高性能真空靜電封接機的設(shè)計與實現(xiàn)

王鵬　葉挺　董帥　蔣伯華　徐海寧

關(guān)鍵詞：靜電封接技術(shù)；高性能；自動封接

中圖分類號：TP212 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

利用壓力感應(yīng)元件制作的壓力傳感器被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。鍵合技術(shù)在微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器敏感元件制作中應(yīng)用十分廣泛，目的是不同材質(zhì)或者相同材質(zhì)在不填充有機介質(zhì)的前提下通過外界條件作用實現(xiàn)永久的無應(yīng)力黏合。典型的用于MEMS 傳感器制備的鍵合技術(shù)主要包括陽極鍵合、硅硅鍵合、倒裝鍵合、金硅共融鍵合等。值得注意的是，當(dāng)前很多MEMS 傳感器生產(chǎn)商為了降低制作成本、提高制作效率、充分發(fā)揮MEMS 傳感器的技術(shù)特點，在生產(chǎn)中采用陽極鍵合技術(shù)實現(xiàn)硅晶圓與玻璃鍵合，如硅基表壓、差壓、壓力傳感器敏感芯片的研制及批量生產(chǎn)。

利用靜電封接技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)的靜電封接機是硅壓阻傳感器制造工藝中的關(guān)鍵制式設(shè)備之一，其可在無任何輔助材料的情況下，在高真空、高溫度的環(huán)境下通過施加直流電壓實現(xiàn)硅片—玻璃或者玻璃—硅片—玻璃的無蠕動封裝[1]。靜電封接設(shè)備主要是提供真空環(huán)境、高溫度以及直流電壓，但是由于傳統(tǒng)的靜電封接設(shè)備存在真空度不夠高、溫度測量不真實、降溫不易實現(xiàn)等問題，直接影響封接效果，出現(xiàn)如設(shè)備返油、封接容易翹曲等諸多封接工藝結(jié)果。因此，研制高性能的靜電封接機滿足生產(chǎn)以及科研的需求是十分必要的。

1 靜電封接原理

靜電封接技術(shù)是在外加電場下進行的封接，故又叫場助封接，是近10 年來較為先進的一種封接技術(shù)，具有快速、簡便、牢固和清潔等顯著優(yōu)點。根據(jù)靜電封接的基本原理，它可以對半導(dǎo)體（ 或金屬）和玻璃（或其他絕緣體）兩種類型的材料進行封接。除了平面封接以外，還可以設(shè)計不同的電極形狀，對不規(guī)則幾何形狀的部件進行封接。封接玻璃與硅片的封接結(jié)合面都需經(jīng)過嚴(yán)格的精細(xì)研磨和拋光處理，并一同置于高溫溫場內(nèi)和高壓靜電場中，其中硅片接正極，玻璃接負(fù)極（圖1）。當(dāng)溫度達250℃ 以上時，在常溫下玻璃內(nèi)部不動的鈉離子（Na+）被激活，在高壓靜電場的作用下向負(fù)極漂移，在陽極形成Na+ 的耗盡層。同時由于溫度作用，硅半導(dǎo)體材料處于本征激發(fā)狀態(tài)，導(dǎo)致硅中的電子空穴在高壓靜電場作用下也發(fā)生遷移。直至玻璃耗盡層中的部分氧離子和硅片結(jié)合面上的硅形成共價鍵O— Si—O 而發(fā)生鍵合反應(yīng)，生成致密的硅氧化物，使玻璃與硅片結(jié)合到一起[2]。其結(jié)合強度大于硅材料自身的抗拉強度。

2 高性能靜電封接機的性能指標(biāo)

高性能靜電封接機不僅能用于多個單芯片封接，而且可用于硅片與玻璃的整體大片鍵合，同時滿足“三明治”形式的玻璃—硅—玻璃鍵合要求，可提供表壓與絕壓兩種封接形式。高性能靜電封接機的具體性能指標(biāo)如下：①封接最大直徑為6 in（1 in ≈2.54 cm）； ② 封接的硅片厚度為0.2 ～ 2.0 mm；③封接的玻璃厚度為0.8 ～ 2.0 mm；④封接形式為玻璃—硅片（單面）或玻璃—硅片—玻璃（雙面）；⑤封接加熱溫度為0 ～ 500℃（可調(diào)）；⑥封接加熱功率≤ 1 kW；⑦封接過程的升溫時間≤ 45 min；⑧封接電壓≤ 3 kV（連續(xù)可調(diào)）；⑨封接面耐壓強度≥ 2 MPa；⑩封接面滲透率≤ 2×10-7 PaL/s；⑾漏封面積≤ 10% 全面積； 設(shè)備極限真空度為6.7×10-4 Pa；⑿抽真空時間≤ 40 min。

3 高性能靜電封接機的結(jié)構(gòu)特點

高性能靜電封接機由真空系統(tǒng)、真空工作室、電氣控制、真空檢測系統(tǒng)以及封接裝置等組成（圖2）。與DPFJ-IV 型靜電封接機[3] 相比，其在程序控制、封接裝置、真空系統(tǒng)上進行了改進優(yōu)化，性能得到全面的提升。

3.1 真空優(yōu)化設(shè)計

（1）以無油渦旋真空泵以及渦輪分子泵為主要真空系統(tǒng)，解決硅片封接過程中的油污染問題，同時將極限真空度提升一個數(shù)量級，最高真空度能達到10-4 Pa。

（2）增加氮氣散熱，通過反復(fù)實驗摸索，繪制出一套完整的散熱曲線，使封接周期縮短一半，也要注意溫度下降過快的氧化問題。在真空度過高時必須解決真空放電的問題，所以真空室的加熱以及高壓的結(jié)構(gòu)材料需要經(jīng)過特殊的工藝處理以滿足10-4 Pa 環(huán)境下的技術(shù)要求。

（3）傳統(tǒng)設(shè)備主要靠自然散熱，散熱效率低，影響生產(chǎn)效率。新型設(shè)備在設(shè)計上增加了散熱功能，可以壓縮空氣或者其他氣體，利用這些氣體在工作室內(nèi)的循環(huán)流動，帶出熱量，避免真空度下降，損壞器件。另外，散出的熱量溫度很高，要做好散熱出口的防護設(shè)計。

3.2 程序控制優(yōu)化設(shè)計

該設(shè)備在控制方面進行了全面升級，自動化程度更高，具備人機交互功能，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。新控制系統(tǒng)的主要功能是對一些物理量進行采集、分析、反饋。本文采用可編程邏輯控制器（PLC）+觸摸屏的方式作為控制核心。利用觸摸屏設(shè)置工藝參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，以畫面的方式來描繪工藝流程，并且觸摸屏具備歷史曲線及歷史報警功能。PLC 通過采集控制數(shù)字量、模擬量，并通過以太網(wǎng)、串口等通信方式，實現(xiàn)裝置的自動化。

在實現(xiàn)過程中通過優(yōu)化控制程序，固化封接工藝，對封接溫度、封接高壓接入程序?qū)崿F(xiàn)有效的控制，實現(xiàn)一鍵封接，節(jié)省了人力、物力。

以PLC 作為控制中心，通過控制數(shù)字量信號閥、真空泵、伺服電機等設(shè)備的啟動、停止，同時利用模擬量來采集溫度、壓力信號等，實現(xiàn)對溫度以及真空度的控制。控制結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示。

觸摸屏作為人機交互的裝置，能夠顯示設(shè)備各個位置的信號信息、報警信息、故障信息提示等。通過人機交互實現(xiàn)封接過程的可視化。同時增加了溫度、電壓過高的報警保護設(shè)備以保障人身安全。

3.3 封接裝置優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)實際的供電情況設(shè)計設(shè)備的封接電壓，選擇單相高精度接觸式交流調(diào)壓器將交流220 V 轉(zhuǎn)換成交流2 000 V，再經(jīng)過整流調(diào)節(jié)成直流電壓。封接裝置配有電流表、電壓表，方便在封接過程中，觀察電流、電壓。此外，利用可調(diào)電機，調(diào)整電極的升降位置及升降速度。

（1）PLC 的高速脈沖控制可以實現(xiàn)步進電機的精確控制，為減少機械上的誤差，采用了電機直接驅(qū)動調(diào)壓裝置實現(xiàn)精確調(diào)壓，設(shè)置脈沖細(xì)分，以提高控制的分辨率，通過程序控制精確計算，將PLC 脈沖轉(zhuǎn)換成電機角度，電機角度調(diào)節(jié)調(diào)壓裝置，調(diào)壓裝置控制封接電壓[4]。利用伺服裝置進行高壓調(diào)節(jié)，具體是通過封接高壓工藝，結(jié)合電壓、電流在封接過程中的變化規(guī)律（圖4），推導(dǎo)自動加壓的過程公式，完成自動加壓控制。

（2）由于真空系統(tǒng)以熱輻射為主要的熱量傳遞方式，DPFJ-IV 型封接機以加熱臺溫度為封接過程的基準(zhǔn)。由于硅片等加熱不均勻，在工藝需求苛刻的工況下無法滿足設(shè)計要求，導(dǎo)致溫度低進而影響封接質(zhì)量。為了解決這一難點，需要在硅片與玻璃的表面增加溫度檢測，使最終的檢測溫度更加準(zhǔn)確，但是這又會導(dǎo)致加熱的過程延長。

4 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)的靜電封接機，高性能真空靜電封接機的性能得到了全方位的提升，自動化程度更高、操作更方便，提高了壓阻傳感器的生產(chǎn)效率，預(yù)期會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益及社會效益。