微机电系统技术基础课件 4

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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6/28/20211微机电技术基础微机械制造技术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6/28/20212微机电技术基础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的材料。853℃565℃

2、硼硅酸玻璃6/28/20213微机电技术基础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。6/28/20214微机电技术基础微机械制造技术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代表软隔离带和硅膜片的固

3、有频率隔离问题6/28/20215微机电技术基础微机械制造技术明显隔离的条件fh/fs≥10,fs/fl≥10边缘高度h，和硅膜片δ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6/28/20216微机电技术基础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6/28/20217微机电技术基础微机械制造技术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。6/28/20218微机电技术基础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500VHotplate(300∼500℃)GlassSiliconElectrostaticforce6/28/20219微机电技术基础微机械制造技术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

5、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，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。6/28/202110微机电技术基础微机械制造技术3.玻

6、璃与硅阳极键合的过程6/28/202111微机电技术基础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。6/28/202112微机电技术基础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

7、另一硅片上结构如图：6/28/202113微机电技术基础微机械制造技术3.5.2.2Si-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。6/28/202114微机电技术基础微机械制造技术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。6

8、/28/202115微机电技术基础微机械制造技术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。6/28/202116微机电技术基础3.硅-硅键合的