陽(yáng)極鍵合用RAS系微晶玻璃電學(xué)-熱學(xué)性能及其析晶動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、目前常用于陽(yáng)極鍵合的玻璃材料主要有Pyrex玻璃、SD—2玻璃及AF—45玻璃等，存在的主要問(wèn)題有：封裝溫度高達(dá)450℃～500℃，封裝電壓高達(dá)1000V；而且因封裝溫度高，在鍵合基片中產(chǎn)生的熱應(yīng)力很大，影響器件的精度和靈敏度，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致器件的損壞。這給微機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)用化帶來(lái)困難，因此，尋求新型鍵合材料顯得極為迫切。與上述幾種玻璃相比，微晶玻璃具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、耐磨性好；具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；電絕緣性能優(yōu)良、介電損耗

2、小、介電常數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。特別重要的是微晶玻璃兼具玻璃和陶瓷這兩種常見(jiàn)封裝材料的特點(diǎn)，其熱膨脹系數(shù)可在很大范圍內(nèi)調(diào)整，從而適合與多種材料進(jìn)行熱匹配鍵合，同時(shí)在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)等方面與鍵合材料保持近似的匹配。由于微晶玻璃的優(yōu)異性能，使得其有望成為替代現(xiàn)有陽(yáng)極鍵合玻璃、提高微機(jī)電系統(tǒng)封裝質(zhì)量和整體水平的關(guān)鍵材料。 本課題在實(shí)驗(yàn)室前期研究基礎(chǔ)上，采用RAS（Li2O—Na2O—K2O—Al2O3—SiO2）系微晶玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍵合玻璃材

3、料，為實(shí)現(xiàn)微晶玻璃與金屬材料（430＃不銹鋼）陽(yáng)極鍵合作好材料準(zhǔn)備。根據(jù)基礎(chǔ)玻璃差熱分析（DSC）曲線，確定基礎(chǔ)玻璃的核化與晶化溫度，然后采用不同的熱處理制度對(duì)基礎(chǔ)玻璃進(jìn)行熱處理。通過(guò)X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）分析微晶玻璃主晶相的種類、含量與微觀結(jié)構(gòu)形貌，分析組成、熱處理制度對(duì)微晶玻璃電學(xué)性能（電導(dǎo)率、介電常數(shù)、介電損耗等）和熱學(xué)性能（熱膨脹系數(shù)）的影響。采用傳統(tǒng)的熔體冷卻法制得該系統(tǒng)基礎(chǔ)玻璃，通過(guò)差熱分析測(cè)試，采用經(jīng)典的

4、Ozawa方程和Kissinger方程對(duì)基礎(chǔ)玻璃析晶動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究分析，計(jì)算出基礎(chǔ)玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變活化能（Et）、析晶活化能（Ea）和析晶晶化指數(shù)（n）。優(yōu)化調(diào)整微晶玻璃組成及熱處理制度，制備出具有優(yōu)異性能符合與430＃不銹鋼材料陽(yáng)極鍵合要求的RAS系微晶玻璃材料。 研究結(jié)果表明： 1.對(duì)于選擇的RAS系基礎(chǔ)玻璃，經(jīng)熱處理后，A組份微晶玻璃主晶相為L(zhǎng)i2SiO3晶體和Li2Si2O5晶體，B組份微晶玻璃主晶相均為L(zhǎng)i2S

5、iO3晶體。RAS系微晶玻璃的介電常數(shù)、介電損耗比基礎(chǔ)玻璃??；B組份微晶玻璃比A組份微晶玻璃的介電常數(shù)、介電損耗要小。在室溫下，隨著測(cè)試頻率（30MHz～300MHZ）的升高，各樣品的介電常數(shù)為4.3～8，2、介電損耗為0.02～0.075；樣品介電常數(shù)、介電損耗值變化較小，表現(xiàn)出良好的高頻穩(wěn)定性。1 MHz下隨著測(cè)試溫度（室溫～400℃）的升高，各樣品的介電常數(shù)為10～20、介電損耗為0～0.9；介電常數(shù)、介電損耗隨溫度的升高成指數(shù)增

6、長(zhǎng)趨勢(shì)。 2.室溫下，RAS系微晶玻璃樣品的電阻率為1—9×108ΩQ·m，玻璃樣品的電阻率為1～10×109Ω·m。各樣品的電導(dǎo)率在90℃左右發(fā)生突變，隨著測(cè)試溫度的升高，各樣品的電導(dǎo)率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在低溫階段（<90℃）時(shí)，RAS系微晶玻璃的電導(dǎo)率比基礎(chǔ)玻璃要大；但是溫度高于150℃時(shí)，RAS系微晶玻璃的電導(dǎo)率比基礎(chǔ)玻璃要小，具有良好的高溫絕緣性。與B組份相比，由于A組份RAS系微晶玻璃析晶程度較大，晶體含量較多，

7、導(dǎo)致電阻率較大。 3.由于RAS系微晶玻璃樣品中主晶相的變化，導(dǎo)致了其熱膨脹系數(shù)的不同。在選取的熱處理制度中，A組份RAS系微晶玻璃熱膨脹系數(shù)（450℃）為119～140×10—7/℃，B組份熱膨脹系數(shù)（450℃）為150～156×10—7/℃，B組份微晶玻璃與金屬材料（430＃不銹鋼）更加匹配。 4.采用Ozawa方程和Kissinger方程計(jì)算的RAS系基礎(chǔ)玻璃的析晶動(dòng)力學(xué)參數(shù)（玻璃化轉(zhuǎn)變活化能（Et）、析晶活化能（

8、Ea）和析晶晶化指數(shù)（n））基本一致，誤差較小。采用Kissinger方程計(jì)算：A組份RAS系基礎(chǔ)玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變活化能（Et）＝202.8KJ/Mol，兩個(gè)析晶峰對(duì)應(yīng)的析晶活化能為：Ea1=151.4 KJ/Mol、Ea2=623.1KJ/Mol；B組份RAS系基礎(chǔ)玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變活化能（Et）＝220.4 KJ/Mol，析晶活化能（Ea）=50.7 KJ/Mol。A組份RAS系基礎(chǔ)玻璃的析晶晶化指數(shù)n=1.70，換算成晶體生長(zhǎng)維數(shù)m