专利名称：多层玻璃与金属共阳极静电场致连接法的制作方法
技术领域：
本发明多层玻璃与金属静电场致连接方法属于材料结构挣扎研究领域，具体而言是一种玻璃与金属连接的技术方案，特别是涉及到IC产品和MEMS产品中的玻璃与金属的连接。
背景技术：
近年来快速发展的电子纳米制造技术使微电子机械产品向高度集成化、多元化和微型化发展，产品的复杂结构的多层玻璃和金属材料在不同平面内的组装结构，要求采用精确和可靠的封装技术。以往的封装技术是采用真空溅射和蒸镀、涂镀或气相沉积技术在金属材料表面敷置非金属薄膜的工艺，存在工效低，精度差和成本高的缺点。
发明内容
本发明多层玻璃与金属静电场致连接方法目的在于为了克服上述背景技术中存在的不足，本发明专利提出一种新的高效、经济的多层玻璃和金属材料间的共阳极场致扩散快速连接的方法的技术方案。
本发明多层玻璃和金属的连接方法，其特征在于是一种将多层玻璃和金属采用共阳极场致扩散进行快速连接的方法，具体的方法步骤为I、玻璃与金属对叠后置于具有电压为100-600V的直流电场的真空连接炉5中的加热板上，连接温度为200-500℃；
II、玻璃B1、B2与电源3的负极连接，金属M1、M2、M3与电源3的正极连接，压力装置4保持连接压力为5-50Pa；III、在连接炉5中气氛为低于10-2Pa的真空的条件下，采用两步法键合技术，键合的第一阶段，接通开关K2，使M2接电源正极，M1和M3接负极，连接时间保持5-15分钟后；玻璃键合在键合的第二阶段，断开开关K2，接通K1、K3，保持时间5-10分钟，B1、B2与M1、M2和M3形成键合，键合完成，连接体随连接炉冷却，冷却速度为4℃/min。
上述多层玻璃与金属静电场致连接方法，其特征在于所述的玻璃B1、B2和金属M1、M2、M3的表面粗糙度小于0.1μm。
上述多层玻璃与金属静电场致连接方法，其特征在于所述的玻璃B1、B2的的材料为特制的硼硅钠玻璃，其化学成分为B2O32-5％，Na2O 3-7％，Al2O31-5％，ZnO 1.5-2.5％，其余为SiO2，厚度0.03-0.5mm。
上述多层玻璃与金属静电场致连接方法，其特征在于所述的金属M1、M2、M3为Al、Cu、Ni、Si、Ti以及可伐合金，厚度0.01-0.2mm。
本发明多层玻璃与金属静电场致连接方法提出的方法与一般的玻璃与金属静电键合的方法相比的积极效果在于在高压电场和温度的影响下，公共阳极的导电结构，使玻璃/金属多个连接界面同时形成极化和离子迁移。玻璃中的负离子向阳极双向迁移并与金属中的正离子键合，提高了键合界面的阳极反应速度和键合速度，减小了连接过程所需要的电压、温度和时间，提高了键合效率。设置了公共阳极和阳极转换开关，实现一次完成多层玻璃与金属材料的键合过程在相对较低的连接温度和压力以及在低真空条件下，实现多层玻璃与金属的同时连接，这对装配精度和可靠性要求极高的微电子机械产品的快速组装极为有利，不但可以简化封装工艺，提高工效。同时，由于玻璃/金属/玻璃的对称交替连接可以显著减小由于材料连接界面的物理性能失配所造成的残余应力，从而提高产品的可靠性和工作寿命。在本连接方法中，被连接材料各个玻璃与金属的结合界面在静电场的作用下同时形成离子极化、离子迁移和键合。同时在一定温度下产生界面的热扩散，其结果在每个连接界面都产生MxOy的复合氧化物区从而形成固相连接。玻璃与金属的连接界面存在不可避免的物理化学失配现象，导致连接界面产生残余应力和降低了产品的质量。由于本发明产生了玻璃/金属/玻璃的对称连接结构，从而有效地减小了连接界面的残余应力和提高了连接强度。由于本发明采用共阳极多层材料同时键合的方法，减少了生产复杂结构的微电子产品要求的多次加热和加压的工艺过程，提高了生产效率和产品质量。减少了产品在生产过程中的反复加热的次数而造成的材料损坏和残余应力。
图1本发明专利提出的多层玻璃与金属静电场致连接装置图。
1-阴极板 2-阳极板 B1、B2-玻璃 M1、M2、M3-金属 3-直流电源 4-加压装置5-真空炉 6-加热板 7-阳极转换开关具体实施方式
具体实施方式
1两层玻璃与三层铝的共阳极静电场致键合硼硅玻璃含B2O33％，Na2O 5％，Al2O33％，ZnO 1.5％，其余为SiO2，厚度0.3mm。纯铝片厚度0.03mm，所有工件的表面粗糙度Ra≤0.1μm。将两层玻璃与三层铝按玻璃-铝-玻璃-铝-玻璃顺序叠放在电压为400V的连接炉5内的加热板6上，铝片接电源3的正极，玻璃接负极，炉内温度300℃，压力50Pa，炉内气氛为10-2Pa的低真空。先合上K2，断开K1和K3，保持10分钟后，断开K2，断合上K1和K3，保持5分钟后连接完成；切断电源后，连接件随炉以4℃/min的冷速冷却。
玻璃/铝的各个界面结合良好，接头剪切强度9MPa。
具体实施例方式
2两层玻璃与三层单晶硅的共阳极静电场致键合硼硅玻璃含B2O34％，Na2O 4％，Al2O33％，ZnO 1.5％，其余为SiO2，厚度0.2mm。单晶硅片厚度0.05mm，所有工件的表面粗糙度Ra≤0.1μm。将两层玻璃与三层单晶硅按玻璃-单晶硅-玻璃-单晶硅-玻璃顺序叠放在电压为400V的连接炉5内的加热板6上，单晶硅片接电源3的正极，玻璃接负极，炉内温度300℃，压力50Pa，炉内气氛为10-2Pa的低真空。先合上K2，断开K1和K3，保持10分钟后，断开K2，断合上K1和K3，保持5分钟；切断电源后，连接件随炉以4℃/min的冷速冷却。
玻璃/单晶硅的各个界面结合良好，接头剪切强度5MPa。
具体实施方式
3两层玻璃与三层可伐合金的共阳极静电场致键合硼硅玻璃含B2O33％，Na2O 5％，Al2O33％，ZnO 1.5％，其余为SiO2，厚度0.3mm。4Z29可伐合金片，厚度0.2mm，所有工件的表面粗糙度Ra≤0.1μm。将两层玻璃与三层可伐合金按玻璃-可伐合金-玻璃-可伐合-玻璃的顺序叠放在电压为400V的连接炉5内的加热板6上，可伐合金片接电源3的正极，玻璃接负极，炉内温度300℃，压力50Pa，炉内气氛为10-2Pa的低真空。先合上K2，断开K1和K3，保持10分钟后，断开K2，断合上K1和K3，保持5分钟；切断电源后，连接件随炉以4℃/min的冷速冷却。玻璃/可伐合金的各个界面结合良好，接头剪切强度15MPa。
权利要求
1.一种多层玻璃和金属的连接方法，其特征在于是一种将多层玻璃和金属采用共阳极场致扩散进行快速连接的方法，具体的方法步骤为I、玻璃与金属对叠后置于具有电压为100-600V的直流电场的真空连接炉5中的加热板上，连接温度为200-500℃；II、玻璃B1、B2与电源3的负极连接，金属M1、M2、M3与电源3的正极连接，压力装置4保持连接压力为5-50Pa；III、在连接炉5中气氛为低于10-2Pa的真空的条件下，采用两步法键合技术，键合的第一阶段，接通开关K2，使M2接电源正极，M1和M3接负极，连接时间保持5-15分钟后；玻璃键合在键合的第二阶段，断开开关K2，接通K1、K3，保持时间5-10分钟，B1、B2与M1、M2和M3形成键合，键合完成，连接体随连接炉冷却，冷却速度为4℃/min。
2.按照权利要求1所述的多层玻璃与金属静电场致连接方法，其特征在于所述的玻璃B1、B2和金属M1、M2、M3的表面粗糙度小于0.1μm。
3.按照权利要求1所述的多层玻璃与金属静电场致连接方法，其特征在于所述的玻璃B1、B2的的材料为特制的硼硅钠玻璃，其化学成分为B2O32-5％，Na2O 3-7％，Al2O31-5％，ZnO 1.5-2.5％，其余为SiO2，厚度0.03-0.5mm。
4.按照权利要求1所述的多层玻璃与金属静电场致连接方法，其特征在于所述的金属M1、M2、M3为Al、Cu、Ni、Si、Ti以及可伐合金，厚度0.01-0.2mm。
全文摘要
一种多层玻璃与金属静电场致连接方法属于材料结构挣扎研究领域，具体而言是一种玻璃与金属连接的技术方案，特别是涉及到IC产品和MEMS产品中的玻璃与金属的连接。其特征在于是一种将多层玻璃和金属采用共阳极场致扩散进行快速连接的方法，提高了键合界面的阳极反应速度和键合速度，减小了连接过程所需要的电压、温度和时间，实现一次完成多层玻璃与金属材料的键合过程在相对较低的连接温度和压力以及在低真空条件下，实现多层玻璃与金属的同时连接，不仅提高了连接强度，而且减少了生产复杂结构的微电子产品要求的多次加热和加压的工艺过程，提高了生产效率和产品质量。
文档编号C03C27/04GK1974462SQ20061010226
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月14日 优先权日2006年12月14日
发明者孟庆森, 胡立方, 李育德, 鲁晓莹, 刘翠荣 申请人:太原理工大学