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.     

晶圆直接键合及室温键合技术研究进展

晶圆直接键合技术可以使经过抛光的半导体晶圆,在不使用粘结剂的情况下结合在一起,该技术在微电子制造、微机电系统封装、多功能芯片集成以及其他新兴领域具有广泛的应用。对于一些温度敏感器件或者热膨胀系数差异较大的材料进行键合时,传统的高温键合方法已经不再适用。如何在较低退火温度甚至无需加热的室温条件下,实现牢固的键合是晶圆键合领域的一项挑战。本文以晶圆直接键合为主题,简单介绍了硅熔键合、超高真空键合、表面活化键合和等离子体活化键合的基本原理、技术特点和研究现状。除此之外,以含氟等离子体活化键合方法为例,介绍了近年来在室温键合方面的最新进展,并探讨了晶圆键合技术的未来发展趋势。     

基于正交试验分析的阳极键合强度研究

采用抗拉强度作为键合质量评价的指标,对硅-玻璃阳极键合的键合温度、冷却速度、退火温度和时间等四个参数的三个位级下的键合效果进行了分析。通过采用正交试验分析法,将81组试验减少为9组并进行了试验。采用自制的抗拉强度测试机对强度进行了测试,结果发现,阳极键合后的冷却速度对强度的影响最为显著,冷却速度越低,强度越高。最后对断裂面进行了SEM分析并对试验结果进行了讨论。     

InP/GaAs低温键合的新方法

通过对 InP/GaAs 异质键合实验方法的研究,提出了包括表面活化处理、真空预键合和退火热处理的三步法,在350℃低温下实现了InP/GaAs异质材料的键合。界面电流 电压(I V)特性的研究表明,350℃样品的界面过渡层极薄,电子主要以隧穿方式通过界面,而450℃的扩散使得过渡层增厚,界面电流 电压特性可视为双肖特基二极管的反向串联。同时,对键合样品也进行了拉力测试,实验结果表明 450℃样品的键合强度优于350℃样品。最后,对InP/GaAs异质材料的键合机理进行了探讨。     

面向超高温压力传感器的SiC-SiC键合方法

为了实现耐高温压力传感器SiC腔体的制作,分别利用高性能陶瓷胶、旋涂玻璃和金属Ni等3种材料作为键合层,研究了SiC-SiC键合工艺.扫描电子显微镜和键合拉伸强度实验结果表明,这3种材料的键合层均可以成功应用于SiC-SiC键合,其中高性能陶瓷胶键合层厚度为20~30μm,键合强度可达4 MPa;旋涂玻璃键合层厚度为2μm左右,键合强度约1.5 MPa;金属Ni键合层厚度为1μm,键合强度约为0.5 MPa.     

阳极键合研究现状及影响因素

为了提高键合质量、优化键合材料,促进阳极键合技术在工业生产中的应用,本文以“硅/玻璃”的阳极键合为例,阐述了阳极键合作为新型连接工艺的键合机理及工艺过程,介绍了现阶段阳极键合在国内外工业生产中的应用实例及相关研究,尤其是在微电子封装领域所展现的杰出应用前景,同时结合阳极键合过程中对键合参数、材料处理等要求,给出了影响键合质量的各种因素,以及在键合过程中常出现的问题及其解决办法.本文立足于键合机理及键合工艺过程,结合不同材料特性,重点阐述了阳极键合这一新型连接工艺的国内外研究现状及影响键合的因素,为进一步提高键合质量、优化键合工艺、开发新的键合材料等提供理论依据.     

铜线性能及键合参数对键合质量的影响

为了提高铜线性能及其键合质量,采用拉力-剪切力测试仪、扫描电镜等研究了不同力学性能铜线及相应的键合参数对其键合质量的影响,分析了不同伸长率和拉断力、铜线表面缺陷、超声功率和键合压力对铜线键合质量的作用机制.结果表明:伸长率过小和拉断力过大会造成焊点颈部产生微裂纹,从而导致焊点的拉力和球剪切力偏低;表面存在缺陷的铜线其颈部经过反复塑性大变形会造成铜线表面晶粒和污染物脱落而出现短路和球颈部断裂;键合过程中键合压力过大能够引起的焊盘变形,同时较大的接触应力引起铝层溢出;过大的超声功率使键合区域变形严重产生明显的裂纹和引起键合附近区域严重的应力集中,致使器件使用过程中产生微裂纹而降低器件的使用寿命.     

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.     

直接键合硅片的三步亲水处理法及界面电特性

亲水处理是硅片能否直接键合成功的关键。基于亲水处理的微观机理分析和不同清洗要水处理的过程及效果,本文提出了独特的三步亲水处理法。这一方法既能顺利完成室温预键合,又能减少界面上非定形大尺寸ＳｉＯｘ体的生成,避免了界面对电输运的势垒障碍,结果获得了理想的键合界面。     

引线键合系统键合工具振动特性研究

研究微电子封装超声引线键合系统键合工具的动态特性和摩擦行为,运用有限单元法建立了键合工具的动态接触模型,初步掌握微电子超声键合系统键合机理。通过对键合工具施加不同的加载频率和正压力的计算结果进行对比,定性地给出了键合过程中加载频率和正压力的变化对键合工具动态响应和摩擦应力的影响.研究结果表明:键合工具的加载频率偏离固有频率,键合工具针尖部分的幅值响应将迅速减小,同时摩擦应力的均值也相对减小;正压力增大,响应幅值将会相应减小;正压力增大到一定值时,幅值响应将会波动比较大,如果要得到适合的键合点尺寸的要求,同时保证键合质量,就必须选择合适的加载频率和正压力。     

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.     

液相连接氮化硅陶瓷的结合强度研究

本文用玻璃焊料研究了氮化硅陶瓷的液相连接,探讨了组份（0～10wt％α－Si₃N₄）、温度（1450～1650℃）和保温时间（10～120min）对结合强度的影响规律．结果表明,α－Si₃N₄的加入提高了液态焊料的粘度,降低了焊料的流动性,导致结合强度下降．采用组份为不含α－Si₃N₄的纯氧化物玻璃焊料在1600℃、保温30min可以得到较为理想的结合强度．     

Wafer Scale Solventless Adhesive Bonding with iCVD Polyglycidylmethacrylate: Effects of Bonding Parameters on Adhesion Energies

Initiated chemical vapor deposition (iCVD) polyglycidylmethacrylate (PGMA) thin films are investigated as adhesives for wafer‐scale bonding of 300 mm silicon substrates and demonstrated to form highly uniform, void‐free bond interfaces. The effects of bonding temperature and pressure on critical adhesion energy (G_c) between iCVD PGMA and silicon are studied using the four‐point bend technique. G_c values can be varied over an order of magnitude (0.59–41.6 J m⁻²) by controlling the bonding temperature and the observed dependence is attributed to changes in the physical (diffusion) and chemical (crosslinking) properties of the film. Thermal degradation studies using spectroscopic ellipsometry reveal that the iCVD PGMA films can crosslink when annealed above 120 °C in air. Further, changes in polymer behavior associated with annealing temperature are demonstrated to influence the crack propagation interface between the bonded substrates. These findings demonstrate the feasibility of iCVD polymer films for both temporary “thermoplastic,” and permanent “thermoset” bonding with potential applications in 3D integrated circuit technologies.     

高强度聚硫密封腻子的制备及粘接性能研究

以液态聚硫橡胶为主体材料、二氧化锰为固化剂研究了不同牌号聚硫橡胶配比、二氧化锰用量对密封腻子力学性能的影响以及橡胶粘接面处理形式对密封腻子粘接性能的影响。结果显示,当不同分子量的液体聚硫橡胶以质量比30：55：15复配使用、二氧化锰用量为12份时,聚硫密封腻子具有较好的力学性能,砂带打磨结合等离子处理橡胶粘接面可以大幅度提高密封腻子的粘接强度。     

钛表面的氧化对钛瓷结合强度的影响

研究了钛表面氧化对钛/瓷结合强度的影响, 并采用溶胶凝胶技术在钛表面制备SnO_x中间层, 研究SnO_x层对钛/瓷结合强度的影响. 结果表明：空气炉中800℃氧化3min后, 钛/瓷结合强度明显下降; 烤瓷炉中预氧化3min, 钛/瓷结合强度无明显变化. 热处理使钛表面生成一层金红石型氧化层, 钛/瓷剥脱主要发生在金红石氧化层与钛之间. 采用溶胶-凝胶法经300℃处理后在钛表面制得的SnO_x涂层, 可有效隔绝氧向Ti表面的扩散, 防止钛表面的过度氧化, 提高了钛/瓷结合强度. 经SnO_x涂层处理后, 钛/瓷剥脱主要发生在SnO_x涂层内.     

Ni-Fe-W-P合金镀层结合强度的研究

镀层与基体之间的结合强度是功能镀层能否实际使用的首要指标,由于Ni-Fe-W-P合金镀层是一种新型的代铬镀层,故以铬镀层的结合强度为对比,通过静态和动态加载来研究Ni-Fe-W-P合金镀层的结合强度.试验结果表明,Ni-Fe-W-P合金刷镀层在冲击、疲劳或几种复合载荷下都具有优良的结合强度;该刷镀层具有优良的结合强度的主要机理是:镀层与基体存在扩散层并形成韧性合金,过渡层缩小了工作镀层与过渡层、过渡层与基体的晶格错配度,同时机械铆接效应也起一定的作用;合理的工艺参数可获得高结合强度的合金镀层.试验还表明,Ni-Fe-W-P合金镀层的结合强度优于铬镀层,因此,该镀层用作代铬镀层可以达到使用要求.     

铝和氮化铝陶瓷结合强度与机理研究

在氮气气氛下、保温10min、948~1098K利用活性金属铸接方法制备铝/氮化铝陶瓷基板, 用力学试验机、扫描电子显微镜、高温金相光学显微镜和原子力显微镜对铝/氮化铝陶瓷的结合强度和机理进行研究. 结合温度低于973K时, 铝和氮化铝陶瓷之间的剥离强度随结合温度升高线性增大, 当结合温度超过973K时, 结合温度对强度影响很小, 铝和氮化铝陶瓷之间的结合强度约为49N/mm, 铝和氮化铝陶瓷之间的结合为物理湿润和化学反应湿润共同作用.