电磁场激活调控下玻璃与硅的阳极键合机理及其结合界面行为研究

Anodic bonding, which based on ion migration and chemical reaction, is a key technology for MEMS(Micro-electro-mechanical system) packaging. But the bonding area must be perpendicular to the direction of the electric field, which restrict the utility of the technology. The magnetic field activated technology is developed according to the moved ion would be forced to change direction in the magnetic field. Based on the background of the glass-Si bonding component, the ion migration characteristic, ion distribution, bonding mechanism and the microstructure of the bonding interface of the bonding samples prepared under multi-physics field coupling(electric field, temperature, pressure and magnetic field) is to be analyzed . The migration characteristic of the Li+、Na+ 、K+ and O2- would be investigated, and the mathematical model about the effect of the electric field and the magnetic field on the ion migration would be given. The way to apply the electric field would also be diversified. The glass-Si-glass is to be bonded by the common anode. The study results would promote the development of the MEMS.

阳极键合是基于材料内部离子迁移和反应而实现的一种MEMS精密封装技术，其电场方向与键合面垂直的要求限制了离子迁移方向和迁移率，从而影响了键合质量和应用范围。基于运动带电离子在磁场中受力的特点，本项目采用磁场调控离子运动方式，提出电磁场激活调控下的玻璃/硅阳极键合技术。以MEMS中玻璃-硅连接器件为应用背景，探究多物理场（电场、温度场、压力场和磁场）作用下玻璃材料中不同离子的运动特征以及在玻璃基体中的分布规律、键合机理和键合界面微观结构。研究拟得到在电场、温度场和磁场综合作用下阳极键合过程玻璃基体中Li+、Na+、K+和O2-的运动规律、玻璃与硅的连接机理，建立在玻璃基体中电场与磁场影响离子运动的数学模型，通过磁场使电场的施加方式多样化。在以上研究的基础上通过公共阳极法探讨玻璃-硅-玻璃的连接技术。研究成果有利于丰富阳极键合理论和拓宽其应用领域，促进MEMS制造技术水平的提高.

阳极键合是MEMS制备过程中常用的一种精密封装技术。本项目以玻璃与金属/硅的键合为研究对象，利用辉光光谱仪（GD-OES）和扫描电镜（SEM）分析了玻璃-硅以及玻璃-铝键合界面的微观结构和元素分布，在阳极键合过程中玻璃中的碱金属氧化物在电场和高温作用下电离分解形成O2-和碱金属离子，碱金属离子向阴极移动在玻璃的背面析出形成化合物，O2-向阳极移动与阳极材料硅/金属发生氧化反应实现玻璃与硅/金属的键合。在玻璃-硅和玻璃-铝键合的基础上，利用运动带电离子在磁场中受力的特点通过施加磁场使得O2-向键合面偏转，在电场不垂直于键合面的情况下实现了玻璃与硅片的键合。同时开发了多层晶片的键合技术，其中共阳极法可以键合中间层为导体的三层晶片，键合时三层晶片放置在两个金属极板之间，在键合过程中中间导体接正极，上下金属板接负极，采用此方法可以实现玻璃-硅-玻璃、玻璃-铝-玻璃、玻璃-可伐合金-玻璃的键合，键合可以一步完成，所形成的两个界面形貌相同，因此共阳极法可以看作是两个阳极键合的并联。而两步法是先后两次应用阳极键合技术实现三层晶片的键合，键合时三层晶片放置在两个金属极板之间，两个极板分别接正负极，通过正负极的对换依次实现两个键合面的键合，两步法可以实现硅-玻璃-硅、铝-玻璃-铝、硅-玻璃-铝等样品键合，两步法可以看作是两个阳极键合的串联。同时分析两种键合方法在键合过程中的电流变化规律、键合原理、界面结构及键合样品的力学性能。在阳极键合的基础上提出阳极键合与钎焊或者扩散连接的复合技术，即先通过阳极键合实现玻璃与铝箔的键合，以铝作为中间层，通过钎料实现玻璃与其它金属连接，重点分析了连接界面结构以及界面的形成机理，这种技术就克服了钎料与玻璃不润湿的问题。利用阳极键合钎焊复合法成功实现玻璃-镍，玻璃-锌以及玻璃-铜等材料的键合。