基于中间硅片厚度可控的三层阳极键合技术

三层键合Glass-Silicon-Glass(GSG)结构在光MEMS、微惯性器件、微流体芯片、射频MEMS以及低成本圆片级封装技术领域里是一项重要技术.基于MEMS精密研磨抛光工艺和阳极键合,结合新型玻璃通孔的腐蚀工艺,开展了中间硅片厚度可控的三层阳极键合工艺研究,成功制备了带有通孔的GSG微流体器件.总厚度1360μm,中间硅片厚度60μm,通孔直径100μm,孔间距(圆孔的中心距离)200μm,孔内边缘圆滑无侧蚀.三层结构的键合几率为90%,为探索多层键合技术打下坚实基础.     

微纳米级键合强度分析(英文)

本文主要研究了微米/纳米尺度的键合技术和键合强度,给出并发展了基于MEMS技术的微米/纳米键合分析模型.为提取微米/纳米键合面积的最大剪应力和压应力,设计、制备和测试了一系列单晶硅悬臂梁结构.并使用理论公式和ANSYS有限元模拟对实验结果进行了分析.键合强度可以分为扭转和剪压表征两部分.根据测试值可得,最大抗扭强度为1.9×109μN.μm,最大压应力为68.3 MPa.     

激光熔融键合在新型室温红外探测器的应用

运用Nd：YAG激光在功率300W、光束运动速度为0．05m／s、光束直径为700μm的条件下能得到键合强度平均为9．3MPa的硅／玻璃熔融键合效果。该键合方法能进行选择区域键合,完全避免了由于键合过程中电场给超薄敏感可动微结构带来的畸变甚至失效,为新型室温红外探测器的研制奠定了良好的工艺基础。     

低温非晶硅/金圆片键合技术(英文)

本文研究了低温非晶硅/金圆片键合技术.具有不同金硅比的键合片在400℃键合温度和1 MPa键合压力下维持30 min,其键合成功区域均高于94%,平均剪切强度均大于10.1 MPa.键合强度测试结果表明键合成品率与金硅比大小无关,平均剪切强度在10～20 MPa范围内.微观结构分析表明键合后单晶硅颗粒随机分布在键合层内,而金则充满其他区域,形成了一个无空洞的键合层.无空洞键合层确保不同金硅比非晶硅/金键合片均具有较高的键合强度,可实现非晶硅/金键合技术在圆片键合领域的应用.     

金-硅共晶键合技术及其应用

采用金属过渡层来实现硅-硅低温键合,首先介绍了选择钛金作为金属过渡层的原因和金硅共晶键合的基本原理,然后探索了不同键合面积和不同金层厚度对金硅共晶键合质量的影响规律,开展了图形化的硅晶圆和硅盖板之间的低温共晶键合实验研究,获取了最优键合面积的阈值和最优金层厚度.最后将该低温金硅共晶键合技术应用到MEMS器件圆片级封装实验中,实验结果表明较好地实现了MEMS惯性器件的封装强度,但是还存在密封性差的缺陷,需进一步进行实验改进.     

Cu/Sn等温凝固芯片键合工艺研究

研究了Cu/Sn等温凝固芯片键合工艺,对等离子体处理、键合气氛、压力以及Sn层厚度等因素对焊层的键合强度的影响进行了分析和优化。实验表明,等离子体处理过程的引入是保证键合质量的重要因素,在功率500W、时间200s的处理条件下,得到了最大的键合强度;而键合气氛对键合质量有显著的影响,在真空环境下,能得到最佳的键合质量;压力对键合质量的影响较小,施加较小的压力(0.05MPa)即能得到较大的剪切强度;而Sn层厚度对键合质量的影响极小,而较薄的厚度能够缩短键合时间。在最优化条件下,得到的键合强度值全部达到了美军标规定的6.25MPa的强度要求(对于2mm×2mm芯片)。     

一种避免静电黏附失效的低应力阳极键合技术

基于阳极键合过程中的静电吸合效应,提出了一种可避免静电黏附失效的低应力阳极键合技术.采用湿法腐蚀技术制作了梯形截面的硅梁结构和对应的Pyrex玻璃基底,理论分析了该结构的静电吸合电压并进行了实验验证.采用铝/铬作为玻璃基底的电极层,铬作为中间层,从而阻止阳极键合发生.由于在键合过程中形成的铬氧化物为导体,所以硅与玻璃之间的静电场消失,从而阻止了玻璃中的O2-等负离子向硅移动,避免了静电黏附失效;采用Al作为主要电极层,可以保证电极的电学特性.采用了逐步升压法,首先在200 V低电压条件下进行预键合,使结合面具有一定的连接强度,然后再提升键合电压至400 V进行强化键合,在充分保证键合强度的前提下,静电力作用下的结构变形仅为400 V恒压模式下的1/4,减小了静电力对键合结构产生的影响,有效改善了键合过程中产生的残余应力.     

功能陶瓷(玻璃)与金属材料阳极键合的机理研究及应用进展

阐述了功能陶瓷、玻璃等无机非金属材料与金属及半导体材料进行阳极键合的键合机理、在MEMS中的应用及其发展前景;列举了阳极键合在MEMS生产过程中的一些最新应用实例;指出了其在MEMS的生产制造过程中存在的一些问题及今后的研究方向.     

键合Cu线无卤直接镀Pd工艺及性能研究

利用扫描电镜、聚焦离子束、强度测试仪研究了键合铜线无卤直接镀钯工艺及不同模具孔径对镀钯键合铜线表面质量、镀层厚度的影响规律,分析了钯层均匀性对键合性能的影响机理.研究结果表明:无卤直接镀钯工艺可获得镀层均匀的镀钯键合铜线;直接镀模具孔径大于被镀铜线直径3~4μm时,镀钯铜线镀层均匀且表面光洁;镀钯铜线钯层不均匀会造成Electronic-Flame-Off(EFO)过程中的Free Air Ball(FAB)偏球缺陷,进而降低焊点力学性能;直接镀钯键合铜线镀层均匀,避免了Free Air Ball(FAB)偏球缺陷,焊点球剪切力≥15 g、球拉力≥8 g,呈非离散分布,满足工业化要求.     

基于局部溶解性激活的聚合物微流控芯片超声波键合

利用低于临界振幅下的超声波作用在聚合物上仅产生表面热的特点,结合PMMA在异丙醇(IPA)中的温变溶解特性,提出了一种基于局部溶解性激活的超声波聚合物微流控芯片键合方法.理论分析表明当超声振幅小于临界振幅时,只有器件接触表面产生局部表面热,而且在70℃附近IPA对PMMA的溶解性才具有良好的激活作用.在试验研究中,利用精密加工法和热压法制作了带面接触式导能筋结构和80μm×80μm微通道的PMMA微流控芯片基片.在超声振幅为13μm、键合时间8 s、键合压力300 N的条件下进行了键合试验.结果表明,芯片拉伸强度达2.25 MPa,微通道的承压能力超过800 kPa,键合后导能筋无熔融,微沟道变形率小于2%,键合时间仅为8s.该方法的键合强度和键合效率明显高于传统的键合方法,而微结构的变形率却较小,故可作为一种具有产业化前景的聚合物MEMS器件快速封接方法.     

碳化硅质焊料连接氮化硅/碳化硅陶瓷的性能研究

采用以碳化硅为主相的焊料,在无压的条件下,连接氮化硅结合碳化硅陶瓷.结果表明:焊料在室温到1323K的干燥和烧结过程中,体积稳定,稍有膨胀.在1173K保温3h的条件下,连接的样品拉伸强度达到1.76MPa,热震残余强度保持率为82%.接头致密,并且焊料层与母材显微结构非常相似,界面处有明显的元素扩散,这对于提高结合强度和热震性能有重要作用.     

SiC陶瓷表面处理工艺对SiC-AFRP界面粘接性能的影响

为提高SiC陶瓷-芳纶纤维增强树脂基复合材料(SiC-AFRP)的界面粘接性能,研究了陶瓷腐蚀工艺、偶联剂处理工艺、粘接剂种类对SiC-AFRP界面剥离强度的影响。结果表明:SiC陶瓷表面腐蚀工艺和偶联剂处理工艺能有效提高SiC-AFRP界面粘接性能。陶瓷经K3Fe(CN)6与KOH混合腐蚀液浸泡2h,使用乙烯基三乙氧基硅烷偶联剂偶联化处理后,SiC-AFRP的界面剥离强度由0.45kN/m提高至2.20kN/m;VA含量15%(质量分数)的EVA热熔胶膜是理想的界面胶黏剂。     

Diffusion bonding SiC or Si3N4 to Nimonic 80A

A method of diffusion bonding SiC or Si₃N₄ to Nimonic 80A was developed to establish the fundamental technology for the application of ceramics to machinery components used at elevated temperature. An analysis of the thermal stress that occurs in ceramic/Nimonic 80A bonded composites was done using the finite element method, and a bonding experiment based on the analytical results was conducted. The composites were produced by the insert metal bonding method, using varying thickness of Ni, W, Kovar, Cu and so on. It was found that the residual thermal stress in the ceramic part of the composite was extremely low and that the composite had a tensile strength of more than 98 MPa at room temprature. Furthermore, the paper describes the feasibility of the application ofthis bonding method to components for marine diesel engines.     

Cr_2O_3-8%TiO_2等离子喷涂层结合强度、表面状态与喷涂层厚度的关系

以往,有关等离子喷涂CrO3-8%TiO2涂层厚度与涂层性能关系的报道较少,为此,通过优化工艺参数,在45钢表面等离子喷涂不同厚度(350,450,550μm)的Cr2O3-8%TiO2涂层,研究了涂层厚度与其结合强度、硬度和孔隙率之间的关系。涂层厚度为350,450,550μm时,结合强度分别为29.2,11.5,7.2MPa,显微硬度分别为2528,2190,1930HV;孔隙率分别为3.80%,3.95%,4.45%。结果表明,随Cr2O3-8%TiO2喷涂层厚度的增加,涂层的结合强度减小,孔隙率增加,造成显微硬度降低。     

Interfacial microstructure and strength of partial transient liquid-phase bonding of silicon nitride with Ti/Ni multi-interlayer

Partial transient liquid-phase bonding (PTLP bonding) of silicon nitride (Si₃N₄) ceramic has been performed using Ti/Ni multi-interlayer in vacuum at 1273–1423 K. Interfacial microstructures were examined by scanning electron microscope, electron probe micro-analysis, and X-ray diffraction. The joint strength has been measured by four-point bending tests from room temperature up to 1000 °C. Interfacial structure of Si₃N₄/TiN/Ti₅Si₃ + Ti₅Si₄ + Ni₃Si/(NiTi)/Ni₃Ti/Ni is formed after bonding process. The NiTi layer is gradually consumed with simultaneous growth of the reaction layer and the Ni₃Ti layer. The room temperature joint strength is significantly affected by the reaction layer thickness, whereas the elevated temperature joint strength significantly depends on whether the low melting point NiTi layer exists in the joint. The joint strength of more than 100 MPa is retained up to 800 °C as the NiTi layer is completely consumed. A model is proposed to optimize the PTLP bonding parameters for optimizing joint strength at both room temperature and elevated temperature.     

Al-Ti合金钎焊SiC陶瓷接头界面微观结构与力学性能

SiC陶瓷具有优异的综合性能, 通过钎焊获得高强度接头是其获得广泛应用的重要前提。研究采用Al-(10, 20, 30, 40)Ti(Ti的名义原子含量10%、20%、30%、40%)系列合金, 在1550 ℃条件下, 对SiC陶瓷进行钎焊30 min。当中间层厚度为~50 μm时, SiC钎焊接头的平均剪切强度处于100~260 MPa范围内。当采用Al-20Ti合金作为钎料时, 随着中间层厚度从~100 μm减小至25 μm, 钎焊接头的平均强度逐渐提高, 且最大强度~315 MPa。同时, 钎焊中间层中(Al)相逐渐减少直至消失, 只留下Al₄C₃、TiC和(Al,Si)₃Ti相。SiC/Al-20Ti/SiC钎焊接头的断裂主要发生在靠近中间层/陶瓷界面位置的陶瓷基体内。     

CVD-SiC界面改性涂层对气相渗硅制备C_f/SiC复合材料力学性能的影响

在气相渗硅制备C_f/SiC复合材料时,界面改性涂层非常重要。良好的界面改性涂层一方面起到保护碳纤维不受Si反应侵蚀的作用,另一方面起到调节纤维和基体界面结合状况。通过在C纤维表面制备CVD-SiC涂层来进行界面改性,研究CVD-SiC界面改性涂层对GSI C_f/SiC复合材料力学性能和断裂特征的影响,并分析其影响机制。结果表明:无CVD-SiC涂层改性的C_f/SiC复合材料力学性能较差,呈现脆性断裂特征,其强度、模量和断裂韧度分别为87.6MPa,56.9GPa,2.1MPa·m1/2。随着CVD-SiC涂层厚度的增加,C_f/SiC复合材料的弯曲强度、模量和断裂韧度呈现先升高后降低的趋势,CVD-SiC涂层厚度为1.1μm的C_f/SiC复合材料的力学性能最好,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为231.7MPa,87.3GPa,7.3MPa·m1/2。厚度适中的CVD-SiC界面改性涂层的作用机理主要体现在载荷传递、"阻挡"Si的侵蚀、"调节"界面结合状态3个方面。     

A user-friendly heat-resistant modified polymer-based adhesive for joining and repair of carbon/carbon composites

A user-friendly heat-resistant modified polymer-based adhesive was developed to join C/C composites. After calcination at 1300 °C, the bonding effect of the adhesive reached the highest as more heat-resistant ceramics and high-temperature melting glass were generated in the adhesive. Its bonding strength was kept above 15 MPa during test from RT to 500 °C and the corresponding joints ruptured at C/C substrates. Besides, after repeated thermal-cycling at 1300 °C, the bonding strength at this temperature was maintained at about 12 MPa. For cured adhesive without calcination, its bonding strength could be maintained above 5 MPa during the whole heating process, which made it to have direct application in practice after curing.     

Microstructure and mechanical properties of diffusion bonded SiC/steel joint using W/Ni interlayer

This paper describes the design and examination of W/Ni double interlayer to produce a joint between SiC and ferritic stainless steel. Diffusion bonding was performed by a two steps solid state diffusion bonding process. Microstructural examination and mechanical properties evaluation of the joints show that bonding of SiC to steel was successful. EDS and XRD analysis revealed that W₅Si₃ and WC were formed at SiC/W interface. The diffusion products at W/Ni interface, Ni-rich solid solution Ni(W) or intermetallic compound Ni₄W, was found to be dependent on the second step joining temperature. Neither intermediate phases nor reaction products was observed at Ni/steel interface for the joints bonded at the temperature studied. The average tensile strength of 55 MPa which is insensitive to the second step process was measured for as-bonded SiC/steel joint and the failure occurred at SiC/W interface. The hardness near the various bonded interfaces was also evaluated.