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 郭勁言1，孟慶森2

 （1．山西工程技術(shù)學(xué)院，山西  陽泉045000;2．太原理工大學(xué)，山西  太原  030024）

摘要：通過對(duì)多層玻璃／鋁進(jìn)行陽極鍵合，分析了鍵合后過渡層的形貌與元素組成，探討了鍵合過程的鍵合機(jī)理。研究認(rèn)為：金屬與玻璃陽極鍵合的根本是在鍵合過程中離子擴(kuò)散和界面處的氧化，鍵合與界面的緊密接觸和形成的有效氧化物有關(guān)。

關(guān)鍵詞：陽極鍵合；玻璃；鋁 中圖分類號(hào)：TB333  

  0  引言

 陽極鍵合(anodic bonding)技術(shù)是一種在電和熱的共同作用下連接異種材料（如金屬材料與無機(jī)材料）間的手段，該技術(shù)在微電子鍵合封裝技術(shù)之中有著重要地位。自1969年由Pomerantz首次發(fā)現(xiàn)陽極鍵合以來，對(duì)陽極鍵合研究的報(bào)道主要集中于玻璃與金屬、硅等的鍵合過程分析與性能模擬，但對(duì)于多層晶片直接鍵合技術(shù)、鍵合機(jī)理的深入研究報(bào)道較少。本文對(duì)玻璃／鋁多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了陽極鍵合試驗(yàn)，用掃描電鏡和EDS分析鍵合界面處的微觀形貌特征及該處所含元素分布狀況，在此基礎(chǔ)上對(duì)玻璃／鋁多層結(jié)構(gòu)直接陽極鍵合可以實(shí)現(xiàn)的機(jī)理進(jìn)行分析。

  1  試驗(yàn)材料與過程

 試驗(yàn)材料為A1和Pyrex玻璃，分別將A1切割成 15 mm×15 mm×0.02 mm，Pyrex玻璃切割成15 mm×15 mmX0．5 mm，兩者厚度不同是為了避免不同材料膨脹系數(shù)對(duì)界面形成的破壞。

 在進(jìn)行陽極鍵合試驗(yàn)之前，首先是對(duì)待鍵合的界面處進(jìn)行預(yù)處理，即在拋光機(jī)上拋光處理，其目的是為了降低接觸面的表面粗糙度；接著是對(duì)鍵合界面進(jìn)行清洗，用分析純丙酮清洗5 min，最后用分析純無水乙醇清洗并吹干界面，以降低鍵合界面處其他因素的影響；然后將玻璃／鋁／玻璃3層鍵合試樣疊合放置在陽極鍵合試驗(yàn)爐中進(jìn)行晶片間的共陽極鍵合試驗(yàn)，兩側(cè)的玻璃接負(fù)極，鋁箔作為公共陽極接正極，如圖1所示。根據(jù)陽極鍵合的反應(yīng)情況，確立進(jìn)行陽極鍵合的工藝參數(shù)：鍵合溫度為400℃～600℃，直流電壓為400 V～600 V，輔助壓力為0.5 M Pa～1MPa，鍵合反應(yīng)時(shí)間為5 min～10 min�？刂粕郎厮俣葹�10 ℃／min，升到預(yù)定溫度后，接通直流電源，保持規(guī)定時(shí)間后斷開，然后試樣隨爐冷卻，冷卻速度平均為3℃／min。

  2結(jié)果與分析

  2.1鍵合界面的微觀組織結(jié)構(gòu)分析

 圖2為玻璃一鋁多層陽極鍵合試樣的SEM圖和EDS曲線。從圖2中我們可以清晰地看到鍵合處沒有明顯的裂紋源，鍵合界面處有一定厚度的過渡層，界面結(jié)合處結(jié)合較好。進(jìn)一步對(duì)圖2中的界面處作了元素能譜分析( EDS)，可以看出，O、Si、Al元素在玻璃和鋁的界面處擴(kuò)散現(xiàn)象明顯，且擴(kuò)散區(qū)呈梯度分布，這一擴(kuò)散區(qū)的存在說明鍵合形成是界面元素?cái)U(kuò)散區(qū)的形成。

2.2鍵合界面的物相分析

 圖3為玻璃一鋁鍵合界面處XRD曲線（其中a為X射線的入射角度）。這一結(jié)果顯示，過渡區(qū)的組成成分包括有Al2SiO5、SiO2和Al，其中Al2 SiO5是Al2O3和SiO2的復(fù)合氧化物。復(fù)合氧化物以及鍵合界面過渡層說明了玻璃和鋁可以在一定溫度、電場(chǎng)和壓力的作用下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鍵合。

3鍵合機(jī)理探討

 圖4為玻璃／鋁鍵合機(jī)理示意圖。結(jié)合鍵合過程中的電流變化，我們分析認(rèn)為：存在于玻璃中的堿金屬離子（主要是Na+）在直流電場(chǎng)的作用下發(fā)生遷移，導(dǎo)致在鍵合初期我們可以觀測(cè)到較高的鍵合電流值；界面處玻璃中由于堿金屬離子的遷移出現(xiàn)了耗盡層，在適當(dāng)溫度和壓力的共同作用下，界面處的玻璃和鋁緊密接觸，促進(jìn)了鍵合的迅速形成；玻璃耗盡層中的O2-。向鋁界面發(fā)生離子遷移，同時(shí)鋁也在外場(chǎng)的作用下向玻璃進(jìn)行擴(kuò)散，最終玻璃和鋁在界面處發(fā)生氧化反應(yīng)，過渡層的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了玻璃和鋁的鍵合。鍵合的實(shí)質(zhì)是界面處玻璃中的非橋鍵氧( NBO)和鋁發(fā)生了固體電化學(xué)反應(yīng)，形成了強(qiáng)度較高的復(fù)合氧化物，最終在界面處形成了穩(wěn)定的鍵合。

  圖5為未發(fā)生陽極鍵合時(shí)試樣界面接觸面積示意圖。我們可以將鍵合過程理解為在外加電場(chǎng)、溫度和壓力的共同作用下，陽極鍵合的接觸面由最初的緊密接觸（A區(qū)域）逐步向緊鄰區(qū)域（B區(qū)域）、間隙區(qū)域(C區(qū)域)擴(kuò)散的過程。這與我們實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的鍵合電流和鍵合的緊密程度是相互吻合的。陽離子耗盡層首先在A區(qū)域形成，逐步擴(kuò)散到B、C區(qū)域，最終整個(gè)界面實(shí)現(xiàn)了鍵合。

 孟慶森等將界面結(jié)合形成過程分為3個(gè)階段，即界面靜電吸附、陽極氧化反應(yīng)、固相擴(kuò)散反應(yīng)及過渡區(qū)形成階段。界面處物質(zhì)間的濃度差、鍵合溫度、鍵合電壓以及外加壓力的不同會(huì)影響到鍵合的結(jié)合效果。要想實(shí)現(xiàn)連接良好的鍵合試樣需要鍵合過程外場(chǎng)（電、溫度、力場(chǎng)）的條件提供大于界面結(jié)合的能量才能自發(fā)進(jìn)行。

4結(jié)論

 陽極鍵合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)玻璃／鋁多層連接。高壓直流電的作用導(dǎo)致在玻璃表面形成了耗盡層，一定溫度、壓力的作用下玻璃與鋁的界面處的緊密接觸，相互離子擴(kuò)散，促進(jìn)了固相擴(kuò)散反應(yīng)的進(jìn)行，直至形成良好的鍵合。結(jié)合界面的微區(qū)分析結(jié)果顯示鍵合結(jié)合較好，過渡層呈對(duì)稱梯度分布，其主要成分是尖晶石類的復(fù)合氧化物，具有較好的結(jié)合強(qiáng)度。