一种超声辅助阳极键合方法及其超声辅助阳极键合系统与流程

本发明涉及器件键合技术领域的一种键合方法，尤其涉及一种用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法，还涉及应用该方法的用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合系统。

背景技术：

器件的封装是器件设计与制备中的一个关键环节，决定着器件的稳定性和使用寿命。阳极键合也称静电键合，作为mems制造中一种重要的封装技术，是一种利用静电场和温度场的偶合作用，在固体电解质材料与金属的连接界面产生强静电吸附力，通过电解质中碱金属离子的离解和迁移，从而实现界面固态反应连接的一种可靠的清洁型微电子机械封装工艺，其优点是连接温度低、速度快、工艺简单、键合强度高、密封性好，而且可以保证材料的某些性能如光学平面等不受破坏。目前硼硅玻璃与硅的键合工艺已经广泛应用于mems器件的生产。

聚合物固体材料是封装柔性微电子器件最理想的封装材料。目前柔性微电子器件封装的材料较多采用聚氧乙烯(peo)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)等。其中，聚氧乙烯(peo)是与碱金属盐络合能力最好、研究最早、应用最广泛的聚合物电解质本体材料。聚氧乙烯作为封装材料应用于阳极键合，其材料本身存在的不足主要有三点：第一，peo具有极高的结晶度，使得peo基聚合物电解质常温下离子电导率普遍不高，一般在10^-7～10^-8s/cm；第二，采用现有阳极键合技术进行封装，在强电场作用的下，长时间作用，温度升高，高温下会破坏聚合物材料的稳定性，如高温下聚合物材料软化很容易被压溃，导致聚合物材料击穿；反之，键合电压过低，键合时间过短，离子迁移数较少，容易导致键合强度不足等问题；第三，当聚合物表面粗糙度未达到一定的要求(≥1.5μm)时，键合率和密封性也较低。研究表明，表面不平使得键合面处同时存在着接触部分和未接触部分。接触部分在电场的作用下，形成极化区，最终焊合。然而，未接触部分在电场作用下，电位分布随着缝隙宽度的增加而降低，同时静电引力也随之降低，这使得焊接过程受到抑制而难以焊合，密封性差。

技术实现要素：

为解决现有的键合方法存在键合强度不足，密封性差，键合率低的技术问题，本发明提供一种超声辅助阳极键合方法及其超声辅助阳极键合系统。

本发明采用以下技术方案实现：一种用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法，其通过一个超声辅助阳极键合装置对器件进行键合；所述超声辅助阳极键合装置包括封装结构、加压结构以及电源组件；所述封装结构包括中间层和两个电解层；中间层布置在器件的封装位置上，且两端均为开口端；两个电解层分别盖在中间层的两端上，并与中间层围成一个封装腔，器件布置在封装腔中；所述加压结构包括压力杆、压板以及至少两个超声波焊头；超声波焊头固定在压板的一个侧面上，且远离压板的一端贴在其中一个电解层的外壁上；压力杆的一端固定在压板的另一个侧面上；所述电源组件包括超声波电源和直流电源；超声波电源用于向压力杆输出振动超声波，使超声波焊头作用在电解层上，以使电解层与中间层达到超声连接；直流电源的正极与中间层电性连接，负极与两个电解层电性连接；

所述超声辅助阳极键合方法包括以下步骤：

一、在器件的封装位置上安装中间层，并在中间层的两端分别布置两个电解层，以将器件密封；

二、将直流电源的正极接到中间层上，并将直流电源的负极接到两个电解层上；

三、向压力杆施加一个预设压力，使超声波焊头抵压在电解层上；

四、启动超声波电源，使超声波焊头作用在电解层上，以使电解层与中间层达到超声连接；以及

五、关闭超声波电源，并启动直流电源以输出一个预设电压作用于中间层与电解层，使中间层和电解层实现阳极键合。

本发明通过封装结构的中间层和电解层将器件封装起来，通过压力杆将电解层与中间层固定，而超声波电源能够向压力杆传递超声波，并进一步传递至压板和超声波焊头，使超声波焊头对待连接界面的电解层的表面进行活化和微融化，使被连接材料界面形成部分分子间连接，界面间距被缩短至微米级，而且采用直流电源进行阳极键合，实现将器件封装在封装结构中，而且先进行超声焊合，再进行阳极键合，采用两种键合工艺能够使键合部位更加牢固，解决了现有的键合方法存在键合强度不足，密封性差，键合率低的技术问题，得到了键合强度大，密封性能好，键合率和可靠性高，并且能够延长器件的使用寿命的技术效果。

作为上述方案的进一步改进，所述超声辅助阳极键合方法还包括以下步骤：

六、在中间层和电解层键合后，将所述封装结构保压并测试键合率。

作为上述方案的进一步改进，中间层呈环形，电解层呈板状，且与中间层接触面与压力杆的轴向垂直；中间层的端面与电解层的端面位于同一平面上，并与压力杆的轴向平行。

作为上述方案的进一步改进，沿着压力杆的轴向，超声波焊头与电解层的接触面能投影在电解层与中间层的接触面上。

作为上述方案的进一步改进，中间层为由金属制成的层状结构，电解层为由柔性聚合物电解质材料制成的层状结构。

作为上述方案的进一步改进，中间层为由铝箔制成的环状结构，中间层为由铝箔制成的环状结构，电解层为peo-liclo4或peo-lipf6制成的片状结构。

作为上述方案的进一步改进，超声波电源的超声频率为20khz，超声振幅为20～85μm。

作为上述方案的进一步改进，超声波电源的超声焊接时间为5～15秒，超声保压时间为5～15秒。

作为上述方案的进一步改进，所述预设电压为200～1000v，键合压力为10～25mpa。

本发明还提供一种用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合系统，其应用于上述任意所述的用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法，其包括：

封装结构，其包括中间层和两个电解层；中间层布置在器件的封装位置上，且两端均为开口端；两个电解层分别盖在中间层的两端上，并与中间层围成一个封装腔，器件布置在封装腔中；

加压结构，其包括压力杆、压板以及至少两个超声波焊头；超声波焊头固定在压板的一个侧面上，且远离压板的一端贴在其中一个电解层的外壁上；压力杆的一端固定在压板的另一个侧面上；

电源组件，其包括超声波电源和直流电源；超声波电源用于向压力杆输出振动超声波，使超声波焊头作用在电解层上，以使电解层与中间层达到超声连接；直流电源的正极与中间层电性连接，负极与两个电解层电性连接；直流电源用于向所述封装结构施加一个预设电压，使中间层和电解层实现键合；以及

控制组件，其包括控制器、开关一以及开关二；开关一用于打开或关闭超声波电源，开关二用于打开或关闭直流电源；控制器用于在压力杆向压板施加所述预设压力后，先通过开关一启动超声波电源，使超声波焊头作用在电解层上，直至电解层与中间层达到超声连接，再通过开关一关闭超声波电源，并通过开关二启动直流电源以输出一个预设电压作用于中间层与电解层，使中间层和电解层实现阳极键合。

相较于现有的键合方法，本发明的超声辅助阳极键合方法及其超声辅助阳极键合系统具有以下有益效果：

1、该用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法，其先通过封装结构将器件密封起来，使中间层布置在器件的封装位置上，实现对器件的安装定位，而后将直流电源的正负极与中间层和电解层电性连接，随后通过压力杆使超声波焊头充分抵压在电解层上，然后启动超声波电源，并依次通过压力杆、压板将超声波传递至超声波焊头，超声波对电解层进行超声波振动，使得电解层的待连接界面的电解质的表面进行活化和微融化，使被连接材料界面形成部分分子间连接，界面间距被缩短至微米级，最后关闭超声波电源的同时打开直流电源进行阳极键合，实现将器件封装在封装结构中，这样两种键合工艺相结合能够充分加强键合位置的键合强度，进而提高封装结构的密封性能和键合率，并且提高键合的稳定性和可靠性，延长器件的使用寿命。

2、该用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合系统，其控制组件能够实现对超声波电源和直流电源的先后控制，使得键合能够按照设计进行，而且由封装结构构成的三层结构，通过超声波焊合和阳极键合后连接牢固，键合强度大，并且具有良好的密封性，而且其材料选择多样，电解质可以采用柔性聚合物电解质材料，因而结晶度可以选择较低的材料，能够提高电解层的离子电导率。同时，由于在阳极键合之前已经进行了超声波焊接，这样就可以使阳极键合的工作时间缩短，同时电压数值可控，就可以避免键合电压过高或过低所带来的问题，提高键合的成功率和键合质量。另外，当键合位置的表面粗糙程度达不到要求(≥1.5μm)时，超声波振动可以使未接触部分充分接触并焊合，这样在后续阳极键合的过程中就可以增大静电引力，使得焊接更加有效，从而提高焊合的成功率，提升密封性。

附图说明

图1为本发明实施例1的用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法的流程图；

图2为图1所示出的方法所对应的超声辅助阳极键合装置的系统框图；

图3为图2中的超声辅助阳极键合装置的封装结构和加压结构的结构示意图；

图4为本发明实施例4的用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合系统的系统框图。

符号说明：

1超声波电源7电解层

2控制器8中间层

3直流电源9开关一

4压力杆10开关二

5超声波焊头11封装腔

6器件12压板

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1、图2以及图3，本实施例提供了一种用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法，其通过一个超声辅助阳极键合装置对器件6进行键合。在本实施例中，器件6可以为mems，也可以为传感器器件，还可以为其他待封装的器件。其中，该超声辅助阳极键合装置包括封装结构、加压结构以及电源组件。

封装结构包括中间层8和两个电解层7。中间层8布置在器件6的封装位置上，并且中间层8的两端均为开口端。中间层8可以呈环形，并且呈正方形，当然，在其他实施例中，中间层8的形状可以根据器件6的外轮廓进行设计，例如采用圆环形。两个电解层7分别盖在中间层8的两端上，并与中间层8围成一个封装腔11。其中，器件6布置在封装腔11中。电解层7可以呈板状，而且中间层8和电解层7的厚度与器件6的尺寸相匹配，同时可以根据封装需要进行设定。

在本实施例中，中间层8的端面与电解层7的端面位于同一平面上，能够使接触面达到最大化。而且，中间层8为由金属制成的层状结构，电解层7为由柔性聚合物电解质材料制成的层状结构。该金属可以为铝箔等材料，柔性聚合物电解质可以采用现有的键合装置的封装材料中的电解质。如此，该封装结构实际上为一个三层结构，一方面能够使器件充分地密封在封装腔中，另一方面也方便布置，便于进行组装，提高器件的键合效率。

加压结构包括压力杆4、压板12以及超声波焊头5。超声波焊头5的数量至少为两个，超声波焊头5固定在压板12的一个侧面上，并且超声波焊头5远离压板12的一端贴在其中一个电解层7的外壁上。压力杆4的一端固定在压板12的另一个侧面上。超声波焊头5能够向电解层7传递超声波振动，进而使电解层7与中间层8的连接部位实现超声波焊接。在本实施例中，电解层7与中间层8接触面与压力杆4的轴向垂直，而且中间层8的端面与电解层7的端面均与与压力杆4的轴向平行。而且，沿着压力杆4的轴向，超声波焊头5与电解层7的接触面能投影在电解层7与中间层8的接触面上，这样能够使超声波焊头5的超声波充分传递至需要焊合的部位，提高超声焊接的效率以及效果。

电源组件包括超声波电源1和直流电源3。超声波电源1用于向压力杆4输出振动超声波，使超声波焊头5作用在电解层7上，以使电解层7与中间层8达到超声连接。超声波电源1能够向压力杆4传递超声波，并进一步传递至压板12，压板12驱使各个超声波焊头5对电解层进行超声波振动，使得电解层的待连接界面的电解质的表面进行活化和微融化，使被连接材料界面形成部分分子间连接，界面间距被缩短至微米级。直流电源3的正极与中间层8电性连接，负极与两个电解层7电性连接。直流电源3用于向封装结构施加一个预设电压，使中间层8和电解层7实现键合。直流电源3可以进行阳极键合，实现将器件6封装在封装结构中，这样两种键合工艺相结合能够充分加强键合位置的键合强度，进而提高封装结构的密封性能和键合率，并且提高键合的稳定性和可靠性，延长器件6的使用寿命。

在本实施例中，对超声波键合和阳极键合的相关工艺参数进行限定。超声波电源1的超声频率为20khz，超声振幅为20～85μm。超声波电源1的超声焊接时间为5～15秒，超声保压时间为5～15秒。预设电压为200～1000v，键合压力为10～25mpa。而且，在具体键合时，相关人员可以先中间层8和两个电解层7装配好，并将中间层8接直流电源3的正极，将电解层7接直流电源3的负极，再进行加压，通过压力杆4和压板12使超声波焊头5向封装结构施加一定的压力，然后启动超声波电源1以输出超声振动，通过超声焊头5作用于聚合物电解质材料一定时间后，使得中间层8和电解层7达到超声连接，最后关闭超声波电源1并启动直流电源3，使直流电源3输出200～1000v的电压作用于中间层8和电解层7，电压施加完毕后，使中间层8和电解层7实现键合。

在本实施例中，该用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法包括以下这些步骤。该键合方法可以集合在一个控制器上进行，也可以设计为程序并储存在相关的储存设备中，例如u盘、硬盘等，还可以直接嵌入在微型电脑中，直接使用在键合器件的设备中。

第一步、在器件6的封装位置上安装中间层8，并在中间层8的两端分别布置两个电解层7，以将器件6密封。在具体安装时，可以在器件6的封装位置缓慢设置中间层8的材料，也可以先将中间层8设计好，将器件6布置在中间层8中。两个电解层7实际相同，其能够与中间层8相配合，形成三层结构，实现对器件6的密封。在中间层8与电解层7的接触区域，存在接触部分和未接触部分，这是由于接触面存在粗糙的情况，因而需要对该接触区域进行键合。

第二步、将直流电源3的正极接到中间层8上，并将直流电源3的负极接到两个电解层7上。在直流电源3启动时，直流电源3的正负极可以通过电缆或者探针等方式与中间层8和电解层7电性连接，使得中间层8和电解层7具有电势差，而电势差能够使接触区域形成强电场，静电引力会拉动中间层8和电解层7相靠近的两部分，使这两部分实现阳极键合。

第三步、向压力杆4施加一个预设压力，使超声波焊头5抵压在电解层7上。该预设压力实际上的取值范围为10～25mpa，当然，在其他实施例中，预设压力的大小与器件的实际尺寸和所需要的键合强度决定，可以不再该取值范围内。在采用施压设备方面，可以采用带有压力计的液压杆，也可以采用其他施压设备，具体的选型与实际的键合场景以及键合要求所决定。压力杆4的受压强度比较大，因此在选择材料时应尽量选择具有较大硬度的杆件，保证受压不会产生弯曲或者长度缩短的情况。

第四步、启动超声波电源1，使超声波焊头5作用在电解层7上，以使电解层7与中间层8达到超声连接。超声波电源1能够发出超声波，超声波会依次通过压力杆4和压板12传递至超声波焊头5，这样加压结构不仅能够起到加压的作用，还能够起到传递超声波的作用。而超声波焊头5在接收到超声波后，会不停地对电解层7与中间层8之间的接触部位进行超声波振动，使得超声波能量聚集在接触区域，从而使接触区域中的未接触部分充分接触，并时接触部分进一步加强接触，从而实现超声波焊合。

第五步、关闭超声波电源1，并启动直流电源3以输出一个预设电压作用于中间层8与电解层7，使中间层8和电解层7实现阳极键合。在超声波键合完成后，在中间层8和电解层7接触区域，之前所存在的未接触部分已充分接触，整个接触面也已充分焊合，这样再使该区域的两侧具有相对较高的电场力作用，静电引力会进一步对相接触的两部分键合，从而使键合强度进一步加强。

第六步、在中间层8和电解层7键合后，将封装结构保压并测试键合率。在本实施例中，在键合室内保压10分钟，最后测试超声键合后的键合率，从而确定键合的效果。在键合效果不理想时，可以重新返回至前几步，并相应提高相关的键合参数，例如阳极键合的电压，超声波振动的频率和振幅等。当然，在一些实施例中，在确定了相关键合参数满足需求时，本步骤可以不设置，只需要执行之前的步骤即可。

综上所述，相较于现有的键合方法，本实施例的用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法具有以下有益效果：

该用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法，其先通过封装结构将器件密封起来，使中间层8布置在器件6的封装位置上，实现对器件6的安装定位，而后将直流电源3的正负极与中间层8和电解层7电性连接，随后通过压力杆4使超声波焊头5充分抵压在电解层7上，然后启动超声波电源1，并依次通过压力杆4、压板12将超声波传递至超声波焊头5，超声波对电解层7进行超声波振动，使得电解层7的待连接界面的电解质的表面进行活化和微融化，使被连接材料界面形成部分分子间连接，界面间距被缩短至微米级，最后关闭超声波电源1的同时打开直流电源3进行阳极键合，实现将器件6封装在封装结构中，这样两种键合工艺相结合能够充分加强键合位置的键合强度，进而提高封装结构的密封性能和键合率，并且提高键合的稳定性和可靠性，延长器件的使用寿命。

实施例2

本实施例提供了一种用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法，该方法在实施例1的基础上进行举例说明，即采用peo-liclo4与铝箔对器件6进行超声辅助键合，以下进行具体介绍。

1、中间层8为由铝箔制成的环状结构，电解层7为由peo-liclo4制成的片状结构。中间层8采用0.1x10x100mm铝箔层，即厚度为0.1mm，宽度为10mm，外边长为100mm。电解层7为正方形板，其规格为2x100x100mm，即厚度为2mm，边长为100mm。其中，电解层7接直流电源3的负极，中间层8接直流电源3的正极。

2、设置超声工艺参数：超声工艺参数包括振幅，超声频率，超声时间，其中。超声波电源1的超声波振幅为25μm，超声频率为20khz，超声时间为5s，对电解层7和中间层8进行施压，超声键合压力为25mpa。

3、首先启动超声波电源1对电解层7施加超声振动，完成对聚合物电解质材料的表面活化和微融化，缩短界面间距，使得电解层7与中间层8达到超声连接。

4、设置阳极键合工艺参数：键合参数包括键合电压，键合时间。使用人员关闭超声波电源1的同时启动直流电源3，对电解层7与中间层8施加强静电场进行阳极键合，施加电压为500v，键合时间为1min，完成peo-liclo4与金属铝箔最终连接。

5、超声键合完后，在键合室内保压10分钟，最后测试超声键合后的键合率为96％，这说明键合强度较大，而且密封性良好。

实施例3

本实施例提供了一种用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法，该方法在实施例1的基础上进行举例说明，即采用peo-lipf6与铝箔的超声辅助阳极键合，以下进行具体介绍。

1、中间层8为铝箔，电解层7为由peo-lipf6制成的片状结构。中间层8采用0.1x10x100mm铝箔，即厚度为0.1mm，宽度为10mm，外边长为100mm。电解层7为正方形板，其规格为2x100x100mm，即厚度为2mm，边长为100mm。其中，铝箔叠装后通过压力杆4和超声波焊头5将两者压紧，电解层7接直流电源3的负极，中间层8接直流电源3的正极。

2、设置超声工艺参数：超声工艺参数包括振幅，超声频率，超声时间，其中。超声波电源1的超声波振幅为30μm，超声频率为20khz，超声时间为20s，对电解层7和中间层8进行施压，超声键合压力为10mpa。

3、使用人员首先启动超声波电源1对电解层7施加超声振动，完成对聚合物电解质材料的表面活化和微融化，缩短界面间距，使得电解层7与中间层8达到超声连接。

4、设置阳极键合工艺参数：键合参数包括键合电压，键合时间。使用人员关闭超声波电源1的同时启动直流电源3，对电解层7与中间层8施加强静电场进行阳极键合，施加电压为300v，键合时间为1min，完成peo-lipf6与铝箔最终连接。

5、超声键合完后，在键合室内保压10分钟，最后测试超声键合后的键合率为98％，说明键合强度较大，而且密封性良好。

实施例4

请参阅图4，本实施例提供了一种用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合系统，该系统包括实施例1中所介绍的超声辅助阳极键合装置，还包括控制组件。其中，控制组件包括控制器2、开关一9以及开关二10。开关一9用于打开或关闭超声波电源1，开关二10用于打开或关闭直流电源3。控制器2用于在压力杆4向压板12施加预设压力后，先通过开关一9启动超声波电源1，使超声波焊头5作用在电解层7上，直至电解层7与中间层8达到超声连接，再通过开关一9关闭超声波电源1，并通过开关二10启动直流电源3以输出一个预设电压作用于中间层8与电解层7，使中间层8和电解层7实现阳极键合。

综上所述，本实施例的用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合系统具有以下优点：

该用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合系统，其控制组件能够实现对超声波电源和直流电源的先后控制，使得键合能够按照设计进行，而且由封装结构构成的三层结构，通过超声波焊合和阳极键合后连接牢固，键合强度大，并且具有良好的密封性，而且其材料选择多样，电解质可以采用柔性聚合物电解质材料，因而结晶度可以选择较低的材料，能够提高电解层的离子电导率。同时，由于在阳极键合之前已经进行了超声波焊接，这样就可以使阳极键合的工作时间缩短，同时电压数值可控，就可以避免键合电压过高或过低所带来的问题，提高键合的成功率和键合质量。另外，当键合位置的表面粗糙程度达不到要求(≥1.5μm)时，超声波振动可以使未接触部分充分接触并焊合，这样在后续阳极键合的过程中就可以增大静电引力，使得焊接更加有效，从而提高焊合的成功率，提升密封性。

实施例5

本实施例提供了一种柔性微电子器件，该微电子器件采用实施例1-3中所提供的任意一种用于柔性微电子器件封装的超声辅助阳极键合方法将器件6键合而成。其中，器件6可以为实际所需要封装的器件，所构成的微电子器件由于同时采用了阳极键合和超声波键合这两种工艺进行键合，因此其键合强度大，而且稳定性比较高，这样使得该柔性微电子器件的使用寿命大大增长。在采用现有阳极键合技术进行封装时，在强电场作用的下，长时间作用，温度升高，高温下会使得聚合物材料软化并压溃变形，甚至击穿；反之，键合电压过低，键合时间过短，离子迁移数较少，容易导致键合强度不足等问题。而本实施例中柔性微电子器件由于采用的材料的导电性比较好，这样可以保证离子电导率，而且相对于现有的阳极键合技术无需采用强电池或低电压进行作用，可以避免高温导致击穿或者低电压键合而导致键合强度不足对的问题，同时也可以避免在表面不平而导致未接触部分难以焊合的问题，超声波振动使得未接触部分可以充分接触焊合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。