PUEE/Al超声波辅助阳极键合工艺试验研究

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阳极键合(Anodic Bonding)技术被广泛应用于微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)封装领域。随着MEMS器件不断向微型化、集成化的发展,封装质量的好坏成为MEMS技术待解决的难题。阳极键合技术具体操作简单,而且对键合材料的表面粗糙度以及本身性能要求较低,键合后形成的键合界面残余应力小,能够达到较高的结合强度,十分适合用于MEMS技术的封装。目前传统的阳极键合技术在键合时需要保持较高的电压,从而造成键合时温度较高,这就会导致键合之后键合层强度不足,且试验过程中较高的温度和电压容易造成器件损坏,因此,新材料与新型阳极键合技术的开发十分重要。超声波辅助的阳极键合封装技术将超声波焊接和阳极键合两种工艺相结合,取长补短发挥各自优势,不仅能获得较高的键合强度和保证器件的密封性,而且还能降低成本,提高生产效益,实现高效、优质的封装。本文首先采用预聚体法制备了阴极材料聚氨酯离子导电弹性体(PUEE),并利用电化学工作站、红外光谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜、差示扫描热量仪以及微控制电子试验机等手段对不同锂盐(LiClO4)含量PUEE的导电性能、成分、形貌、热性能和力学性能进行了分析。试验结果表明:随着LiClO4含量的增加,PUEE非晶相所占比例有所提高,从而使得PUEE室温电导率的提高。其次选用不同LiClO4含量的PUEE分别与Al进行了阳极键合工艺试验,分析了在不同键合电压下,PUEE的LiClO4含量对键合电流的影响关系。试验结果表明:在同一键合电压下,不同LiClO4含量的PUEE与Al键合过程中,LiClO4含量越多,出现的电流峰值也就越大,在选取的工艺参数范围内,当其它条件一定的情况下,随着键合电压的提高,峰值电流越来越大,PUEE与Al键合强度越来越高。最后设计并搭建了超声波辅助阳极键合试验台,该平台包括封装结构、超声波振动连接系统、阳极键合系统以及控制系统。同时在此基础上,设计了有无超声作用的对比试验,研究了PUEE的LiClO4含量、键合电压以及超声波振幅对PUEE与Al阳极键合峰值电流以及到达峰值电流时间的影响。研究结果表明:当键合电压保持固定值时,键合电流峰值随着超声波振幅的提高而增加,键合界面的结合率也有所增加;当超声波振幅保持固定值时,随着电压增大,键合电流的峰值也逐渐增大,键合率提高;加超声波辅助的阳极键合试验结果比不加超声波辅助的阳极键合试验结果更好,键合峰值电流更大,达到峰值电流时间缩短,键合界面处Al、S、O、C、Cl元素相互扩散,键合层拉伸强度最高可达4.68MPa,键合界面处可观察到平整致密的中间键合层,键合层厚度明显增加,试样的结合率有了一定的提高,得到的试样键合质量更好。
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