表面活化室温键合技术研究进展

随着半导体技术领域对低温晶圆键合技术的需求不断增长，表面活化键合（Surface activated bonding, SAB）技术开始被广泛研究。与其他键合方式相比，即使在室温下，表面活化键合也能完成牢固的键合，对于常规半导体、金属材料等非常有效。但对于SiO₂、有机物等材料，标准的表面活化键合并不十分适用，限制了其在特定领域的应用。近年来，研究者们提出两种改进型表面活化室温键合技术，通过在表面活化时或活化后向材料表面沉积一层纳米中间层，将晶圆的直接键合转化为纳米中间层间的键合。在键合机理方面，重点分析了材料的表面活化机制、界面原子成键机制以及环境因素对键合强度的影响等。通过对前期研究的分析总结进一步对比了三种表面活化键合技术的优缺点，期望可以推动表面活化键合技术在半导体技术领域的进一步广泛应用。     

PC微流控芯片黏接筋与溶剂的协同辅助键合

为了在微流控芯片上形成封闭的微通道等功能单元,克服热压键合中微流控结构的塌陷和热压所致芯片微翘曲对后续键合的影响,提出了一种适用于硬质聚合物微流控芯片的黏接筋与溶剂协同辅助的键合方法。以聚碳酸酯(PC)微流控芯片为研究对象,通过热压法在PC微流控芯片上的微通道两侧制作凸起的黏接筋,通过化学溶剂丙酮微溶PC圆片的表面,然后将PC圆片与带有黏接筋的PC微流控芯片贴合、加压、加热,从而实现微流控芯片的键合。分析了键合机理,并对键合工艺参数进行了优化。实验结果表明:键合质量受丙酮溶剂溶解PC圆片的时间和键合温度的影响,能够保证键合质量的最佳键合温度为80~90°,溶解时间为35~45s,芯片的键合总耗时为3min。与已有键合工艺相比,所提出的黏接筋与溶剂辅助键合工艺有效提高了键合效率。该键合方法不仅适用于具有不同宽度尺寸微通道的微流控芯片,还可扩展用于不同材料的硬质聚合物微流控芯片。     

辅助溶剂对PMMA微流控芯片模内键合的影响

为了提高聚合物微流控芯片的键合效率,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片为对象,以微型注塑机为平台,研究了聚合物模内键合方法.利用注塑机提供的合模力作为键合力,利用模温机提供键合温度,选择异丙醇作为辅助溶剂,借助溶剂溶解特性来降低模内键合中的键合温度和压力.在30～70℃,用测量显微镜和台阶仪测试分析了不同键合温度条件下,辅助溶剂对芯片的表面形貌和微通道结构的影响;利用辅助溶剂进行模内键合实验,用电子万能实验机测试了芯片的键合强度,对模内键合工艺参数进行了优化.结果表明:异丙醇对键合质量的影响与键合温度、键合时间有关,在较高温度下会使芯片产生皲裂、微沟槽变形和堵塞;在键合温度为35℃,键合时间为5 min时,芯片的表面质量和微沟槽形貌较完整,键合强度不小于2.64 MPa.     

塑料微流控芯片热压及键合设备结构设计研究

微通道的热压成形及盖片与基片的键合是制作塑料微流控芯片的关键工艺。大连理工大学微系统研究中心开发了用于自动化制作塑料微流控芯片的设备。该设备采用封闭的立柱结构，通过力矩电机驱动的螺旋升降机提供所需的压力。对其结构设计进行研究，具体介绍该设备结构设计的特点。     

超声波键合熔接结构及压力自平衡夹具

聚合物微流控芯片对键合精度、键合强度及键合效率要求高。为了避免超声波键合中微通道被堵塞,解决键合过程中由调平精度和高频振动引起的键合强度低、键合压力分布不均的问题,设计了一种基于超声波键合的熔接结构和压力自平衡夹具。首先,利用感压胶片对压力自平衡夹具和不带自平衡功能的夹具的压力分布进行测量,并定义了压力分布系数进行量化。其次,利用两种夹具分别对设计芯片进行超声键合,并利用工具显微镜对焊线和微通道截面进行观测。最后,对两组芯片进行键合强度测试和密封性测试。实验结果表明:所设计的熔接接头结构对微通道的控制精度可达2.0μm。压力自平衡夹具结构简单可靠,可提高压力均匀性35.20%~43.18%,并使得焊线均匀一致,同时可提高键合强度15.3%~45.1%,并保证密封性。该熔接结构和压力自平衡夹具可满足聚合物微流控芯片的控制精度、键合强度、压力均匀性及其密封性的要求。     

PMMA面键合的热压法工艺研究

研究了PMMA热压键合工艺,测量了PMMA的键合强度,利用扫描电镜检测了键合后微流体管道的结构变化,讨论了键合温度、键合压力等因素对键合强度的影响;给出了热压键合的合理工艺参数范围.结果表明,经过参数优化后的热压键合法可以满足PMMA微流体器件对键合的需求.     

塑料微流控芯片的超声波焊接键合的仿真

阐述了适合于塑料微流控芯片键合的超声波焊接的原理,设计了适用于微流控芯片的超声波焊接的两种导能筋,利用有限元软件模拟超声波焊接的过程,利用单元的"生死"和热焓法控制相变,计算出导能筋中温度场的分布情况,及微沟道在焊接过程中的变形情况.理论上验证了利用超声波焊接进行芯片键合的可行性.     

静电键合力引起硅微结构畸变的研究

硅微机械力敏器件在封装时往往采用硅—玻璃静电键合的方法。但在静电键合时静电力也往往作用于不需要键合的结构部分。并可能引起这些结构的畸变，造成器件特性劣化或破坏。本文分析了静电力的这些影响，并结合实践提出了一些解决方法     

声表面波微流控液滴生成技术研究进展

微液滴是一种十分优秀的微反应器,在化学合成、生物检测及细胞研究等领域应用广泛。近年来,声表面波微流控技术发展迅速,在微液滴制备中具有重要应用前景。首先简单回顾了微液滴和声表面波微流控的研究发展历程,然后重点介绍了声表面波微流控液滴生成的工作原理、器件结构、液滴生成过程及工艺参数等;同时介绍了声表面波微流控核壳微液滴的可控生成机理及其制造过程。最后总结并展望了该技术在生化检测、生物3D打印等领域的应用前景。     

一种微流控检测芯片的设计与工艺研究

设计并制作了一种PMMA材料的微流控检测芯片,利用外界气体驱动液体,用于实验样品的分析和检测.芯片的整体尺寸为86 mm×60 mm×4.5 mm,利用精密加工的方法进行加工.采用一种简单实用的溶胶.凝胶改性方法对微通道管路进行亲水处理,实验证明亲水性有明显提高.并分析了亲水性提高的机理.提出一种新的溶剂键合方法,在室温下对芯片进行键合.溶剂为二氯乙烷和无水乙醇按1:1混合的混合液.分析了不同溶液配比、键合时间和键合压力对键合效果的影响.同时,芯片上集成了多个阀,对阀膜材料的选择、粘接工艺进行了研究.     

聚合物微流控芯片的键合技术与方法

在微流控芯片的制作中,键合是关键技术之一,基片与盖片只有通过键合才能形成封闭的微通道,因此键合质量直接影响芯片的制作质量。对键合方法进行了分类,综述了目前已有的芯片键合技术及方法,分析了各种键合方法在制作质量、制作效率以及是否适用于批量化制作等方面的局限性,详细介绍了具有效率高、适合批量化生产等优点的超声波键合技术的研究进展。     

高温高湿环境对键合Cu线可靠性影响的研究

通过高温存储试验和高压蒸煮试验对铜线键合器件在高温高湿环境下的可靠性进行研究,分析试验前后键合球剪切力和键合球拉力的变化,利用扫描电镜、透射电镜观察试验前后键合界面形貌及金属间化合物类型,采用能谱仪对试验前后键合界面的成分进行分析。研究结果表明,键合初期,Cu/Al键合界面没有生成Cu、Al金属间化合物,键合界面具有一定的连接强度;高温存储试验后,Cu/Al键合界面生成CuAl、Cu_9Al_4金属间化合物,连接强度增加;高压蒸煮试验后,Cu/Al键合界面的Cu_9Al_4金属间化合物消失,键合界面由于卤素原子的加入使周围环境呈现弱酸性,Cu9Al4金属间化合物在该环境下被腐蚀,其反应式为Cu_9Al_4+12Br-~=4AlBr_3+9Cu +12e~-,键合界面出现孔洞,键合界面强度减小,降低了器件的可靠性。     

功率超声微纳电子封装互连技术研究进展

新材料与工艺是推动先进电子制造与封装发展的关键,尤其针对高集成度、高温服役和高可靠性等大功率器件的互连难题,开发出面向高端微电子制造关键“卡脖子”技术的材料与工艺显得尤为紧迫。功率超声具有表面清洁、空化与声流等特性,可显著提高界面冶金连接能力,能有效克服传统瞬态液相连接反应时间长与温度高的难点,且能破解Cu、Al等金属互连过程中易氧化的痛点问题,并解决了SiC、Al2O3、AlN等陶瓷基板难润湿与纳米颗粒低温烧结驱动力不足的难题。结合本团队在该领域深耕多年的积累,聚焦功率超声应用于微纳连接方向,从超声固相键合、超声复合钎焊和超声纳米烧结互连等三个方面综述了面向电子制造中功率超声微纳连接技术的原理、方法、特点及实际应用场合,并分别从固相连接中引线键合、室温超声金属连接和超声增材制造等领域,到钎焊连接中超声低中高温软钎焊与超声瞬态液相连接等领域,提出适用于超声微纳连接的新型互连技术。最后,针对第三代半导体中大功率器件封装互连的迫切需求提出了超声纳米烧结连接新方法,并开发出具有高效低温连接高温服役的金属纳米焊膏新型互连材料,且对其接头力学、热学、电学,以及可靠性等进行了全面评估,也进一步总结...     

透明材料微小器件键合质量检测系统设计

针对材料和结构均特殊的透明材料微小器件的键合质量检测,提出了可见光透射机器视觉检测法。分析了检测系统硬件中主要部件的性能要求,研究了该检测系统的图像处理技术。检测系统利用光源、相机、镜头和计算机等主要部件实现图像采集功能,并通过图像相减、灰度直方图调整、图像滤波和图像二值化等图像处理功能来完成质量检测。实验结果表明,提出的可见光透射机器视觉检测法能灵敏有效地检测出透明材料微小器件键合位置处存在的键合间隙和缺陷大小,检测精度可达10 μm,满足透明材料微小器件键合质量的要求,是一种高效、非接触、无损、无污染的检测方法。     

微流控器件金属镍模具的电铸制作

提出了一种微流控器件金属镍模具的制作方法。首先应用凸角补偿技术以各向异性湿法腐蚀硅得到呈凹图案的硅基阴模,再在硅基上电铸制作镍阳模。以此阳模为模具经过浇模、键合批量制作PDMS微流控器件。结果表明镍模具的平整度高,其表面算术平均粗糙度为0.725μm。多次复制得到的微流控器件重现性好,一致性高,其沟道的下底宽度、上顶宽度和深度的相对标准偏差(RSD)分别为1.70%、2.29%和5.31%。     

键合技术在微机械Golay-cell红外探测器中的应用

介绍多种硅片键合技术及其在基于高菜盒（Golay-cell）原理的微机械红外探测器中的应用。对多种键合方法在该器件中的实验结果进行比较，确定了现阶段最优的键合方法，即采用局部电场屏蔽方法的阳极键合方法，键合成功率在90％以上，并初步实现了器件的标准化制作。     

ZrO2电解质陶瓷与Al的阳极键合连接机理分析

在一定连接工艺参数下,进行ZrO2电解质陶瓷与Al的阳极键合工艺试验,并在万能电子材料试验机上对ZrO2电解质陶瓷与Al的阳极键合连接接头进行剪切强度试验.采用扫描电镜、超轻元素能谱仪及X射线衍射仪分析连接界面微观组织、成分分布、界面相结构及剪切断口.试验结果表明,ZrO2的表面活化处理提高了ZrO2/Al的连接性,结合界面在阳极键合条件下形成高的氧离子迁移率及静电场力是促进结合的主要因素;过渡区ZrO2-SiO2-Al2O3 的多界面固相反应是结合形成的主要原因;ZrO2/Al接头的剪切断裂位置位于ZrO2与过渡区的结合界面,启裂区位于ZrO2的近界面区,扩展并终断于Al与过渡区界面;终断区断口形貌表明Al/过渡区界面具有较高的接合质量.     

微流控芯片的键合技术与方法

键合是将组成微流控芯片的基片和盖片以某种方式结合在一起,从而形成封闭的微通道的一种装配方法。键合质量直接影响到微通道中流体的运动形态,从而影响检测效果,因此键合是微流控芯片制作过程中非常重要的环节。综述了现有的微流控芯片键合技术和方法,分析了各种键合技术和方法在键合质量、键合效率以及操作简便性等方面的特点,为不同材质、不同应用领域的微流控芯片选择适用的键合方法提供了技术指南,对键合技术的未来发展进行了分析和预测。     

芯片封装过程热超声制造界面多参数影响的规律与控制

在中国国家自然科学基金重大项目《先进电子制造中的重要科学技术问题研究》资助下，提出芯片封装界面制造过程多参数影响规律与控制之科学问题。获得包括界面键合结构与强度生成机制、超声作用下键合界面的运动行为、超声能输入系统动力学与超声能量传递模型等3个方面的研究成果。对上述成果提出研究报告。 为认识外能场对界面物质的作用机制，采用高分辨透射电镜(High Resolution Transmission Electron Microscopy，HRTEM)观察超声键合点(Bonding Interface，BI)连接界面微结构及生成条件，观察到超声作用界面材料位错密度剧增，表明界面没有发生高温，界面超声键合是在较低的温度下进行扩散键合，推断，超声键合过程中位错/表面扩散起重要作用。提出微观位错管道快速扩散成形机制——超声键合过程中激活的原子通过位错通道迅速达到表面和晶界     

玻璃浆料键合中的孔洞抑制和微复合调控

提出了包含三步式排泡过程的预烧结工艺以及双凹凼-凸台的微复合键合结构方案,以便有效控制玻璃浆料层中的孔洞生成并精确控制键合间隙。预烧结工艺涉及的三步式排泡包含玻璃液形成、真空排泡与孔洞流平3个过程,该过程有效地排除了气泡,从而抑制了键合中间层中的孔洞形成,其工艺的重复性和鲁棒性很强。微复合键合结构中的内外凹凼用于有效控制多余的熔融的玻璃浆料的流动路径,避免其对封装结构的污染;微阻挡凸台则可以精确地将玻璃浆料层的厚度即键合间隙控制到凸台高度。对键合性能的测试表明,该方案简单有效,键合强度和气密性良好,键合间隙为10.1μm,键合强度为19.07 MPa,键合漏率小于5×10-9 Pa·m3/s。