[go: up one dir, main page]

CN110246769A - 基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法 - Google Patents

基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110246769A
CN110246769A CN201910386567.XA CN201910386567A CN110246769A CN 110246769 A CN110246769 A CN 110246769A CN 201910386567 A CN201910386567 A CN 201910386567A CN 110246769 A CN110246769 A CN 110246769A
Authority
CN
China
Prior art keywords
glass
metal
situ
cationic electroconductive
cationic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910386567.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110246769B (zh
Inventor
张鹏
郭继保
寇子明
吴娟
牛亚楠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiyuan University of Technology
Original Assignee
Taiyuan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiyuan University of Technology filed Critical Taiyuan University of Technology
Priority to CN201910386567.XA priority Critical patent/CN110246769B/zh
Publication of CN110246769A publication Critical patent/CN110246769A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110246769B publication Critical patent/CN110246769B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/03Manufacturing methods
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/81Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/03Manufacturing methods
    • H01L2224/034Manufacturing methods by blanket deposition of the material of the bonding area
    • H01L2224/0346Plating
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/81Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
    • H01L2224/812Applying energy for connecting

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Joining Of Glass To Other Materials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多能场复合作用下基于阳离子导电玻璃内阳离子行为的金属/玻璃表面原位金属化共晶键合方法。该方法为:将阳离子导电玻璃与表面预镀覆金属膜的金属基板对接后置于真空炉内,并分别与正负电极连通,施加一定的轴向压力并加热,玻璃内阳离子在高温下受激活发生电离,加载直流电场,阳离子形成定向迁移输运,并在玻璃的键合表面富集,与自由电荷中和发生氧化还原反应生成单质,继而在表面微纳结构中原位生长形成金属层,并与金属膜发生扩散和共晶反应实现共晶键合。采用本发明的优势在于,原位金属层紧密贴合玻璃表面生长,连接强度高,熔化后对玻璃表面的铺展和润湿性能极佳,无需多次镀覆即可实现金属与玻璃的可靠键合。

Description

基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法
技术领域
本发明涉及电子器件制造过程中金属基板与玻璃晶片的封装技术,具体为通过温度场-直流电场的复合作用,促使阳离子导电玻璃表面析出金属单质并原位生长,并在低温下促使金属基板镀镍层与阳离子导电玻璃表面原位金属层发生低温共晶反应,进而实现金属基板与阳离子导电玻璃晶片可靠键合的方法。
背景技术
玻璃晶片与金属基板的连接,广泛用于集成电路制造,多功能芯片集成以及MEMS传感器、微流控芯片和半导体芯片的封装领域。随着封装技术朝高功率、高集成度和3D垂直互连的方向发展,对玻璃晶片与金属基板键合技术的极限尺寸、集成度、散热性和可靠性提出了日趋严苛的高综合性能需求。
目前常用的玻璃晶片与金属基板的晶圆级键合技术主要分为有中间介层(玻璃浆料和共晶键合),以及无中间介层(直接键合和阳极键合)两类。直接键合一般只限于硅晶片之间的连接,其原理是将两片表面光滑的硅片经过预处理后在一定温度和压力下连接,并经过800℃以上的高温退火最终实现键合。一般要求硅片的待键合表面粗糙度低于10nm,平行度小于3μm,表面翘曲低于25μm,由于键合对表面粗糙度(低于10nm)和退火温度(800℃以上)要求甚高,导致键合封装成本高,且高温造成键合件间产生较大的残余应力。共晶键合是采用金属作为过渡层,通过共晶反应形成金属间化合物,从而实现晶片间键合的一种间接键合技术。键合工艺具有温度低、受表面粗糙度影响小、散热性良好、可形成晶片间欧姆接触等优势,但仍存在共晶液相对基体的润湿性较差,表面涂镀工艺复杂,多镀膜结构还会导致晶片间距过大,反应生成的金属间化合物种类及分布难以控制等问题。相比其他键合技术,阳极键合具有工艺简单、结合强度高和密封性良好等优点,其原理是将硅片与玻璃接在高压电极两极上,在高温(400℃~500℃)、高电压(800V~1500V)和压力条件下,使迁移O2-或非桥氧于界面处发生化学反应,形成Si-O-Si或O-M(M=Mg、Al、Cu和Ni)等新的化学键,但高温、高电压以及键合区域较差的导电散热性能是该技术面临的主要问题。
不难看出,阳极键合工艺简单且晶片间距小,但不具备共晶键合所特有的欧姆接触与优良散热性。实际上,两种键合技术迥然不同的连接原理,使彼此在多项优缺点上形成了良好的互补关系。
有鉴于此,本发明针对玻璃与硅片的连接,以电致阳离子物质输运机理为纽带,综合阳极键合与共晶键合原理,将阳极键合中发生迁移并参与界面反应的载流子由O2-换为金属阳离子,基于阳离子导电玻璃在一定温度(低于200℃)和电压(低于300V)条件下具备的阳离子迁移和物质输运特性,将阳离子于玻璃表面导出并与自由电子中和形成金属单质,且单质层紧贴表面原位生长,并进一步与金属基板表面镀膜(如镀锡膜)发生低温共晶反应形成共晶连接层,实现玻璃晶片与金属基板的低温、高导热导电和抗疲劳的可靠键合。
发明内容
本发明目的是提出一种基于阳离子导电的金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法,通过制备具有阳离子导电性能的玻璃,将其置于温度场-电场的复合作用下,使玻璃内部阳离子发生迁移、表面富集和氧化还原反应,从而在阳离子玻璃表面形成原位生长的金属层,无需对玻璃表面进行涂镀、溅射或离子注入即可实现其表面金属化,进而在较低温度下使该金属层与金属基板的镀膜(如镀锡膜)发生共晶反应,实现阳离子导电玻璃与金属基板的高可靠性共晶键合,是一项玻璃晶片与金属基板键合封装的新技术,可用于多功能芯片集成以及 MEMS 传感器、 LED、光伏器件、微流控芯片和半导体芯片的封装等领域。
为实现复合场作用下,镀镍金属基板与表面原位金属化阳离子导电玻璃的共晶键合,本发明采用的技术方案如下:
一种基于阳离子导电的金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法,包括如下步骤:
S1、待键合基体制备:制备含有银的卤化物、硫化物或含有铜的氧化物、卤化物的阳离子导电玻璃,并制作试片;在金属基板表面镀金属膜(如镀镍膜)。
S2、待键合基体表面处理:使用金相砂纸打磨阳离子导电玻璃试片及金属基板表面镀膜的接触面并用丙酮清洗。
S3、待键合基体放置:将阳离子导电玻璃试片与金属基板的镀膜表面接触,以对接形式置于真空键合炉内的正极板和负极板之间,阳离子导电玻璃试片非接触面与正极板相连,金属基板非镀膜面与负极板相连,正极板与直流电源正极连通,负极板与直流电源负极连通,并在正负极板上施加一定的轴向压力。
S4、阳离子导电玻璃表面原位金属化:保持炉内真空环境,将叠放好的试片在真空键合炉中加热至阳离子导电玻璃试片内阳离子的电离激活温度,同时在正负极板间加载直流电场,使电离的阳离子形成定向移动并于阳离子导电玻璃的接触面处富集,与负极板传递而来的自由电子中和,形成金属单质析出,保温时间t1,使析出物在阳离子导电玻璃接触面处原位生长并增厚。
S5、表面原位金属化层与镀膜共晶反应:保温t1时间后,升温至原位生长金属单质和金属基板镀膜材料的共晶反应温度,此时外接电场可保持不变或断开,保温t2时间,使原位金属层与镀膜金属充分扩散反应形成共晶连接层,与阳离子导电玻璃表面和金属基板表面的毛细结构形成物理嵌合,随后让阳离子导电玻璃试片与金属基板连接体自然冷却至室温并取出。
优选的,步骤S1中,阳离子导电玻璃通过在硼酸盐、钒酸盐、磷酸盐、碲酸盐、硫系或硫卤系玻璃基体中掺杂AgI、AgBr、Ag2S、CuI、CuBr或Cu2O中的一种或多种制得。该阳离子导电玻璃的制备方法包括熔融淬冷法和机械化学合成法。一、以掺杂AgI的硼酸盐玻璃的合成为例,阐述基于熔融淬冷法制备阳离子导电玻璃的方法:准备化学纯级AgI、Ag2O和B2O3作为原材料,物料按10~80mol%AgI,Ag2O/B2O3=3的配比充分混合,置于一端开口的石英玻璃管内,于电热炉中加热至480~800℃致其熔化,随后熔体经双辊冷却,其间合理调整双辊压力以控制溶体冷却速率,最终得到Ag+导电玻璃。二、以含有Ag2S的Ag2S-Sb2S3硫系玻璃的合成为例,阐释基于机械化学合成法制备阳离子导电玻璃的方法:准备化学纯级Ag2S和Sb2S3,按等摩尔比混合,称量5g混合粉末于250mL玛瑙球磨罐中,放入10颗直径为10mm的玛瑙研磨球,并加入10mL丙酮作为过程控制剂,以400rpm的转速在行星球磨机中球磨10h,每隔3h暂停30min,并将球磨后粉体置于真空干燥箱中干燥2h,将干燥后的粉体,装入石墨模具中,放入SPS系统进行烧结,烧结温度为980~1140℃,轴向压力为70MPa,烧结过程中真空度保持在10-1Pa左右。不同的玻璃基体和阳离子化合物掺杂其制备原理相似,但过程及参数有所不同,可参考已发表论文“Mechano-chemical synthesis of amorphous solids in thesystem AgI–Ag2PO3.5 and their silver ion-conducting properties”,“Nonlinearimpedance as possible result of ion–polaron interaction in Cu2O–Al2O3–SiO2glass”以及“Characterization and electrochemical cell characteristics ofmechanochemically synthesized AgI–Ag2O–MoO3 amorphous superionic system”。
优选的,步骤S2中,阳离子导电玻璃试片的的厚度为0.5~5mm、接触面的粗糙度为Ra=0.5~1.2μm,金属基体的厚度为0.1~5mm,表面镀膜厚度为20~100μm,镀膜表面的粗糙度为Ra=0.1~0.3μm。
优选的,步骤S3中,阳离子导电玻璃试片与正极板之间设有石墨纸,金属基板与负极板之间设有石墨纸。阳离子导电玻璃试片与正极板、金属基体与负极板均不是直接接触,而是以石墨纸分隔,防止实验材料与电极相互污染;设置轴向压力为0.1~5MPa。
优选的,步骤S4中,真空环境真空度为10-3~5Pa,电离激活温度根据步骤S1中掺杂的不同Ag或Cu的碘化物,溴化物、硫化物或氧化物而变化,以掺杂AgI的硼酸盐玻璃AgI-Ag2O-B2O3为例,Ag+的电离激活温度为150℃及以上,电离激活温度要低于原位生长金属单质和镀膜金属发生共晶反应的温度(其范围在220~900℃之间),直流电场强度最低为220V,保温时间t1为2~15min。
优选的,步骤S5中,以AgI-Ag2O-B2O3玻璃和锡(Sn)镀膜为例,共晶反应温度为230℃,大于Ag/Sn的共晶反应温度,保温时间t2为5~20min。
本发明所述方法将玻璃与金属的阳极键合和共晶键合过程融合,可与阳极键合共用同种装置,步骤S4即利用阳离子导电玻璃的阳离子迁移性能实现阳离子导电玻璃键合面的原位金属化,而传统阳极键合则借助O2-或非桥氧的迁移及界面反应实现玻璃与金属的键合。步骤S5是继S4表面原位金属化后,利用原位金属化层与金属基板镀膜的低温共晶反应形成共晶连接层,从而实现阳离子导电玻璃与金属基板的键合,而传统共晶键合需预先在玻璃表面通过磁控溅射或等离子喷涂等方式涂覆金属膜,而步骤S5则利用阳离子导电玻璃原位金属层作为共晶反应物质,形成的共晶液相对玻璃表面的铺展润湿效果极佳,显著提升连接强度,降低连接条件。
本发明具有以下有益效果:
1、玻璃表面的金属化材料源于玻璃内部阳离子迁移产生的物质输运,阳离子在阳离子键合表面富集并发生氧化还原反应形成阳离子对应的金属单质,在表面析出后贴合表面的粗糙微细结构原位生长,从而极大的提高了镀膜与玻璃的连接强度,可显著改善表面金属层熔化后对玻璃表面的铺展、润湿和填充性能,降低玻璃与异质材料焊接或键合的难度。
2、表面原位金属化温度与阳离子导电玻璃内阳离子的电离激活能和电导率有关,所需温度通常低于激光涂覆和等离子喷涂等表面金属化方法对金属或合金的处理温度,从而显著降低了由于镀膜与玻璃热膨胀系数失配引起的残余热应力。无需使用额外涂镀设备,工艺简单且成本低。
3、利用阳离子导电玻璃表面的原位金属层与金属基板镀膜发生共晶反应,一方面可形成共晶液相填充键合材料表面,另一方面共晶反应温度较低,可实现阳离子导电玻璃与金属极板的低温连接,而共晶连接层具备良好的导电导热性能,在大功率器件封装和三维集成封装方面极具应用潜力。
本发明设计合理,具有很好的推广应用价值。
附图说明
图1表示本发明基于阳离子导电的金属与玻璃表面原位金属化共晶键合装置示意图。
图2表示本发明基于阳离子导电的金属与玻璃表面原位金属化共晶键合过程示意图。
图3表示通过实施例1所述方法,制备的镀锡Cu基板与AgI-Ag2O-MoO3导电玻璃表面原位金属化共晶键合试样,经拉伸失效后暴露出的共晶键合组织照片,以及该共晶键合层的X射线衍射图。
图中:1-炉体,2-电源线,3-直流电源,4-电流记录装置,5-电阻,6-真空泵,7-加热装置,8-控制面板,9-支撑板,10-压板,11-正极板,12-负极板,13-阳离子导电玻璃试片,14-金属基板,15-金属镀膜,16-表面原位金属层,17-共晶反应液相,18-共晶连接层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明所述的基于阳离子导电的玻璃与金属表面原位金属化共晶键合方法,用于阳离子导电玻璃与金属基板的键合封装工艺,键合中间层由阳离子导电玻璃内受复合场激活后的阳离子反应形成,并在阳离子导电玻璃的键合面处原位生长,无需表面涂镀、溅射或离子注入。具体实施例如下。
实施例1
一种基于阳离子导电的玻璃与金属表面原位金属化共晶键合方法,按照如下步骤进行:
第一步:选择具有高电导率和低电离激活能的AgI-Ag2O-MoO3银离子导电玻璃作为表面原位金属化样件,制备过程为:准备化学纯级AgI,Ag2O和MoO3作为原材料,物料按60mol%AgI、Ag2O和MoO3等摩尔比,配比充分混合,置于一端开口的石英玻璃管内,于电热炉中加热至480~800℃致其熔化,随后熔体经双辊冷却,其间合理调整双辊压力以控制溶体冷却速率,将玻璃加工为厚度2mm且15mm×15mm的阳离子导电玻璃试片13;选择厚度为1mm的铜(Cu)基板作为待连接金属基板14,并在表面通过等离子喷涂或磁控溅射的方式镀Sn层(金属镀膜15),Sn膜的厚度为50μm,将镀Sn后的金属基板切割成15mm×15mm的试片。
第二步:使用金相砂纸打磨阳离子(Ag+)导电玻璃试片13及Sn镀膜15的键合表面,使阳离子导电玻璃试片13的表面粗糙度Ra=0.5~1.2μm,Sn镀膜15的表面粗糙度Ra=0.1~0.3μm。打磨后使用丙酮清洗待键合表面。
第三步:如图1所示,将Ag+导电玻璃试片13与Cu基板镀Sn层一侧接触,并采用对接的方式组合并置于真空键合炉的正极板11和负极板12之间,Ag+导电玻璃试片13的非键合面与正极板11之间设有石墨纸,Cu基板14的非镀膜面与负极板12之间设有石墨纸。设置正极板11和负极板12之间的轴向压力为2MPa。
第四步:抽真空使炉内真空度保持在10-3~10-5Pa,温度升至150℃后,在正负极板间施加260V直流电场,加载时间10min,保温10min,激活AgI-Ag2O-MoO3银离子导电玻璃13内Ag+的电离,使其发生迁移和物质输运并于Ag+导电玻璃13与镀Sn层的接触面处析出,形成如图2(b)中的表面原位金属化Ag层16,该单质Ag层紧贴Ag+导电玻璃试片13的表面原位生长。
第五步:保温结束后,提升炉内温度至230℃(高于Ag/Sn共晶反应温度),电压保持不变,保温10min使Ag+导电玻璃试片13的表面原位Ag层与Sn镀膜发生共晶反应形成液相17,直至表面原位Ag层完全消耗,仍有部分Sn镀膜未熔化,随后β-Sn相和高熔点Ag3Sn相从液相中析出形成共晶连接层18,保温结束后随炉冷却至室温,并取出样片。
图3为Ag+导电玻璃试片13与镀锡Cu基板经所述方法连接后,接头拉伸断裂后的数码照片及Ag/Sn共晶反应产物的X射线衍射图,表征结果表明:共晶反应产物主要由β-Sn,Cu6Sn5和Ag3Sn组成,其中Cu6Sn5为Cu基板与Sn镀膜反应生成的金属间化合物。
实施例2
一种基于阳离子导电的玻璃与金属表面原位金属化共晶键合方法,按照如下步骤进行:
第一步:选择具有高电导率和低电离激活能的AgI-Ag2O-V2O5银离子导电玻璃作为表面原位金属化样件,制备过程为:准备化学纯级AgI,Ag2O和V2O5作为原材料,物料按50mol%AgI、Ag2O/ V2O5=0.67:0.33(摩尔分数比)的配比充分混合,称量5g混合粉末于250mL玛瑙球磨罐中,放入直径为10mm的玛瑙研磨球,球料比为10:1,并加入10mL丙酮作为过程控制剂,以400rpm的转速在行星球磨机中球磨10h,每隔3h暂停30min,并将球磨后的粉体置于真空干燥箱中干燥2h,将干燥后的粉体装入石墨模具中,放入SPS系统进行烧结,烧结温度为900~1200℃,轴向压力为70MPa,烧结过程中真空度保持在10-1Pa左右。将玻璃加工为厚度2mm且15mm×15mm的试片14。选择1mm厚度铝(Al)基板作为待连接金属基板,并在表面通过等离子喷涂或磁控溅射的方式镀Sn膜15,Sn膜15的厚度为50μm,将镀Sn后的金属基板切割成15mm×15mm的试片。
第二步:使用金相砂纸打磨阳离子导电玻璃试片14及Sn镀膜15的键合表面,使阳离子导电玻璃试片13的表面粗糙度Ra=0.5~1.2μm,Al基板14的表面粗糙度Ra=0.1~0.3μm。打磨后使用丙酮清洗待键合表面。
第三步:如图1所示,将阳离子导电玻璃试片13与Al基板14的Sn镀膜15一侧接触,并采用对接的方式组合并置于正极板11和负极板12之间,阳离子导电玻璃试片13的非键合面与正极板11之间设有石墨纸,Al基板14的非键合面与负极板12之间设有石墨纸。正极板11和负极板12之间设置轴向压力为1~2MPa。
第四步:抽真空使炉内真空度保持在10-3~10-5Pa,温度升至150℃后,在正负极板间施加260V直流电场,加载时间10min,保温10min,激活阳离子导电玻璃试片13内Ag+的电离,使其发生迁移和物质输运并于阳离子导电玻璃与Al基板14的接触面处析出,形成如图2(b)所示的Ag单质层16,该单质层紧贴阳离子导电玻璃试片13的表面原位生长。
第五步:保温结束后,进一步将温度提升至230℃(高于Ag/Sn共晶反应温度),电压保持不变,保温10min使阳离子导电玻璃试片13的表面原位Ag层16与Sn镀膜15发生共晶反应形成液相,生成β-Sn相和高熔点Ag3Sn相从液相中析出形成共晶连接层18,保温结束后随炉冷却至室温,并取出样片。
实施例3
一种基于阳离子导电的玻璃与金属表面原位金属化共晶键合方法,按照如下步骤进行:
第一步:选择具有高电导率和低电离激活能的Cu2O-Al2O3-SiO2铜离子导电玻璃作为表面原位金属化样件,制备过程为:按12.5%CuO-12.5%Al2O3-75%SiO2的摩尔比经400rpm的转速磨球2h,并放入Al2O3坩埚中加热至1550℃熔融,随后熔体经双辊冷却,其间合理调整双辊压力以控制溶体冷却速率,得到薄片状玻璃,加工成厚度为2mm面积为15mm×15mm的试片14;选择厚度为1mm的Cu基板作为待连接金属基板,并在表面通过等离子喷涂或磁控溅射的方式镀Sn膜15,Sn膜15厚度为50μm,将镀Sn后的金属基板切割成15mm×15mm的试片。
第二步:使用金相砂纸打磨阳离子导电玻璃试片13及Sn镀膜15的键合表面,使阳离子导电玻璃试片13的表面粗糙度Ra=0.5~1.2μm,Sn镀膜15的表面粗糙度Ra=0.1~0.3μm。打磨后使用丙酮清洗待键合表面。
第三步:如图1所示,将阳离子导电玻璃试片13与Cu基板镀Sn层一侧接触,并采用对接的方式组合并置于真空键合炉的正极板11和负极板12之间,导电玻璃试片13的非键合面与正极板11之间设有石墨纸,Cu基板14的非镀膜面与负极板12之间设有石墨纸。正极板11和负极板12之间设置轴向压力为1~2MPa。
第四步:抽真空使炉内真空度保持在10-4~10-2Pa,温度升至200℃后,在正负极板间施加280V直流电场,加载时间10min,保温10min,激活阳离子导电玻璃试片13内Cu+的电离,使其发生迁移和物质输运并于玻璃与Sn镀膜15的接触面处析出,形成如图2(b)所示的Cu单质层16,该单质层紧贴阳离子导电玻璃试片13的表面原位生长。
第五步:保温结束后,将温度进一步提升至240℃(高于Cu/Sn共晶反应温度),电压保持不变,保温10min使阳离子导电玻璃试片13的表面原位Cu层16与Sn镀膜15发生共晶反应形成液相,生成高熔点Cu6Sn5相和Sn基质相位的共晶结构连接层18从液相中析出,保温结束后随炉冷却至室温,并取出样片。
总之,本发明方法将阳离子导电玻璃与金属基板的镀膜侧接触,并对接置于真空炉内正负电极之间,施加一定的轴向压力并加热,玻璃内阳离子在高温下受激活发生电离,加载直流电场,阳离子形成定向迁移输运,并于玻璃负极侧表面富集,与自由电荷中和发生氧化还原反应生成单质,继而在表面微纳结构中原位生长形成金属层,并与接触镀膜发生扩散或共晶反应,从而实现阳离子导电玻璃与金属基板的共晶键合。采用本发明的优势在于,金属层紧密贴合玻璃表面生长,连接强度高,金属层熔化后对玻璃表面的铺展和润湿性能极佳,显著提升玻璃的焊接和封装性能,共晶键合温度低,连接强度高且键合层具有优异的导电导热性能,适合晶片间的高集成度垂直互连。
以上具体实施例仅对本发明做示例性的说明,该实施案例具体细节仅是为了说明本发明,并不代表本发明构思下全部技术方案,任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题,或实现基本相同的技术效果,所作出地简单变化、等同替换或者修饰等,均属于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1、制备含有银的卤化物、硫化物或含有铜的氧化物、卤化物的阳离子导电玻璃,在金属基板表面镀金属膜,均制作试片;
S2、使用金相砂纸打磨阳离子导电玻璃试片及金属基板镀膜的接触表面并用丙酮清洗;
S3、将阳离子导电玻璃试片与金属基板镀膜表面接触,并对接置于真空键合炉内的正极板和负极板之间,阳离子导电玻璃试片非键合面与正极板相连,金属基板非镀膜面与负极板相连;正极板与直流电源正极连通,负极板与直流电源负极连通,并在正负极板上施加轴向压力;
S4、保持炉内真空环境,将叠放好的试片在真空键合炉中加热至阳离子导电玻璃试片内阳离子的电离激活温度,同时在正负极板间加载直流电场,使电离的阳离子形成定向移动并于阳离子导电玻璃的接触面处富集,与负极板传递而来的自由电子中和,形成金属单质析出,保温时间t1,使析出物在阳离子导电玻璃接触面处原位生长并增厚;
S5、表面原位金属化层与镀膜共晶反应:保温t1时间后,升温至原位生长金属单质和金属基板镀膜材料的共晶反应温度,此时外接电场保持不变或断开,保温t2时间,使原位金属层与金属镀膜充分扩散反应形成共晶连接层,与阳离子导电玻璃表面和金属基板表面的毛细结构形成物理嵌合,随后让阳离子导电玻璃试片与金属基板连接体自然冷却至室温并取出。
2.根据权利要求1所述的基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法,其特征在于:步骤S1中,阳离子导电玻璃通过在硼酸盐、钒酸盐、磷酸盐、碲酸盐、硫系或硫卤系玻璃基体中掺杂AgI、AgBr、Ag2S、CuI、CuBr或Cu2O中的一种或多种制得。
3.根据权利要求1或2所述的基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法,其特征在于:步骤S2中,阳离子导电玻璃试片的厚度为0.5~5mm,接触面的粗糙度为Ra=0.5~1.2μm;金属基体的厚度为0.1~5mm,表面镀膜厚度为20~100μm,镀膜表面的粗糙度为Ra=0.1~0.3μm。
4.根据权利要求3所述的基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法,其特征在于:步骤S3中,阳离子导电玻璃试片与正极板之间设有石墨纸,金属基板与负极板之间设有石墨纸。
5.根据权利要求4所述的基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法,其特征在于:步骤S3中,设置轴向压力为0.1~5MPa。
6.根据权利要求5所述的基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法,其特征在于:步骤S4中,真空环境真空度为10-3~10-5Pa,电离激活温度低于原位生长金属单质和镀膜金属发生共晶反应的温度,直流电场强度最低为220V,保温时间t1为2~15min。
7.根据权利要求6所述的基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法,其特征在于:步骤S5中,保温时间t2为5~20min。
8.根据权利要求2所述的基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法,其特征在于:步骤S1中,阳离子导电玻璃的制备方法包括熔融淬冷法和机械化学合成法。
CN201910386567.XA 2019-05-10 2019-05-10 基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法 Active CN110246769B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910386567.XA CN110246769B (zh) 2019-05-10 2019-05-10 基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910386567.XA CN110246769B (zh) 2019-05-10 2019-05-10 基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110246769A true CN110246769A (zh) 2019-09-17
CN110246769B CN110246769B (zh) 2020-09-11

Family

ID=67884094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910386567.XA Active CN110246769B (zh) 2019-05-10 2019-05-10 基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110246769B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111635147A (zh) * 2020-06-08 2020-09-08 太原理工大学 一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合方法及装置
CN114953643A (zh) * 2022-06-15 2022-08-30 Oppo广东移动通信有限公司 终端及其壳体组件以及壳体组件的键合方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59174549A (ja) * 1983-03-18 1984-10-03 Yokogawa Hokushin Electric Corp 金属とガラスの接合方法
JPH0350141A (ja) * 1989-07-17 1991-03-04 Mitsubishi Electric Corp シリコンとガラスとの接合方法
JP2005350311A (ja) * 2004-06-11 2005-12-22 Sharp Corp 陽極接合方法
CN101708964A (zh) * 2009-11-26 2010-05-19 南京工业大学 一种玻璃和金属真空钎焊工艺
CN102976635A (zh) * 2012-12-14 2013-03-20 哈尔滨工业大学 一种玻璃与铜或铜合金连接方法
CN103833236A (zh) * 2012-11-28 2014-06-04 海宁微动光能科技有限公司 一种基于力热电耦合条件下的玻璃金属键合封接工艺
CN105865669A (zh) * 2015-02-09 2016-08-17 阿自倍尔株式会社 三层基板的接合方法
CN107298535A (zh) * 2016-04-14 2017-10-27 南京理工大学 一种钛合金-k4玻璃异种材料的复合连接方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59174549A (ja) * 1983-03-18 1984-10-03 Yokogawa Hokushin Electric Corp 金属とガラスの接合方法
JPH0350141A (ja) * 1989-07-17 1991-03-04 Mitsubishi Electric Corp シリコンとガラスとの接合方法
JP2005350311A (ja) * 2004-06-11 2005-12-22 Sharp Corp 陽極接合方法
CN101708964A (zh) * 2009-11-26 2010-05-19 南京工业大学 一种玻璃和金属真空钎焊工艺
CN103833236A (zh) * 2012-11-28 2014-06-04 海宁微动光能科技有限公司 一种基于力热电耦合条件下的玻璃金属键合封接工艺
CN102976635A (zh) * 2012-12-14 2013-03-20 哈尔滨工业大学 一种玻璃与铜或铜合金连接方法
CN105865669A (zh) * 2015-02-09 2016-08-17 阿自倍尔株式会社 三层基板的接合方法
CN107298535A (zh) * 2016-04-14 2017-10-27 南京理工大学 一种钛合金-k4玻璃异种材料的复合连接方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.DALVI,K.SHAHI: "Characterization and electrochemical cell characteristics of mechanochemically synthesized AgI-Ag2O-MoO3 amorphous superionic system", 《JOURNAL OF PHYSICS AND CHEMISTRY OF SOLIDS》 *
B.ROLING: "Commentary on "Nonlinear impedance as possible result of ion-polaron interaction in Cu2O-Al2O3-SiO2 glass"", 《JOURNAL OF NON-CRYSTALLINE SOLIDS》 *
HUIFEN PENG,ET.: "Mechano-chemical synthesis of amorphous solids in the system AgI-Ag2PO3.5 and their silver ion-conductiing properties", 《JOURNAL OF NON-CPYSTALLINE SOLIDS》 *
徐晓龙: "玻璃表面润湿性及其与铜的低温连接", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅰ辑)》 *
时方荣: "电场辅助玻璃-金属/硅连接机理及界面行为研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅰ辑)》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111635147A (zh) * 2020-06-08 2020-09-08 太原理工大学 一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合方法及装置
CN111635147B (zh) * 2020-06-08 2022-12-23 太原理工大学 一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合方法及装置
CN114953643A (zh) * 2022-06-15 2022-08-30 Oppo广东移动通信有限公司 终端及其壳体组件以及壳体组件的键合方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110246769B (zh) 2020-09-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Universal soldering of lithium and sodium alloys on various substrates for batteries
CN103298763B (zh) 穿通件
CN109511181B (zh) 铜导电电极的石墨烯电热膜及其制备方法
CN109509910A (zh) 一种复合型固态电解质及其制备方法
JP7260923B2 (ja) 電気工学的薄膜積層体の製造方法
CN111635147B (zh) 一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合方法及装置
WO2009032986A2 (en) Integrated electrochemical and solar cell
CN110246769B (zh) 基于阳离子导电金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法
CN209266514U (zh) 一种复合型固态电解质
CN107623067A (zh) 一种便携式高纵横比层间连接的微型垂直结构热电器件及其制备方法
CN108448066A (zh) 一种无粘合剂、无导电添加剂的近室温镓基液态金属-硅复合负极的制备方法
Zhang et al. A lithium–tin fluoride anode enabled by ionic/electronic conductive paths for garnet-based solid-state lithium metal batteries
CN109912237B (zh) 基于阳离子导电玻璃的表面原位金属化方法
CN106552990A (zh) 一种贴片电位器的内部微焊接方法
CA1207421A (en) High efficiency stable cds cu.sub.2s solar cells manufacturing process using thick film methodology
CN109493993B (zh) 一种用于晶硅太阳能电池正面电极的银浆料及其制备方法
CN102992632B (zh) 一种太阳能电池铝浆用无铅玻璃粉
TW202000622A (zh) 具有金屬奈米膜的玻璃製品及增加金屬與玻璃之間的黏合的方法
WO2022092177A1 (ja) 熱電変換モジュール
WO2018201837A1 (zh) 一种半导体封装结构
CN106381432B (zh) 一种高导热金刚石/多金属复合材料制备方法
CN109285940B (zh) 与热电材料匹配的电极及其连接方法
CN103951265B (zh) 一种硅太阳能电池铝背场用无铅玻璃粉及其制备方法
CN111768891A (zh) 一种用于perc太阳能电池的铝浆
Zhou et al. Weldability modification of conductive silver adhesion for piezoelectric composite material by co-doping of metal material and oxide material

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant