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1、2018/10/14,微机电技术基础,1,微机械制造技术,3.5 固相键合技术 3.5.1 技术要求 1.概述固相键合技术是利用各种结合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维结构部件。常用的键合方法有： （1）阳极键合 （2）热熔键合（3）共熔键合（4）低温玻璃键合及冷压焊接等,2018/10/14,微机电技术基础,2,微机械制造技术,2.键合应满足的技术要求 （1）残余热应力尽可能小 （2）实现机械解耦，以防止外届应力干扰 （3）足够的机械强度和密封性 （4）良好的电绝缘性,2018/10/14,微机电技术基础,3,残余热应力 为了避免互联后产生热应力，应选用膨胀系数相互接近
2、的材料。,853,565,硼硅酸玻璃,2018/10/14,微机电技术基础,4,微机械制造技术,机械隔离技术 为了减少外界应力的干扰，对其中的核心部件和连接的边缘支座实现机械解耦。 以硅为例，有两种隔离方案 （1）硬隔离，即把边缘支座设计的具有足够大的刚度，固有频率很高 （2）设计固体固有频率很低的软隔离结构（隔离带）。,解耦：是相互联系很密切的子系统加进一些缓冲环节，使它们之间的联系减弱，相互依赖性减少。,2018/10/14,微机电技术基础,5,微机械制造技术,a硬隔离,b软隔离,硬隔离 能量传递函数 fh,fs 代表边缘支座和硅膜片的固有频率,软隔离 能量传递函数 fl,fs 代表软隔离
3、带和硅膜片的固有频率,隔离问题,2018/10/14,微机电技术基础,6,微机械制造技术,明显隔离的条件fh/fs10 , fs/fl 10,边缘高度h，和硅膜片值比大于15时，可以明显降低从基座引入敏感部件的外界干扰,2018/10/14,微机电技术基础,7,机械强度与密封正确运用前面介绍的各种连接方法，常温下的机械强度可达到连接材料自身的强度，且接合面具有良好的密封性能。 绝缘性为实现微结构互联中的电隔离，常在衬底材料表面淀积起绝缘作用的介质膜。,微机械制造技术,2018/10/14,微机电技术基础,8,微机械制造技术,3.5.2 键和方法 3.5.2.1阳极键合 1.概述 阳极键合又称静
4、电键合或场助键合。阳极键合技术可将硅与玻璃、金属及合金在静电场作用下键合在一起，中间务需任何粘接剂。 特点：键合界面具有良好的气密性和长期的稳定性。,2018/10/14,微机电技术基础,9,2.硅与玻璃的阳极键合原理 条件：硅与玻璃的键合可在大气或真空环境下完成。键合温度为180-500oC，接近于玻璃的退火点，但在玻璃的熔点以下。,原理图,2018/10/14,微机电技术基础,10,微机械制造技术,2.硅与玻璃的阳极键合原理与过程把将要键合的玻璃抛光面与硅抛光面面对面地接触，玻璃的另一面接负极，整个装置由加热板控制，硅和加热板也是阳极。当在极间施加电压（200-1000V视玻璃厚度而定)时
5、，玻璃中的Na+离子向负极方向漂移，在紧邻硅片的玻璃表面形成宽度约为几微米的耗尽层。由于耗尽层带负电荷，硅片带正电荷，所以硅片和玻璃之间存在较大的静电吸引力，使二者即刻紧密接触。在键合温度（180-500oC）下，紧密接触的玻璃与硅界面上将发生化学反应，形成牢固的化学键，促成玻璃与硅在界面上实现。键合强度可达到玻璃或硅自身的强度值甚至更高。,2018/10/14,微机电技术基础,11,微机械制造技术,3.玻璃与硅阳极键合的过程,2018/10/14,微机电技术基础,12,微机械制造技术,硅与硼硅酸玻璃阳极键合停止过程 在阳极键合过程中，加上电压后，即刻有一电流脉冲产生；稍候，电流几乎降为0，表
6、明此时键合已经完成。所以可以通过观察外电路中电流的变化，判断键合是否已经完成。,2018/10/14,微机电技术基础,13,微机械制造技术,硅与硅的互连 硅与硅的互连，也能用阳极键合实现，但在2片硅片间须加入中间夹层。常用的中间夹层次材料为硼硅酸盐玻璃。过程如下： （1）首先把要键合的硅片抛光 （2）在一个硅片上淀积一层厚2-4微米的玻璃 （3）阴极接在有玻璃的硅片上，阳极接在另一硅片上 结构如图：,2018/10/14,微机电技术基础,14,微机械制造技术,3.5.2.2 Si-Si直接键合 1.概述 两片硅片通过高温处理，可直接键合在一起，中间勿需任何粘接剂和夹层，也勿需外加辅助电场。这种
7、技术是将硅片加热到1000oC以上，使其处于熔融状态，分子力导致两个硅片键合在一起。这种技术称为硅熔融键合，或直接键合。,2018/10/14,微机电技术基础,15,微机械制造技术,2. 硅-硅直接键合与阳极键合比较 硅-硅键合可以获得硅-硅界面，实现材料的热膨胀系数、弹性系数等的最佳匹配，得到硅一体化结构。有利于提高产品的长期稳定性和温度稳定性。,2018/10/14,微机电技术基础,16,微机械制造技术,2.Si-Si或SiO2- SiO2键合的关键Si-Si或SiO2- SiO2键合的关键是硅表面的活化处理、表面光洁度、平整度以及在工艺过程中的清洁度。,2018/10/14,微机电技术基
8、础,17,3. 硅-硅键合的工艺过程 （1）表面处理及清洗过程,氢氧化铵,2018/10/14,微机电技术基础,18,（2）Si-Si键合过程,Si-Si直接键合(SDB),将2硅片表面抛光成镜面,表面处理剂清洗,2镜面硅片铁和，靠亲和力， 形成自身键合。,高温（700-1000）处理， 有利于消除键合面的孔洞。,形成高强度的键合面。,2018/10/14,微机电技术基础,19,微机械制造技术,（3）硅-硅直接键合的不足Si-Si直接键合需要在高温（700-1000oC）下才能完成，而高温处理过程难以控制，且不变操作；因此低温下实现Si-Si键合就出现，(如：氩气等离子体处理硅表面，实现低温键
9、合)。,2018/10/14,微机电技术基础,20,微机械制造技术,低温键合步骤 （1）先对要键合的一对硅片进行表面处理和清洗 （2）把清洗好的硅片放入真空装置里 （3）利用真空中的氩离子对硅表面进行处理（Ar气源的工作电压1.2kV,Ar等离子电流为20mA，Ar离子束的入射角为45o，射向硅表面的Ar压力约为0.1Pa，腐蚀时间约为1min，腐蚀深度约为4nm (4)经过Ar离子腐蚀、去污及清洁后的一对硅片表面在外加约为1MPa压力下，即可在室温条件下实现牢固的Si-Si直接键合。整个过程都在真空下进行的。,2018/10/14,微机电技术基础,21,微机械制造技术,3.5.2.3玻璃封接
10、键合 概述用于封接的玻璃多为粉状，通常称为玻璃料。他们由多种不同特征的金属氧化物组成，不同比例的组份，热膨胀系数不同。这样的玻璃料是由玻璃厂家专门制成的，一般有两种基本形态：非晶态玻璃与晶态玻璃。,2018/10/14,微机电技术基础,22,将纯度高、含钠低及超精细的玻璃粉悬浮在匀质的酒精溶液中，采用丝网印刷，喷镀、淀积或挤压等方法，将其置于一对被键合的界面间实现对接。 封接温度： 415 -650。 压力：7-700kPa.,2018/10/14,微机电技术基础,23,微机械制造技术,3.5.2.4 金属共熔键合 1.概念 金属共熔键合是指在被键合的一对表面间夹上一层金属材料膜，形成3层结构
11、，然后在适当的温度和压力下实现熔接。 2.共熔的材料 金硅和铝硅等,2018/10/14,微机电技术基础,24,微机械制造技术,3.共熔温度 金硅共熔的温度为360-400oC，而铝硅共熔的温度接近600oC。 4.应用金属共熔键合法在微机械零部件制造中多用在硅和金属部件间的接合，如硅衬底背与金属底座的接合。接合前，应对被键合的表面进行清洗（如超生清洗）处理。,2018/10/14,微机电技术基础,25,2018/10/14,微机电技术基础,26,微机械制造技术,3.5.2.5 冷压焊键合 概述：冷压焊键合是指，在室温条件下，施加适当的压力，完成件与件之间的接合。,2018/10/14,微机电技术基础,27,微机械制造技术,3.5.2.6 键合方法小结,2018/10/14,微机电技术基础,28,3.6微机械加工技术总结,
