可阳极键合低温共烧陶瓷（LTCC）材料的研究

发布时间：2020-04-24 20:26

【摘要】：硅基微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)在消费电子、军事、航空航天等领域有着广泛的应用。低温共烧陶瓷(Low temperature co-fired ceramic,LTCC)技术可以实现电子器件的高密度集成,采用可阳极键合的LTCC基板封装硅基MEMS器件,可以实现器件的三维封装,大幅减小系统和整机的体积和重量,因此可阳极键合的LTCC材料直接影响着硅基MEMS器件的封装特性和综合性能。本论文针对硅基MEMS器件高密度封装的应用需求,设计并制备了Li-Al-B-Si-O(LABS)玻璃+β-Al_2O_3复相材料和Li-Na-Al-B-Si-O(LNABS)微晶玻璃系的可阳极键合LTCC材料,开展了LNABS微晶玻璃与硅基板在低键合温度和低键合电压下的阳极键合研究,阐述了LNABS微晶玻璃与硅基板的低温、低电压阳极键合机理,建立了LNABS微晶玻璃与硅基板的低温、低电压阳极键合理论模型。研究了铝浆和银浆两种电极浆料与可阳极键合LTCC材料的匹配共烧问题,实现了LNABS微晶玻璃的可阳极键合LTCC材料在硅基MEMS气压传感器中的封装应用,并开发了用于SnSe材料二维生长机理研究的硅基微反应器。本论文的主要研究内容和结果如下:1.LABS玻璃+β-Al_2O_3复相材料研究系统地研究了LABS玻璃的析晶机理和析晶动力学。XRD和SEM的研究结果表明,LABS玻璃为二维反应析晶机理,析出的晶相为β-锂辉石固溶体,析晶活化能为59.9 kJ/mol,Li~+决定了LABS玻璃的析晶。LABS玻璃+β-Al_2O_3复相材料的烧结温度低于900~oC。当β-Al_2O_3含量低于35%时,主晶相为β-锂霞石,当β-Al_2O_3含量高于35%时,复相材料的晶相为β-氧化铝,β-锂霞石和β-锂辉石固溶体。LABS玻璃+β-Al_2O_3复相材料的热膨胀系数随着β-Al_2O_3含量的增加而增加,当β-氧化铝为32%时,复相材料的热膨胀系数为3.15 ppm/~oC(300~oC),与硅的热膨胀系数接近。复相材料的离子电导率由β-锂霞石相决定。通过阿伦尼乌斯拟合发现复相材料Li~+的离子活化能在0.87-0.90 eV之间。复相材料的离子电导率和离子活化能同时表明其存在混合碱金属效应。2.LNABS微晶玻璃材料研究设计并制备了烧结温度低于650~oC的LNABS微晶玻璃系超低温共烧陶瓷(Ultra-low temperature co-fired ceramic,ULTCC)材料,其主晶相为β-锂辉石。LNABS玻璃的热膨胀系数随着Na_2O含量的增加而增加。当Na_2O含量为0.5%时,LNABS玻璃的热膨胀系数为3.27 ppm/~oC(300~oC),与硅的热膨胀系数接近。与已报道的可阳极键合材料相比,LNABS微晶玻璃和Si的热膨胀系数在60°C到300°C的温度范围内匹配度最好。宽频介电谱的研究表明温度场和电场都增加了材料的离子电导率。当温度高于120~oC时,LNABS微晶玻璃的离子电导率(29)1?10~(-8) S/cm,Li~+在玻璃相中以长程跃迁的形式贡献主要的离子电导。宽频介电谱的研究同时表明在相同温度下,随着偏压的增加,碱金属离子的活化能减小。3.LNABS系ULTCC基板-Si基板阳极键合实验研究有效降低了Si-ULTCC基板的键合温度和键合电压,最低键合温度150~oC,最低键合电压为200 V。通过对阳极键合过程和键合界面研究,发现Si-ULTCC的低键合温度和低键合电压主要是由碱金属离子的低活化能造成的。ULTCC阳离子聚集区的能谱和二次离子质谱结果表明,碱金属阳离子主要聚集在玻璃相中,表明其主要通过玻璃相迁移。Si-ULTCC的阳极键合机理为:碱金属阳离子在温度场和电场的作用下,迁移至负极,留下非桥氧离子,形成区域电场。在区域电场的作用下,非桥氧离子迁移至硅基板中,与硅发生反应生成硅氧键,从而实现Si基板和ULTCC基板的阳极键合。4.LNABS系ULTCC材料在MEMS气压传感器及硅基微反应器的应用研究将LNABS系ULTCC材料用于硅基MEMS气压传感器的封装,实现了LNABS系微晶玻璃与硅基MEMS气压传感器的阳极键合封装。气压测试结果表明,采用LNABS封装的MEMS气压传感器的精度高,热学稳定性好,且拥有较宽的工作温度范围。根据限域空间沉积二维材料原理设计了微反应器。微反应器沉积的SnSe纳米薄片横向尺寸为30 nm-110 nm,厚度为10 nm 70 nm。
【图文】：

硅基,MEMS器件

1.1. 阳极键合技术的发展现状1.1.1. 硅基 MEMS 技术简介微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 是在微电子技术上发展起来的集电子、材料、机械、化学等多学科交叉的技术[1-4]。根据基体材料的不同，MEMS 器件可分为硅基 MEMS 器件和非硅基 MEMS 器件[5-8]。硅在自然界含量丰富，化学性质稳定，有天然的二氧化硅层，与现有的半导体工艺匹配，因此经过几十年的发展，硅基 MEMS 在日常生活中得到了广泛的应用。例如，，应用于手机等电子产品的硅基MEMS加速度计[9]，应用于打印机中的硅基MEMS喷墨打印头[10]，应用于投影仪中的硅基 MEMS 光学棱镜阵列[11]，工业中使用的MEMS 流量传感器[12]，应用于导航等领域的 MEMS 微机械陀螺仪[13]。相较于传统的传感器，硅基 MEMS 器件具有体积小，重量轻，灵敏度高，功耗低，可靠性高等显著的优点[14-15]。

分布图,硅基,MEMS器件,成本

可阳极键合 LTCC 材料的研究近年来，随着工业 4.0、智慧城市、人工智能和物联网技术的快速发展会对硅基 MEMS 器件提出了更高的技术要求。硅基 MEMS 器件不仅要灵敏度，而且要进一步缩小体积，减轻重量，具有更高的集成度，长的和低廉的价格[16-18]。在硅基 MEMS 器件的制造中，芯片的制作占其总成-40%，封装与检测占其总成本的 50%-70%，有的甚至能达到其总成[19,20]，如图 1.2 所示。由于摩尔定率的存在，MEMS 芯片的制作工艺存限，芯片性能难以进一步提升。如何在摩尔定律的基础上，进一步提升M能成为了硅基 MEMS 在后摩尔时代的关键。采用先进的一体化系统封效提升硅基 MEMS 的集成度与整体性能，进一步降低器件的总体成本统的整体功耗[21]。因此，先进的一体化系统封装技术是支撑硅基 MEM尔时代持续发展的关键技术之一。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH-39;TQ174.75

【参考文献】