接性,在电场电压150～300V,键合温度400～500℃时便可实现良好键合,表明具有表面活化层的ZrO2的连接性较好。键合界面结构分析结果表明,结合区由玻璃（陶瓷）—扩散过渡层—金属的结构形成。不同材料的键合界面扩散过渡层分别由Al2SiO5,FeSiO3,Na5AlO8等尖晶石类的复合氧化物构成。扩散过渡层与界面两侧的化学元素呈梯度分布,玻璃与铝多层共阳极键合在铝的两侧各元素呈对称梯度分布。玻璃（陶瓷）与金属结合过程分为界面极化及紧密接触阶段,离子迁移及阳极氧化阶段,界面氧化物固相反应及过渡层形成三个阶段。界面静电场力及离子扩散迁移为界面结合的电化学反应提供了必要条件,随后发生的阳极氧化和界面固相反应是形成界面高强度连接的主要原因。通过对界面电化学反应的动力学和热力学分析表明,温度、电场强度、化学元素浓度差是影响界面反应过程和扩散过渡层形成的主要因素和基本条件。玻璃（陶瓷）与金属阳极键合工艺参数温度、电压和材料的离子导电性可满足界面结合过程的自发进行。玻璃与铝多层共阳极键合时,在玻璃/铝/玻璃键合试件共阳极铝的两侧玻璃中同时产生对称的离子流和两层碱金属Na+离子耗尽层,相当于两对玻璃/铝试件之间的并联键合。在一定键合温度、电场强度条件下,其峰值电流约是玻璃/铝两层阳极键合电流的两倍以上。应用电学等效方程对两层和三层阳极键合过程电特性的物理模拟结果与试验结果相吻合。玻璃/铝/玻璃共阳极键合试件结合强度随温度和电压的增加而增加,断裂发生在靠近铝界面的玻璃基体中,表明界面的结合强度高于基体材料。多次运用共阳极法可实现更多层晶片良好键合。为多层晶片的连接以及复杂微电子装置的设计提供了新方法和理论依据。MARC有限元分析结果表明,玻璃与铝（Kovar合金）阳极键合试件在冷却过程中产生残余应力和变形。由于玻璃/铝/玻璃三层阳极键合试件的对称结构,键合界面附近的残余应力和应变均呈对称分布而有利于减缓变形,其最大变形量（0.00418%）和等效应变(2.42×10-2)显著小于玻璃/铝两层阳极键合试件的最大变形量（0.175%）和等效应变(3.47×10-2)。这一特征对于MEMS器件的精密封装工艺及质量提高具有重要的意义。玻璃/铝/玻璃三层阳极键合试件和玻璃/铝两层阳极键合试件的最大等效应力和最大剪应力均发生在键合试件的过渡层上,从而使该部位成为阳极键合接头的薄弱环节。Kovar合金具有与玻璃相近的热膨胀系数,因此玻璃/Kovar合金阳极键合试件残余应力及变形均显著小于玻璃/铝键合试件的对应值。表明选用热物理性能相近的封装材料是减小接头残余应力的重要措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及现状
• 1.2 阳极键合技术的应用及研究进展
• 1.2.1 玻璃与硅的连接
• 1.2.2 玻璃与金属的连接
• 1.2.3 通过中间层实现玻璃/玻璃和硅/硅的连接
• 1.2.4 陶瓷与金属（硅）的连接
• 1.2.5 运用阳极键合技术实现玻璃、硅与金属的多层连接
• 1.2.6 与其它连接方法一起实现多层不同材料（元件）的连接
• 1.3 阳极键合过程中尚待解决的问题
• 1.3.1 关于阳极键合机理的研究
• 1.3.2 改进工艺方法
• 1.3.3 残余应力与变形行为的模拟研究
• 1.4 本研究主要内容和学术思想
• 第二章 玻璃与铝阳极键合及界面形成机理分析
• 引言
• 2.1 试验材料及试验方法
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验设备及方法
• 2.2 玻璃/铝阳极键合试验
• 2.2.1 试验过程
• 2.2.2 试验结果与分析
• 2.2.2.1 离子迁移与电流—时间特性
• 2.2.2.2 键合界面微观结构分析
• 2.2.2.3 界面结合率及其影响因素
• 2.3 玻璃与铝多层阳极键合技术及界面形成机理
• 2.3.1 阳极键合工艺试验
• 2.3.2 键合界面微观结构特征及形成机理分析
• 2.3.3 键合界面形成工艺因素分析
• 2.3.3.1 极化电流及静电力
• 2.3.3.2 键合影响因素
• 2.3.4 力学性能分析
• 本章小结
• 第三章 玻璃（陶瓷）与金属阳极键合试验及界面微观结构
• 引言
• 3.1 试验材料及试验方法
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.1.1 可伐（Kovar）合金
• 2O₃陶瓷'>3.1.1.2 β″-Al₂O₃陶瓷
• 2O₃稳定的ZrO₂陶瓷'>3.1.1.3 Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷
• 2材料表面活化处理'>3.1.2 Y-ZrO₂材料表面活化处理
• 3.1.3 键合工艺试验
• 3.2 玻璃/Kovar合金阳极键合结果分析
• 3.2.1 键合界面微观分析
• 3.2.2 键合界面连接质量分析
• 3.2.3 键合界面过渡层形成分析
• 3.3 电解质陶瓷与铝阳极键合结果分析
• 3.3.1 工艺参数对键合过程的影响
• 3.3.2 结合区微观组织特征
• 2O₃/Al键合界面微观分析'>3.3.2.1 β″-Al₂O₃/Al键合界面微观分析
• 2/Al键合界面微观结构'>3.3.2.2 ZrO₂/Al键合界面微观结构
• 3.3.3 电解质陶瓷与铝键合界面结合机理分析
• 3.3.3.1 离子迁移及界面氧化物形成
• 3.3.3.2 界面扩散及氧化物化合
• 本章小结
• 第四章 玻璃（陶瓷）与金属阳极键合过程的若干问题
• 引言
• 4.1 键合材料之间紧密接触的形成
• 4.2 离子运动与离子耗尽层的形成
• 4.3 阳极键合过程电特性的物理模拟
• 4.4 界面电化学反应
• 4.4.1 界面离子扩散及阳极氧化反应
• 4.4.2 固相反应及扩散过渡层形成
• 4.5 界面扩散动力学
• 4.5.1 界面扩散的边界条件
• 4.5.2 界面扩散的动力学
• 4.5.3 在阳极键合工艺参数下的扩散
• 4.6 界面反应热力学
• 4.6.1 Gibbe自由焓及反应平衡常数
• 4.6.2 界面反应过程的热力学分析
• 本章小结
• 第五章 玻璃与金属阳极键合接头力学分析
• 引言
• 5.1 弹塑性有限元分析概述
• 5.1.1 增量理论的基本准则
• 5.1.2 弹塑性应力应变增量关系
• 5.1.3 弹塑性问题的求解
• 5.2 玻璃与铝、玻璃与Kovar合金阳极键合过程MARC分析
• 5.2.1 前处理模型的建立
• 5.2.2 有限元求解
• 5.2.3 有限元计算结果的后处理
• 5.3 玻璃/铝阳极键合过程力学分析结果与讨论
• 5.3.1 残余变形
• 5.3.2 残余应力和应变
• 5.3.3 各参数随冷却时间的变化
• 5.4 玻璃/铝/玻璃阳极键合过程力学分析结果与讨论
• 5.4.1 残余变形
• 5.4.2 残余应变
• 5.4.3 残余应力
• 5.4.4 各参数随冷却时间的变化
• 5.5 玻璃/Kovar合金阳极键合过程力学分析结果与讨论
• 5.5.1 残余变形
• 5.5.2 残余应力和应变
• 5.5.3 各参数随冷却时间的变化
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录