紫外光活化低温键合研究进展

随着电子及生物医疗元器件朝着微型化、便携式及多功能性的发展,连接(电子领域内常被称为“键合”)已成为材料或结构一体化集成不可或缺的关键环节。表面活化键合避免了传统焊接工艺中的高温,能够在较低温度条件下使热膨胀差异较大的材料或结构实现可靠连接,在微电子、微机电系统、光电子及微流控芯片等制造领域极具应用潜力,其中紫外光作为一种简易高效的表面活化手段近年来备受关注。本文对紫外光活化低温键合相关的研究进展进行综述,主要介绍了紫外光的基本性质,对有机及无机材料基板表面的作用效果,总结了面向微电子、微机电系统和光电子器件制造的紫外光表面活化晶圆键合成果,以及其在微流控器件封接、医用可植入器件制备中的应用实例,最后对该键合方法的未来发展和挑战进行了展望。     

面向圆片级气密封装的表面活化直接键合技术

通过封装实验和性能检测,成功验证了表面活化直接键合技术应用于圆片级气密封装的可行性.实验中使用刻蚀出方形槽的硅圆片,通过化学表面活化方法.与基板硅圆片在室温下成功预键合,形成气密腔体;经过350℃、5 h的大气环境退火后强化了键合强度及气密性能.利用红外透射方法检测了键合后的硅圆片,其界面完整无明显空洞;键合界面横截面SEM图像显示键合界面均匀平整无显著缺陷.键合而成的气密腔体依次经过氦质谱仪和氟油检漏仪检测其气密性,平均漏率达到了1.175×10-8Pa·m3/s.     

8寸CMP设备对小尺寸镀铜InP晶圆的工艺开发

为了实现在8寸化学机械抛光设备上进行小尺寸镀铜InP晶圆的减薄抛光工作,提高设备的兼容性,缩减工艺步骤,减少过多操作导致InP晶圆出现裂纹暗伤和表面颗粒增加等问题,自制特殊模具,使小尺寸InP晶圆在8寸化学机械抛光设备上进行加工,再根据InP晶圆易碎的缺陷问题,通过调整设备的抛光头压力、转速和抛光垫的转速等相关工艺参数,使其满足后续键合工艺的相关需求。实验结果表明：在使用特殊模具下,当抛光头的压力调整为20.684 kPa、抛光头与抛光垫的转速分别为：93 r/min和87 r/min时,InP晶圆的表面粗糙度达到：Ra≤1 nm;表面铜层的去除速率达到3 857×10-10/min;后续与8寸晶圆的键合避免键合位置出现空洞等缺陷,实现2寸InP晶圆在8寸设备上的CMP工艺,大大降低了CMP工艺成本,同时避免晶圆在转移过程中出现表面颗粒度增加和划伤的情况,实现了InP晶圆与Si晶圆的异质键合及Cu互连工艺。     

电容式微机械超声传感器的工艺综述

电容式微机械超声传感器(CMUT)自出现以来,因其频谱宽、分辨率高、声阻抗匹配好等优势,在超声成像领域大有取代传统压电式传感器的趋势。围绕CMUT最主要的两种制造工艺方法,重点简述了表面微加工技术和晶圆键合技术的基本方法、工艺材料、薄膜形成等相关概念,并介绍了基于这两种方法加工制造CMUT的基本流程。从表面微加工方法中薄膜的沉积材料和结构以及晶圆键合方法中键合方式和键合温度等方面进行论述,总结介绍了CMUT加工工艺的研究现状。在此基础上对CMUT加工工艺的未来进行展望,提出应从工艺温度、薄膜材料、晶圆粗糙度和粘滞现象等4个主要方面进行重点研究,从而使CMUT早日实现推广应用。     

多功能真空键合设备的研制

基于圆片键合技术，设计了一种在真空条件下进行圆片键合的工艺设备。在该设备的基础上，进行了阳极键合与金硅键合2种典型的键合试验，键合出来的样品结合强度高而且没有缺陷，验证了该设备的实用性。     

压力约束模式下热超声倒装键合的试验

在采用压力约束模式夹持倒装芯片的条件下，实现了热超声倒装键合。通过观测键合过程中的输入超声功率、工具末端和芯片的振幅变化情况，研究了压力约束模式下不同键合参数对键合过程和键合强度的影响规律。试验结果表明：在这种约束模式下，键合力和功率对键合强度具有重要的影响；键合力对金凸点的变形是决定性的；键合强度与输入的超声能量总量有关，过小和过大的超声能量都不能形成好的键合强度，高强度的键合并不需要大的超声功率输入，键合过程中能量主要耗散于工具／芯片间相对运动导致的摩擦做功，并造成了芯片和工具的磨损。     

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.     

热超声键合PZT阻抗和功率动态特性研究

鉴于热超声芯片封装工艺的键合点空间高度局部化和时间瞬态性等特点，通过分析系统前端PZT阻抗和功率的动态变化规律，研究了芯片金球凸点与基板的键合过程及键合质量。结果表明：对于恒压源的键合系统，PZT换能器电流、阻抗及功率信号可表征键合过程的动态变化，且可将金球凸点与基板键合过程分为初始、平稳、结束三个阶段；键合环境的变化反映在PZT阻抗和功率变化之中，且PZT阻抗和功率与键合强度存在直接关系。试验及分析表明，PZT换能器阻抗和功率变化反映了金球凸点与基板键合过程及键合质量的差别，可用以分析整个键合系统。     

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。     

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.     

金铝键合体系服役寿命评价方法研究

金铝键合是单片集成电路、微波T/R组件中实现硅芯片与基板互连的最主要手段。它是一种异质键合工艺,不可避免地会在键合界面生成金属间化合物,这也给金铝键合的可靠性带来了严峻挑战。文中研究了一种新型Au-Al键合体系服役寿命评价方法。采用金丝键合的破坏性拉力数据作为判定对象,基于高温加速寿命理论Arrhenius模型和威布尔模型设计Au-Al键合的可靠性评价方案,测试过程易于开展,评价数据直观,系统测试误差小。在室温25 ℃条件下,失效寿命为22.0年;在80 ℃工作温度下,失效寿命为9.1年。该评价方法可为Au-Al键合体系在型号装备中的应用提供支撑,为异质材料键合可靠性评价提供方法参考。     

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     

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。     

陶瓷-玻璃-单晶硅的阳极键合工艺性研究

首先采用射频磁控溅射法在ZrO2陶瓷基体上沉积一层钠硼硅酸盐玻璃，并通过该钠硼硅酸盐玻璃薄膜作为中间层利用阳极键合方法实现了ZrO2陶瓷与单晶硅的间接连接。     

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。     

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。     

基于Ag-Sn焊片共晶键合的MEMS气密性封装

研究了在MEMS气密性封装中基于Ag-Sn焊片的共晶键合技术。设计了共晶键合多层材料的结构和密封环图形,在221℃实现了良好的键合效果,充N2保护的键合环境下,平均剪切强度达到9.4 MPa.三个月前后气密性对比实验表明氦泄漏不超过5×10-4Pa.cm3/s,满足GJB548B—2005标准规定,验证了Ag-Sn共晶键合技术在MEMS气密封装中应用的可行性。     

固相微萃取(SPME)技术与质谱技术联用研究进展

SPME是二十世纪八十年代末期发展起来的一项革命性的样品前处理技术。经过十余年的发展演变，目前已经成功地实现了与各现代分析仪器的联用并应用于诸多研究领域。本文综述了固相微萃取（SPME）技术研究进展，主要包括SPME发展现状及技术特点，讨论了SPME在萃取纤维涂层，材料，键合技术，复合/交联键合相等方面的改进；同时综述了该技术与现代分析仪器联用方面的应用进展。     

新型室温中远波段红外探测器的关键工艺研究

介绍了一种基于MEMS技术的新型室温中远红外波段硅基电容式红外探测器原理和制作工艺过程，并详细介绍了针对单面光刻机而采用的对准孔双面对准和键合对准技术、浓硼扩散FLPW腐蚀停止技术制备超薄敏感硅膜以及薄膜的疏水处理等关键工艺。还对各环节所遇到的问题和其相应的解决方法进行了详细地阐述。     

重型液压设备承载结构连接形式

在回顾预应力钢丝缠绕液压机的发展和现状的基础上,抽象出液压机的基本力学模型,指出重型设备工程领域常用的三种连接结构形式,即冶金结合结构、键合结构和坎合结构。分别从连接形式、力学特征和应用特性等多方面对其进行了全面比较分析,阐明了各种结合结构的优缺点,同时也阐明了坎合结构在重型承载中的应用优势。通过例举我国多台自主建造的万吨级重型压机实施情况,说明坎合原理及其技术在重型压机中已经得到广泛应用,在重型装备等行业中具有巨大潜在市场。