基于双凹凼凸台结构的玻璃浆料键合关键工艺研究

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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(450℃)、键合界面引线容易、适用范围广等显著优点,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,论文基于Koartan5643W玻璃浆料,从键合结构设计、封装热应力Ansys的仿真分析、关键工艺的研究与键合性能表征等四个方面开展了以下研究工作:  1)设计了双凹凼凸台键合结构解决了键合间隙厚度不可控与玻璃浆料因展宽易污染敏感结构的问题。凸台的设置将键合间隙精确控制到与凸台高度相同,内外凹凼的设置能够包容扩展开的多余玻璃浆料。  2)对玻璃浆料键合封装热应力进行了Ansys仿真分析。总结了键合后玻璃浆料密封环中热应力的一般分布规律。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。
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