多层玻璃／铝阳极键合的扩散机理分析

 郭劲言1，孟庆森2

 （1．山西工程技术学院，山西  阳泉045000;2．太原理工大学，山西  太原  030024）

摘要：通过对多层玻璃／铝进行阳极键合，分析了键合后过渡层的形貌与元素组成，探讨了键合过程的键合机理。研究认为：金属与玻璃阳极键合的根本是在键合过程中离子扩散和界面处的氧化，键合与界面的紧密接触和形成的有效氧化物有关。

关键词：阳极键合；玻璃；铝 中图分类号：TB333  

  0  引言

 阳极键合(anodic bonding)技术是一种在电和热的共同作用下连接异种材料（如金属材料与无机材料）间的手段，该技术在微电子键合封装技术之中有着重要地位。自1969年由Pomerantz首次发现阳极键合以来，对阳极键合研究的报道主要集中于玻璃与金属、硅等的键合过程分析与性能模拟，但对于多层晶片直接键合技术、键合机理的深入研究报道较少。本文对玻璃／铝多层结构进行了阳极键合试验，用扫描电镜和EDS分析键合界面处的微观形貌特征及该处所含元素分布状况，在此基础上对玻璃／铝多层结构直接阳极键合可以实现的机理进行分析。

  1  试验材料与过程

 试验材料为A1和Pyrex玻璃，分别将A1切割成 15 mm×15 mm×0.02 mm，Pyrex玻璃切割成15 mm×15 mmX0．5 mm，两者厚度不同是为了避免不同材料膨胀系数对界面形成的破坏。

 在进行阳极键合试验之前，首先是对待键合的界面处进行预处理，即在抛光机上抛光处理，其目的是为了降低接触面的表面粗糙度；接着是对键合界面进行清洗，用分析纯丙酮清洗5 min，最后用分析纯无水乙醇清洗并吹干界面，以降低键合界面处其他因素的影响；然后将玻璃／铝／玻璃3层键合试样叠合放置在阳极键合试验炉中进行晶片间的共阳极键合试验，两侧的玻璃接负极，铝箔作为公共阳极接正极，如图1所示。根据阳极键合的反应情况，确立进行阳极键合的工艺参数：键合温度为400℃～600℃，直流电压为400 V～600 V，辅助压力为0.5 M Pa～1MPa，键合反应时间为5 min～10 min。控制升温速度为10 ℃／min，升到预定温度后，接通直流电源，保持规定时间后断开，然后试样随炉冷却，冷却速度平均为3℃／min。

  2结果与分析

  2.1键合界面的微观组织结构分析

 图2为玻璃一铝多层阳极键合试样的SEM图和EDS曲线。从图2中我们可以清晰地看到键合处没有明显的裂纹源，键合界面处有一定厚度的过渡层，界面结合处结合较好。进一步对图2中的界面处作了元素能谱分析( EDS)，可以看出，O、Si、Al元素在玻璃和铝的界面处扩散现象明显，且扩散区呈梯度分布，这一扩散区的存在说明键合形成是界面元素扩散区的形成。

2.2键合界面的物相分析

 图3为玻璃一铝键合界面处XRD曲线（其中a为X射线的入射角度）。这一结果显示，过渡区的组成成分包括有Al2SiO5、SiO2和Al，其中Al2 SiO5是Al2O3和SiO2的复合氧化物。复合氧化物以及键合界面过渡层说明了玻璃和铝可以在一定温度、电场和压力的作用下实现稳定键合。

3键合机理探讨

 图4为玻璃／铝键合机理示意图。结合键合过程中的电流变化，我们分析认为：存在于玻璃中的碱金属离子（主要是Na+）在直流电场的作用下发生迁移，导致在键合初期我们可以观测到较高的键合电流值；界面处玻璃中由于碱金属离子的迁移出现了耗尽层，在适当温度和压力的共同作用下，界面处的玻璃和铝紧密接触，促进了键合的迅速形成；玻璃耗尽层中的O2-。向铝界面发生离子迁移，同时铝也在外场的作用下向玻璃进行扩散，最终玻璃和铝在界面处发生氧化反应，过渡层的出现实现了玻璃和铝的键合。键合的实质是界面处玻璃中的非桥键氧( NBO)和铝发生了固体电化学反应，形成了强度较高的复合氧化物，最终在界面处形成了稳定的键合。

  图5为未发生阳极键合时试样界面接触面积示意图。我们可以将键合过程理解为在外加电场、温度和压力的共同作用下，阳极键合的接触面由最初的紧密接触（A区域）逐步向紧邻区域（B区域）、间隙区域(C区域)扩散的过程。这与我们实验所测得的键合电流和键合的紧密程度是相互吻合的。阳离子耗尽层首先在A区域形成，逐步扩散到B、C区域，最终整个界面实现了键合。

 孟庆森等将界面结合形成过程分为3个阶段，即界面静电吸附、阳极氧化反应、固相扩散反应及过渡区形成阶段。界面处物质间的浓度差、键合温度、键合电压以及外加压力的不同会影响到键合的结合效果。要想实现连接良好的键合试样需要键合过程外场（电、温度、力场）的条件提供大于界面结合的能量才能自发进行。

4结论

 阳极键合技术可以实现玻璃／铝多层连接。高压直流电的作用导致在玻璃表面形成了耗尽层，一定温度、压力的作用下玻璃与铝的界面处的紧密接触，相互离子扩散，促进了固相扩散反应的进行，直至形成良好的键合。结合界面的微区分析结果显示键合结合较好，过渡层呈对称梯度分布，其主要成分是尖晶石类的复合氧化物，具有较好的结合强度。