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第九讲微系统封装技术键合技术
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硅片键合技术
硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。硅片键合往往与表面硅加工和体硅加工相结合，用在M合（SDB—Silicon Direct Bonding）技术。直接键合工艺是由Lasky首先提出的。
　　硅-硅直接键合工艺如下：
　　（1）将两抛光硅片（氧化或未氧化均可）先经含 的溶液浸泡处理；
　　（2）在室温下将两硅片抛光面贴合在一起；
　　（3）贴合好的硅片在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理，这样就形成了良好的键合。
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直接键合工艺相当简单。键合的机理可用三个阶段的键合过程加以描述。
　　第一阶段，从室温到200°C，两硅片表面吸附OH团，在相互接触区产生氢键。在200°C时，形成氢键的两硅片的硅醇键之间发生聚合反应，产生水及硅氧键，即
　　Si-OH+HO-Si→
　　Si-O-Si+H2O。
　　到400°C时，聚合反应基本完成。
　　第二阶段温度在500~800°C范围内，在形成硅氧键时产生的水向SiO2中的扩散不明显，而OH团可以破坏桥接氧原子的一个键使其转变为非桥接氧原子，即：
　　HOH+Si-O-Si=2 +2Si- 。
　　第三阶段，温度高于800°C后，水向SiO2中扩散变得显著，而且随温度的升高扩散量成指数增大。键合界面的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四周SiO2中，从而产生局部真空，这样硅片会发生塑性变形使空洞消除。同时，此温度下的SiO2粘度降低，会发生粘滞流动，从而消除了微间隙。超过1000°C时，邻近原子间相互反应产生共价键，使键合得以完成
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在键合前，对硅片进行表面处理，使其表面吸附 是至关重要的。对于热氧化的镜面抛光的硅片而言，热氧化的SiO2具有无定型的石英玻璃网格结构。在SiO2膜的表面和体内，有一些氧原子处于不稳定状态。在一定条件下，它们可得到能量而离开硅原子，使表面产生悬挂键。有许多种方法可以增加热氧化的硅表面的悬挂键。等离子体表面活化处理就是一种方法。对于原始抛光硅片，纯净的的硅片表面是疏水性的，若将其浸入在含有氧化剂的溶液中，瞬间会在硅片表面吸附一层单氧层。随着溶液温度的提高（75°C~110°C），单氧层会向一氧化物、二氧化物过渡。由化学溶液形成的硅氧化物表面有非桥键的羟基存在，所以这有利于硅片的室温键合。常用的亲水液有硫酸双氧水、稀***、氨水等。
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键合良好的硅片，其键合强度可高达12MPa以上，这需要良好的键合条件。
　　首先是温度，两硅片的键合最终是靠加热来实现的，因此，温度在键合过程中起着关键的作用。
　　其次是硅片表面的平整度。抛光硅片或热氧化硅片表面并不是理想的镜面，而总是有一定的起伏和表面粗糙度。如果硅片有较小的粗糙度，则在键合过程中，会由于硅片的弹性形变或者高温下的粘滞回流，使两键合片完全结合在一起，界面不存在孔洞。若表面粗糙度很大，键合后就会使界面产生孔洞。
　　最后，就是表面的清洁度。如果键合工艺不是在超净环境中进行的，则硅片表面就会有一些尘埃颗粒，尘埃颗粒是键合硅片产生孔洞的主要根源之一。例如，若硅片厚350μm，颗粒直径1μm，。可见，粘污粒子对键合的影响程度。此外，室温下贴合时陷入界面的气体也会引起孔洞。
　　硅-硅直接键合工艺不仅可以实现Si-Si、Si-SiO2和SiO2-SiO2键合，而且还可以实现Si-石英、Si-GaAs或InP、Ti-Ti和Ti-SiO2键合。另外，在键合硅片之间夹杂一层中间层，如低熔点的硼硅玻璃等，还可以实现较低温度的键合，并且也能达到一定的键合强度，这种低温键合可与硅半导体器件常规工艺兼容。
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玻璃焊料烧结
压力传感器芯片与基座的封接质量是影响传感器性能的重要因素。当前，静电封接是国内外比较流行的一种工艺，它具有封接强度高、重复性好、气密性高等优点。但是该方法工艺复杂，条件要求严格，生产效率低、成本高。有时还会出现一些反常现象（开裂、自动脱落等）。低温玻璃焊料封接工艺简单、封接强度高、密封效果好，尤其适合大批量生产
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所谓烧结，是将颗粒状陶瓷坯体（或玻璃粉）置于高温炉中，使其致密化形成强固体材料的过程。烧结开始后首先排除坯料颗粒间空隙，使相应的相邻粒子结合成紧密体。烧结过程必须具备两个基本条件：
　　（1）应该存在物质迁移的机理；
　　（2）必须有一种能量（热能）促进和维持