【摘要】：硅基微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)在消費(fèi)電子、軍事、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。低溫共燒陶瓷(Low temperature co-fired ceramic,LTCC)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電子器件的高密度集成,采用可陽(yáng)極鍵合的LTCC基板封裝硅基MEMS器件,可以實(shí)現(xiàn)器件的三維封裝,大幅減小系統(tǒng)和整機(jī)的體積和重量,因此可陽(yáng)極鍵合的LTCC材料直接影響著硅基MEMS器件的封裝特性和綜合性能。本論文針對(duì)硅基MEMS器件高密度封裝的應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)并制備了Li-Al-B-Si-O(LABS)玻璃+β-Al_2O_3復(fù)相材料和Li-Na-Al-B-Si-O(LNABS)微晶玻璃系的可陽(yáng)極鍵合LTCC材料,開展了LNABS微晶玻璃與硅基板在低鍵合溫度和低鍵合電壓下的陽(yáng)極鍵合研究,闡述了LNABS微晶玻璃與硅基板的低溫、低電壓陽(yáng)極鍵合機(jī)理,建立了LNABS微晶玻璃與硅基板的低溫、低電壓陽(yáng)極鍵合理論模型。研究了鋁漿和銀漿兩種電極漿料與可陽(yáng)極鍵合LTCC材料的匹配共燒問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了LNABS微晶玻璃的可陽(yáng)極鍵合LTCC材料在硅基MEMS氣壓傳感器中的封裝應(yīng)用,并開發(fā)了用于SnSe材料二維生長(zhǎng)機(jī)理研究的硅基微反應(yīng)器。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1.LABS玻璃+β-Al_2O_3復(fù)相材料研究系統(tǒng)地研究了LABS玻璃的析晶機(jī)理和析晶動(dòng)力學(xué)。XRD和SEM的研究結(jié)果表明,LABS玻璃為二維反應(yīng)析晶機(jī)理,析出的晶相為β-鋰輝石固溶體,析晶活化能為59.9 kJ/mol,Li~+決定了LABS玻璃的析晶。LABS玻璃+β-Al_2O_3復(fù)相材料的燒結(jié)溫度低于900~oC。當(dāng)β-Al_2O_3含量低于35%時(shí),主晶相為β-鋰霞石,當(dāng)β-Al_2O_3含量高于35%時(shí),復(fù)相材料的晶相為β-氧化鋁,β-鋰霞石和β-鋰輝石固溶體。LABS玻璃+β-Al_2O_3復(fù)相材料的熱膨脹系數(shù)隨著β-Al_2O_3含量的增加而增加,當(dāng)β-氧化鋁為32%時(shí),復(fù)相材料的熱膨脹系數(shù)為3.15 ppm/~oC(300~oC),與硅的熱膨脹系數(shù)接近。復(fù)相材料的離子電導(dǎo)率由β-鋰霞石相決定。通過(guò)阿倫尼烏斯擬合發(fā)現(xiàn)復(fù)相材料Li~+的離子活化能在0.87-0.90 eV之間。復(fù)相材料的離子電導(dǎo)率和離子活化能同時(shí)表明其存在混合堿金屬效應(yīng)。2.LNABS微晶玻璃材料研究設(shè)計(jì)并制備了燒結(jié)溫度低于650~oC的LNABS微晶玻璃系超低溫共燒陶瓷(Ultra-low temperature co-fired ceramic,ULTCC)材料,其主晶相為β-鋰輝石。LNABS玻璃的熱膨脹系數(shù)隨著Na_2O含量的增加而增加。當(dāng)Na_2O含量為0.5%時(shí),LNABS玻璃的熱膨脹系數(shù)為3.27 ppm/~oC(300~oC),與硅的熱膨脹系數(shù)接近。與已報(bào)道的可陽(yáng)極鍵合材料相比,LNABS微晶玻璃和Si的熱膨脹系數(shù)在60°C到300°C的溫度范圍內(nèi)匹配度最好。寬頻介電譜的研究表明溫度場(chǎng)和電場(chǎng)都增加了材料的離子電導(dǎo)率。當(dāng)溫度高于120~oC時(shí),LNABS微晶玻璃的離子電導(dǎo)率(29)1?10~(-8) S/cm,Li~+在玻璃相中以長(zhǎng)程躍遷的形式貢獻(xiàn)主要的離子電導(dǎo)。寬頻介電譜的研究同時(shí)表明在相同溫度下,隨著偏壓的增加,堿金屬離子的活化能減小。3.LNABS系ULTCC基板-Si基板陽(yáng)極鍵合實(shí)驗(yàn)研究有效降低了Si-ULTCC基板的鍵合溫度和鍵合電壓,最低鍵合溫度150~oC,最低鍵合電壓為200 V。通過(guò)對(duì)陽(yáng)極鍵合過(guò)程和鍵合界面研究,發(fā)現(xiàn)Si-ULTCC的低鍵合溫度和低鍵合電壓主要是由堿金屬離子的低活化能造成的。ULTCC陽(yáng)離子聚集區(qū)的能譜和二次離子質(zhì)譜結(jié)果表明,堿金屬陽(yáng)離子主要聚集在玻璃相中,表明其主要通過(guò)玻璃相遷移。Si-ULTCC的陽(yáng)極鍵合機(jī)理為:堿金屬陽(yáng)離子在溫度場(chǎng)和電場(chǎng)的作用下,遷移至負(fù)極,留下非橋氧離子,形成區(qū)域電場(chǎng)。在區(qū)域電場(chǎng)的作用下,非橋氧離子遷移至硅基板中,與硅發(fā)生反應(yīng)生成硅氧鍵,從而實(shí)現(xiàn)Si基板和ULTCC基板的陽(yáng)極鍵合。4.LNABS系ULTCC材料在MEMS氣壓傳感器及硅基微反應(yīng)器的應(yīng)用研究將LNABS系ULTCC材料用于硅基MEMS氣壓傳感器的封裝,實(shí)現(xiàn)了LNABS系微晶玻璃與硅基MEMS氣壓傳感器的陽(yáng)極鍵合封裝。氣壓測(cè)試結(jié)果表明,采用LNABS封裝的MEMS氣壓傳感器的精度高,熱學(xué)穩(wěn)定性好,且擁有較寬的工作溫度范圍。根據(jù)限域空間沉積二維材料原理設(shè)計(jì)了微反應(yīng)器。微反應(yīng)器沉積的SnSe納米薄片橫向尺寸為30 nm-110 nm,厚度為10 nm 70 nm。
【圖文】：

1.1. 陽(yáng)極鍵合技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.1.1. 硅基 MEMS 技術(shù)簡(jiǎn)介微機(jī)電系統(tǒng) (Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 是在微電子技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的集電子、材料、機(jī)械、化學(xué)等多學(xué)科交叉的技術(shù)[1-4]。根據(jù)基體材料的不同，MEMS 器件可分為硅基 MEMS 器件和非硅基 MEMS 器件[5-8]。硅在自然界含量豐富，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，有天然的二氧化硅層，與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝匹配，因此經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，硅基 MEMS 在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，，應(yīng)用于手機(jī)等電子產(chǎn)品的硅基MEMS加速度計(jì)[9]，應(yīng)用于打印機(jī)中的硅基MEMS噴墨打印頭[10]，應(yīng)用于投影儀中的硅基 MEMS 光學(xué)棱鏡陣列[11]，工業(yè)中使用的MEMS 流量傳感器[12]，應(yīng)用于導(dǎo)航等領(lǐng)域的 MEMS 微機(jī)械陀螺儀[13]。相較于傳統(tǒng)的傳感器，硅基 MEMS 器件具有體積小，重量輕，靈敏度高，功耗低，可靠性高等顯著的優(yōu)點(diǎn)[14-15]。

可陽(yáng)極鍵合 LTCC 材料的研究近年來(lái)，隨著工業(yè) 4.0、智慧城市、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展會(huì)對(duì)硅基 MEMS 器件提出了更高的技術(shù)要求。硅基 MEMS 器件不僅要靈敏度，而且要進(jìn)一步縮小體積，減輕重量，具有更高的集成度，長(zhǎng)的和低廉的價(jià)格[16-18]。在硅基 MEMS 器件的制造中，芯片的制作占其總成-40%，封裝與檢測(cè)占其總成本的 50%-70%，有的甚至能達(dá)到其總成[19,20]，如圖 1.2 所示。由于摩爾定率的存在，MEMS 芯片的制作工藝存限，芯片性能難以進(jìn)一步提升。如何在摩爾定律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升M能成為了硅基 MEMS 在后摩爾時(shí)代的關(guān)鍵。采用先進(jìn)的一體化系統(tǒng)封效提升硅基 MEMS 的集成度與整體性能，進(jìn)一步降低器件的總體成本統(tǒng)的整體功耗[21]。因此，先進(jìn)的一體化系統(tǒng)封裝技術(shù)是支撐硅基 MEM爾時(shí)代持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH-39;TQ174.75

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 唐林江;LTCC基板用玻璃陶瓷材料的制備及性能[D];桂林電子科技大學(xué);2009年

2 溫琳;玻璃/陶瓷系低溫共燒材料研究[D];華中科技大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2639363