一种基于金锡共晶的石英键合方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石英结构间的键合技术，具体涉及一种基于金锡共晶的石英键合方法。
技术背景
[0002]石英晶体是一种重要的压电材料，可广泛应用于通讯、惯性导航、自动控制、电子手表等各军民用领域。石英压电器件的基本工作原理是基于石英晶体的压电效应，并将加速度、角速度等力学量转换成电学信号加以检测。为了实现石英压电器件的工作原理，通常需要将多层结构的石英组件组合在一起，形成石英敏感结构组件，是敏感力学量的关键组成部分。多层石英敏感结构件要求各零层部件在特定部位相互连接，以确保力的传导连续有效，从而保证石英压电器件的整体性能。
[0003]目前多层石英敏感结构的连接工艺一般采用胶粘接键合，即选用合适的胶体作为连接剂，胶体固化后将各层零部件连接起来。胶粘接键合工艺简单，容易实施，但存在以下问题:①不论是采用手动涂胶还是机械涂胶，都无法保证胶体覆盖的均匀性；②未固化前胶体流动性大，胶量控制困难，容易将胶涂覆到待键合区域外；③键合后胶体内部容易残留气泡，影响键合效果。
【发明内容】
[0004]发明目的
[0005]本发明的目的在于提供一种基于金锡共晶的石英键合方法，能实现石英振敏感结构件之间的键合加工，并且达到如下指标要求:金锡焊料图形加工尺寸误差控制在±3μπι以内，焊料图形厚度相对误差不超过3%，焊料层厚度均匀性优于±3%，挠性支撑的厚度控制在±3 μπι以内且对称性优于5% ;键合对准误差不超过±5 μπι ;键合后剪切强度高于2MPa0
[0006]技术方案
[0007]本发明是一种基于金锡共晶的石英键合方法，其中，包括以下步骤:
[0008]准备步骤:准备待键合的两侧零部件之一、中间零部件、两侧零部件之二，在两侧零部件之一、两侧零部件之二与中间零部件的基片外框上事先加工好对应的键合对准图形标记；
[0009]清洗步骤:对两侧零部件之一、中间零部件、两侧零部件之二的石英表面进行清洗处理；
[0010]沉积薄膜的步骤:对两侧零部件之一依次沉积Cr/Au薄膜，并对中间零部件对应于两侧零部件之一的一侧依次沉积Cr/Au/Sn/Au薄膜，Cr/Au薄膜厚度为10?20nm ；Sn/Au薄膜整体厚度为1.5?2 μ m，且Au: Sn薄膜的厚度比例为3:2 ;或者，对两侧零部件之一依次沉积Ti/Au薄膜，并对中间零部件对应于两侧零部件之一的一侧依次沉积Ti/Au/Sn/Au薄膜，Ti/Au薄膜厚度为160?200nm ；Sn/Au薄膜整体厚度为1.5?2 μm，且Au:Sn薄膜的厚度比例为3:2 ;
[0011]然后，对两侧零部件之二依次沉积Cr/Au薄膜，并对中间零部件对应于两侧零部件之二的另一侧依次沉积Cr/Au/Sn/Au薄膜，Cr/Au薄膜厚度为10?20nm ；Sn/Au薄膜整体厚度为1.5?2 μπι，且Au:Sn薄膜的厚度比例为3:2 ;或者，对两侧零部件之二依次沉积Ti/Au薄膜，并对中间零部件对应于两侧零部件之之二的另一侧依次沉积Ti/Au/Sn/Au薄膜，Ti/Au薄膜厚度为160?200nm ；Sn/Au薄膜整体厚度为1.5?2 μ m，且Au: Sn薄膜的厚度比例为3:2 ;
[0012]热压键合的步骤:在对准台上将中间零部件与两侧零部件之一进行对准，并进行热压键合，然后在对准台上将中间零部件的另一侧与两侧零部件之二对准并热压键合。
[0013]如上所述的一种基于金锡共晶的石英键合方法，其中，在沉积薄膜步骤中，采用电子束蒸发方式进行沉积。
[0014]如上所述的一种基于金锡共晶的石英键合方法，其中，在沉积薄膜的步骤中，在对于中间零部件进行沉积时，进行如下步骤:
[0015]首先，制作石英遮挡片，遮挡片中镂空图形区域为待键合区域，且遮挡片基片外框上包含与中间零部件基片外框对应的遮挡对准标记图形；
[0016]然后，在石英遮挡片上涂覆可以后期去除的胶体，利用对准标记在对准台上将石英遮挡片和中间零部件进行对准，并贴合压紧、烘干使胶体固化；
[0017]然后，对中间零部件进行薄膜沉积；
[0018]然后，将石英遮挡片和中间零部件浸入去胶溶液中使其分离并烘干。
[0019]如上所述的一种基于金锡共晶的石英键合方法，其中，热压键合的步骤中，具体工艺为??温度300?3°C，压力0.2?2Mpa，时间15?30min。
[0020]有益效果
[0021]本发明的效果在于:
[0022]1.实现了焊料层组份比例的精确控制
[0023]通过选择合理沉积工艺参数，稳定沉积速率，金锡焊料层14厚度相对误差控制在3%以内，焊料层14厚度均匀性优于±3%。
[0024]2.实现了图形化焊料的精密加工
[0025](I)加工出了具有精确镂空结构以及减薄区域的石英遮挡片50，镂空尺寸精度控制在±1 μπι ;
[0026](2)利用该遮挡片50通过电子束蒸发垂直沉积的方式获得了焊料薄膜14，薄膜图形尺寸加工误差在± 3 μ m以内。
[0027]3.能实现石英敏感结构件的精密对准
[0028]利用预先设计的各零部件基片外框上对准标记a、b，在对准台上利用光学显微镜进行精密对准，并自动找平贴合，键合对准误差优于± 5 μ m。
【附图说明】
[0029]图1为某三层石英敏感结构组成示意图；
[0030]图2为某三层石英敏感结构键合及焊料层14组成示意图；
[0031]图3为两侧零部件之一 11和中间零部件12基片外框上键合对准标记示意图；
[0032]图4为具有减薄结构的石英遮挡片50加工流程示意图；
[0033]图5为利用石英遮挡片50和电子束蒸发加工金锡焊料薄膜14的示意图。
[0034]图中:11.两侧零部件之一 ；12.中间零部件；13.两侧零部件之二 ；14.键合连接剂；10.键合对I ;20.键合对2 ；31.两侧零部件之一 11、两侧零部件之二 13上Cr薄膜；32.两侧零部件之一 11、两侧零部件之二 13上Au薄膜；41.中间零部件12上Cr薄膜；42.中间零部件12上Sn薄膜；43.中间零部件12上第一层Au薄膜；44.中间零部件12上第二层Au薄膜；50.石英遮挡板；60.临时粘接胶；a.两侧零部件之一 11、两侧零部件之二13上的键合对准标记；b.中间零部件12上的键合对准标记。
【具体实施方式】
[0035]以下，结合附图和【具体实施方式】，对本发明做进一步的说明。
[0036]本发明提出一种基于金锡共晶的石英间键合方法，能够现有技术的问题。
[0037]以三层石英敏感结构为例，多层石英敏感结构的键合方法可以以其类推。三层石英敏感结构采用两两键合的方式即先将两侧零部件之一 11与中间零部件12键合成对，再在其上键合两侧零部件之二 13 ;键合连接剂采用分层式金锡共晶焊料14，根据TLP原理，采用多层交替沉积金锡薄膜的方式制备共晶焊料层14。
[0038]本发明主要针对Au-Sn-Au的三层共晶焊料，焊料层整体厚度为1.5?2 μ m，且精确控制Au:Sn薄膜的总厚度比例为3:2，并以Cr膜或Ti膜打底；整个焊料层14加工在中间零部件12两侧，两侧零部件之一 11、两侧零部件之二 13对应区域仅加工Cr/Au薄膜。
[0039]图1所示的为某三层石英敏感结构组成示意图，显示了两侧零部件之一 11、两侧零部件之二 13与中间零部件12的相对位置；其中两侧零部件之一 11和中间零部件12组成键合对10，两侧零部件之二 13和中间零部件12组成键合对20。图2所示的为某三层石英敏感结构键合及焊料示意图，其中11、13为两侧零部件，12为中间零部件，31为两侧零部件之一 11、两侧零部件之二 13上Cr薄膜，32为两侧零部件之一 11、两侧零部件之二 13上Au薄膜，41为中间零部件12上Cr薄膜，42为中间零部件12上Sn薄膜，43为中间零部件12上第一层Au薄膜，44为中间零部件12上第二层Au薄膜。
[0040]石英敏感结构的键合焊料采用遮挡沉积的工艺加工，键合采用热压键合的工艺进行，其工艺存在如下难点:
[0041]1.焊料层组份比例精确控制
[0042]根据Au-Sn 二元共晶相图，一般使用Au80Sn20的共晶相，即金锡焊料中Au质量占80%，Sn质量占20%，其共晶温度为278°C。为了得到金锡质量比为8:2的焊料薄膜，焊料加工时需对Au、Sn膜层厚度及密度进行精确控制。如薄膜沉积工艺合理，Au、Sn薄膜密度接近于各自材料体密度，那么共晶成份的Au/Sn所需要的厚度比为:
[0043]ffAu:WSn= 8:2 = P AuVAu: PsnVsn= P AuLAu: PsnLsn
[0044]式中，W为质量，P为材料体密度，L为膜层厚度；其中Pau为19.3，P %为7.3，代入上式，得到金锡膜层厚度比为:
[0045]LAu: Lsn = 1.513 ^ 1.5。
[0046]因此，为了实现焊料层组份比例的精确控制，难度在于:一是合理优化Au/Sn薄膜沉积工艺，