基于阳离子导电的玻璃与硅片表面原位金属化共晶键合机理研究

The Wafer Bonding technologies are increasingly demanding in terms of extreme size, integration, heat dissipation, stability, and manufacturing costs with rapid development of the electronics and optoelectronics industries. Based on the field assisted cationic migration effect of anodic bonding and the mechanism of eutectic bonding, this project proposed for glass & Si to research on eutectic bonding method with in situ metallization of glass surface activated and regulated by temperature-electric field, which could be used in packaging of chips and MEMS. By preparing special conductive glass, influences of cationic species and content on activation energy, conductivity and precipitation will be studied. Under the impacts of composite fields, the material transport characteristics of cations in glass matrix as well as mechanisms of precipitation, reaction and in situ growth on bonding surfaces will be investigated. The influence of bonding surface roughness and micro-nano structure on bonding process is to be clarified. Further the element distribution, phase composition and microstructure after diffusion eutectic reaction will be revealed and establish relational models of “composite field-cationic transport-surface in situ growth-interfacial eutectic reaction-bonding mechanical properties”. The completion of this project is beneficial for the understanding of theories ionic conduction and eutectic bonding and providing scientific basis for a new bonding method with high combination properties between solid electrolytes, silicon wafers and metals.

电子及光电产业的高速发展对现有晶圆键合技术在极限尺寸、集成度、散热性以及稳定性方面的要求日益严苛。基于场致阳离子迁移效应，结合阳极键合和共晶键合机理，以芯片和MEMS封装为应用背景，本项目拟开展温度场-电场激活调控下的玻璃/硅片表面原位金属化共晶键合方法研究。通过制备特种导电玻璃，研究阳离子种类和含量对电离激活能、电导率和析出量的影响规律；探究复合场作用下阳离子在玻璃基体中的物质输运特征以及在键合表面的析出、反应和原位生长机制；明确键合面粗糙度及微纳结构对键合过程的影响；揭示共晶反应后的元素分布、物相组成与微观结构特征，阐明键合机理；建立“复合场—阳离子输运—表面原位生长—界面共晶反应—键合力学性能”之间的关系模型。基于以上研究，探讨叠层晶片的高集成度垂直键合技术。本项目的完成可丰富复合场致离子导电和共晶键合理论，为实现固体电解质、硅片和金属间的高综合性能键合新方法提供理论支撑和科学依据。

电子及光电产业对玻璃与金属箔片或硅晶元的键合技术在集成度和稳定性方面的要求日益严苛。基于场致阳离子迁移效应，结合阳极键合和共晶键合机理，以芯片封装和异种材料连接为应用背景，本项目开展了温度场-电场激活调控下的离子导电玻璃与金属箔片的表面原位金属化共晶键合方法研究。基于熔融淬冷技术，制备了特种银离子导电玻璃，研究了阳离子种类、成分及制备工艺对电离激活能和电导率的影响规律，明确了高导电率离子导电玻璃的组分及制备方法。电/热多物理场模拟与表面原位金属化实验结合，探究了复合场作用下阳离子在玻璃基体中的物质输运特征以及在键合表面的析出和原位生长机制，采用差式扫描量热、XRD和拉曼光谱分析，解析了离子导电玻璃的物相组成、演化及阳离子传输通道结构，明确了温度及电场强度对离子传输及表面析出的影响规律。在原位析出金属层基础上，通过磁控溅射提升玻璃表面金属层厚度，进而与Sn、Zn和Al薄片及表面金属化后的硅片开展扩散连接。研究了扩散反应后的元素分布、物相组成与微观结构特征，阐明键合机理，系统阐释了“复合场—阳离子输运—表面原位生长—界面扩散反应”之间的关系。基于以上研究，针对非导电玻璃，将钎焊和阳极键合结合，使用铝中间层及三元共晶钎料改善了玻璃与铜的润湿性，制备了高可靠性玻璃-铝-钎料-铜接头，拓展了基于阳极键合+钎焊的玻璃/金属键合技术，丰富了玻璃与金属连接的使用场景。本项目的完成可完善复合场致离子导电和共晶键合理论，为实现玻璃、硅片和金属间的高综合性能键合新方法提供理论支撑和科学依据。