玻璃浆料键合的复合调控机制研究

Because of the advantages such as hermetic sealing, high process yield and the possibility of metallic lead throughs，glass frit bonding becomes the most promising technique for the packaging of MEMS devices. For the requirements of reliability and stability of the packaging of the MEMS sensors such as gyroscope and pressure sensor, the scientific issues including structural characteristics, process mechanism and bonding performance in 'the complex regulatory mechanisms of glass frit bongding' will be researched in the project. The regulating law of residual thermal stress will be revealed to optimize the micro-composite bonding structure. The suppression strategy of Micro/Nano voids will be explored by analyzing the generating mechanism of Micro/Nano voids during phase changing process and establishing the impact model of critical process parameters on the Micro/Nano voids. And the screen printing experiment platform of micrometer-level alignment accuracy will be established. The thermal stress regulation, scientific treatment of residual slurry, precisely controllable bonding gap and controllable leak rate will make the glass frit bonding technology be the theoretical basis and technical source of the hermetic package of MEMS products to improve the performance of Micro-Nano systems.

玻璃浆料键合具有气密性好、工艺成功率高和与金属引线兼容等优点，是MEMS器件封装技术中最具有发展前景的方法之一。本项目针对微陀螺仪和微压力传感器等对封装可靠性和稳定性的要求，从结构特性、工艺机理、键合性能等方面围绕“玻璃浆料键合的复合调控机制”科学问题开展研究。揭示微复合键合结构对残余热应力的调控规律，优化微复合键合结构；剖析相变过程中微纳孔洞的产生机制，建立关键工艺参数对微纳孔洞的影响模型，探索微纳孔洞的抑制策略；建立微米级对准精度的丝网印刷实验平台，实现热应力调控、残余浆料科学处理、键合间隙精确可控以及漏率可控的玻璃浆料键合技术，为MEMS产品的气密性封装提供理论基础和技术源泉，提升我国微纳系统的性能。

玻璃浆料键合是以低熔点玻璃作为键合中间层的MEMS圆片级气密封装技术。该技术有键合温度低、键合界面引线容易、适用范围广等优点，但存在残余应力集中、键合间隙不可控、因玻璃浆料扩展导致敏感结构污染与孔洞的生成等问题。针对以上问题，课题从键合结构设计、封装热应力分析、关键工艺的研究与键合性能表征等方面开展了以下工作：.1) 设计了双凹凼凸台结构，解决了键合间隙厚度不可控与玻璃浆料易污染敏感结构的问题。.2)对玻璃浆料键合封装热应力进行了仿真分析。总结了键合后玻璃浆料密封环中热应力的分布规律。研究了玻璃浆料热膨胀系数、线宽、厚度以及封装结构对玻璃浆料密封环中热应力的影响。.3) 考察了丝网版线宽与丝网版胶膜厚度对玻璃浆料厚度的影响。其中，通过调整丝网版胶膜厚度可以控制玻璃浆料厚度。采用线宽为300μm、胶膜厚度为60μm的丝网版，以15mm/s的印刷速度印刷出的玻璃浆料密封环烧结后厚度为21μm，为热压键合工艺的进行奠定基础。.4) 研究了烧结温度、保温时间与烧结气氛对烧结后玻璃浆料表面形貌与气泡（孔洞）生成的影响。总结出一套有效的三段式排泡工艺：450℃空气烧结30min，450℃真空烧结30min，500℃空气中回流60min。.5)研究了预烧结工艺、键合温度、键合压力、保温时间对玻璃浆料键合的影响。得到了优化的玻璃浆料键合工艺参数：预烧结采用三段式排泡工艺；键合温度为450℃；键合压力为15atm；保温时间为60min。.6）采用直拉法对玻璃浆料键合样品强度进行了表征，键合拉伸强度达到18.09MPa。采用氦气检漏法对玻璃浆料键合封装腔体漏率进行了表征，封装腔体漏率小于5×10-8 atm cc/s，达到了美国军方标准。.课题实现了热应力调控、残余浆料科学处理、键合间隙精确可控以及漏率可控的玻璃浆料键合技术，为MEMS产品的气密性封装提供理论基础和技术源泉，提升我国微纳系统的性能。