CN104729770B - 一种硅片和金属基座的无应力组合方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅片和金属基座的无应力组合方法，步骤包括：在金属基座上涂上粘合剂，使硅片的玻璃基片一面与该粘合剂层接触；设定好温度、静电场强度和真空度，使得玻璃基片和粘合剂以及粘合剂层和金属基座的接触面之间发生反应，分别生成玻璃‑粘合剂复合氧化物层和粘合剂‑金属复合氧化物层。其结构包括依次连接的硅片、粘合剂层和金属基座，其中硅片的玻璃基片与粘合剂层间、粘合剂层与金属基座间分别设有玻璃‑粘合剂复合氧化物层和粘合剂‑金属复合氧化物层。该发明解决了现有硅片和金属基座胶粘合的接合不牢固且产生应力的缺点，具有使得硅片和金属基座接合牢固且能有效消除键合面的应力，有效地提高了单晶硅压力/差压传感器的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅片和金属基座的无应力组合方法及其结构，其应用在单晶硅压力/差压传感器上。
背景技术
单晶硅压力/差压传感器是通过在硅传感元件MEMS硅片的正压腔和负压腔压力的变化，使设置在MEMS硅片表层的桥臂电阻发生变化量，经压力/差压传感器上的低功耗电子电路转换成与被测压力/差压量相对应的4-20mA电流信号并通过数字显示屏幕显示压力/差压数值。MEMS硅片需要先要固定在金属基座上，再安装到压力/差压传感器里。MEMS硅片由硅杯和玻璃基片组成，即需要先将MEMS硅片的玻璃基片与金属基座连接。现有连接即键合采用本技术领域公知的胶粘接方法,该键合虽简便，但不牢固而且键合面产生的应力难以消除,使得单晶硅压力/差压传感器检测小压力信号时的精度很低。因此提供一种既能使得MEMS硅片与金属基座连接牢固，又要达到无应力要求的新技术己成为当务之亟。
发明内容
本发明提供一种硅片和金属基座的无应力组合方法及其结构，其克服了现有的硅片和金属基座连接不牢固且键合面有应力的缺点，使得硅片和金属基座不仅粘合牢固，而且能有效消除应力，能极大提高单晶硅压力/差压传感器的检测精度。
本发明的技术方案如下：
一种硅片和金属基座的无应力组合方法，其步骤包括：
(1)制备粘合剂；
(2)在金属基座上涂上粘合剂，形成具有厚度的粘合剂层，使MEMS硅片的玻璃基片一面与该粘合剂层接触，并压紧使得接触面接合紧密；
(3)设定好温度、静电场强度和真空度，使得MEMS硅片的玻璃基片和粘合剂层的接触面之间以及粘合剂层和金属基座的接触面之间发生离子扩散迁移及阳极氧化的电化学反应，分别生成玻璃-粘合剂复合氧化物层和粘合剂-金属复合氧化物层，使粘合剂层内部的空气充分排空并固化。
该玻璃-粘合剂复合氧化物层和粘合剂-金属复合氧化物层分别由玻璃基片和粘合剂以及粘合剂和金属基座反应而形成，因此玻璃-粘合剂-金属的整体连接结构具有高强度。且粘合剂在硅片应用温度范围内的膨胀系数介于玻璃基片、金属基座二者之间，整体连接结构的膨胀系数变化过渡均匀，因此键合面上无应力。
粘合剂的成分主要由以下组分组成：环氧树脂5-12份，丁苯橡胶16-25份，有机硅橡胶乳液9-10份，硅酸20-23份，邻苯二甲酸15-22份，乳化剂6-7份，分散剂3-10份。
所述方法步骤(3)中的温度为60-80℃，静电场强度为220-225KV/m。该参数下玻璃基片和粘合剂以及粘合剂和金属基座的接触面反应更快且所生成的玻璃-粘合剂复合氧化物层和粘合剂-金属复合氧化物层的膨胀系数与玻璃基座和金属基座的更加接近，即融合度更好，使得整体结构更牢固且能有效消除应力。
所述玻璃-粘合剂复合氧化物层、粘合剂-金属复合氧化物层与玻璃基片、金属基座的膨胀系数数据如下：
| 材料 | 膨胀系数(℃-1) |
| 玻璃基片 | 5-8×10-6 |
| 玻璃-粘合剂复合氧化物层 | 6-9×10-6 |
| 粘合剂 | 8-10×10-6 |
| 粘合剂-金属复合氧化物层 | 9-15×10-6 |
| 金属基座 | 10-26×10-6 |
所述方法步骤3中的真空度为0.15MPa。在真空下加温使得粘合剂内部的空气充分排空并快速固化，利于玻璃基片和粘合剂以及粘合剂和金属基座的接触面的反应，同时使得生成的玻璃-粘合剂复合氧化物层和粘合剂-金属复合氧化物层的紧密度更高，玻璃-粘合剂-金属的整体连接结构具有高强度。
应用上述方法所制备的硅片和金属基座的无应力组合结构，包括依次连接的MEMS硅片、粘合剂层和金属基座，其中MEMS硅片的玻璃基片和粘合剂层接合，MEMS硅片的玻璃基片与粘合剂层间设有玻璃-粘合剂复合氧化物层。粘合剂层与金属基座间设有粘合剂-金属复合氧化物层。由于该玻璃-粘合剂复合氧化物层和粘合剂-金属复合氧化物层分别是由玻璃基片和粘合剂以及粘合剂和金属基座在一定的温度和静电场的作用下反应形成的，将各层不同材料紧密地接合起来成为一体，且粘合剂固化后的膨胀系数在MEMS硅片应用温度范围内与金属基座和玻璃基片相近。因此使得玻璃基片与粘合剂层以及粘合剂层与金属基座间形成高强度的连接，且避免了粘合所产生的应力，既实现了硅传感元件MEMS硅片和金属基座的牢固键合又消除了键合面的应力，能够极大地提升单晶硅压力/差压传感器的检测精度。
附图说明
图1是本发明所述的硅片和金属基座的无应力组合方法示意图
图2是本发明所述的硅片和金属基座的无应力组合结构俯视图
图3是本发明所述的硅片和金属基座的无应力组合结构A-A剖视图
具体实施方式
下面结合说明书附图1-3对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明所述的硅片和金属基座的无应力组合方法的步骤如下：
(1)制备粘合剂，粘合剂的成分主要由以下组分组成：环氧树脂5-12份，丁苯橡胶16-25份，有机硅橡胶乳液9-10份，硅酸20-23份，邻苯二甲酸15-22份，乳化剂6-7份，分散剂3-10份；
(2)在金属基座3上涂上粘合剂，形成具有厚度的粘合剂层2，使MEMS硅片1的玻璃基片12一面与该粘合剂层2接触，并压紧使得接触面接合紧密；
(3)设定温度为60-80℃、静电场强度为220-225KV/m、真空度为0.15MPa，使得MEMS硅片1的玻璃基片12和粘合剂层2的接触面之间以及粘合剂层2和金属基座3的接触面之间发生离子扩散迁移及阳极氧化的电化学反应，分别生成玻璃-粘合剂复合氧化物层4和粘合剂-金属复合氧化物层5，使粘合剂层内部的空气充分排空并固化。
实施例1
硅片和金属基座的无应力组合方法的步骤如下：
1.制备粘合剂，粘合剂的成分包括：环氧树脂12份，丁苯橡胶25份，有机硅橡胶乳液9份，硅酸23份，邻苯二甲酸15份，乳化剂6份，分散剂10份；
2.在金属基座3上涂上粘合剂，形成具有厚度的粘合剂层2，使MEMS硅片1的玻璃基片12一面与该粘合剂层接触，并在MEMS硅片上压上压板6压紧使得接触面接合紧密；
3.将MEMS硅片-粘合剂-金属基座结合体放入可设定温度曲线和静电场强度的高真空度的容腔内，设定温度为60℃，静电场强度为225KV/m，真空度为0.15MPa，使得MEMS硅片1的玻璃基片12和粘合剂层2的接触面之间以及粘合剂层2和金属基座3的接触面之间发生离子扩散迁移及阳极氧化的电化学反应，分别生成玻璃-粘合剂复合氧化物层4和粘合剂-金属复合氧化物层5，使粘合剂层内部的空气充分排空并固化。
实施例2
1.制备粘合剂，粘合剂的成分包括：环氧树脂8份，丁苯橡胶22份，有机硅橡胶乳液10份，硅酸22份，邻苯二甲酸22份，乳化剂7份，分散剂9份。
2.在金属基座3上涂上粘合剂，形成具有厚度的粘合剂层2，使MEMS硅片1的玻璃基片12一面与该粘合剂层接触，并在MEMS硅片上压上压板6压紧使得接触面接合紧密；
3.将MEMS硅片-粘合剂-金属基座结合体放入可设定温度曲线和静电场强度的高真空度的容腔内，设定温度为80℃，静电场强度为220KV/m，真空度为0.15MPa，使得MEMS硅片1的玻璃基片12和粘合剂层2的接触面之间以及粘合剂层2和金属基座3的接触面之间发生离子扩散迁移及阳极氧化的电化学反应，分别生成玻璃-粘合剂复合氧化物层4和粘合剂-金属复合氧化物层5，使粘合剂层内部的空气充分排空并固化。
实施例3
1.制备粘合剂，粘合剂的成分包括：环氧树脂12份，丁苯橡胶16份，有机硅橡胶乳液10份，硅酸23份，邻苯二甲酸22份，乳化剂7份，分散剂10份。
2.在金属基座3上涂上粘合剂，形成具有厚度的粘合剂层2，使MEMS硅片1的玻璃基片12一面与该粘合剂层接触，并在MEMS硅片上压上压板6压紧使得接触面接合紧密；
3.将MEMS硅片-粘合剂-金属基座结合体放入可设定温度曲线和静电场强度的高真空度的容腔内，设定温度为70℃，静电场强度为222KV/m，真空度为0.15MPa，使得MEMS硅片1的玻璃基片12和粘合剂层2的接触面之间以及粘合剂层2和金属基座3的接触面之间发生离子扩散迁移及阳极氧化的电化学反应，分别生成玻璃-粘合剂复合氧化物层4和粘合剂-金属复合氧化物层5，使粘合剂层内部的空气充分排空并固化。
实施例4
1.制备粘合剂，粘合剂的成分包括：环氧树脂5份，丁苯橡胶25份，有机硅橡胶乳液9份，硅酸23份，邻苯二甲酸21份，乳化剂7份，分散剂10份。
2.在金属基座3上涂上粘合剂，形成具有厚度的粘合剂层2，使MEMS硅片1的玻璃基片12一面与该粘合剂层接触，并在MEMS硅片上压上压板6压紧使得接触面接合紧密；
3.将MEMS硅片-粘合剂-金属基座结合体放入可设定温度曲线和静电场强度的高真空度的容腔内，设定温度为75℃，静电场强度为220KV/m，真空度为0.15MPa，使得MEMS硅片1的玻璃基片12和粘合剂层2的接触面之间以及粘合剂层2和金属基座3的接触面之间发生离子扩散迁移及阳极氧化的电化学反应，分别生成玻璃-粘合剂复合氧化物层4和粘合剂-金属复合氧化物层5，使粘合剂层内部的空气充分排空并固化。
实施例5
1.制备粘合剂，粘合剂的成分包括：环氧树脂12份，丁苯橡胶25份，有机硅橡胶乳液10份，硅酸20份，邻苯二甲酸22份，乳化剂7份，分散剂4份。
2.在金属基座3上涂上粘合剂，形成具有厚度的粘合剂层2，使MEMS硅片1的玻璃基片12一面与该粘合剂层接触，并在MEMS硅片上压上压板6压紧使得接触面接合紧密；
3.将MEMS硅片-粘合剂-金属基座结合体放入可设定温度曲线和静电场强度的高真空度的容腔内，设定温度为75℃，静电场强度为220KV/m，真空度为0.15MPa，使得MEMS硅片1的玻璃基片12和粘合剂层2的接触面之间以及粘合剂层2和金属基座3的接触面之间发生离子扩散迁移及阳极氧化的电化学反应，分别生成玻璃-粘合剂复合氧化物层4和粘合剂-金属复合氧化物层5，使粘合剂层内部的空气充分排空并固化。
实施例6
1.制备粘合剂，粘合剂的成分包括：环氧树脂12份，丁苯橡胶23份，有机硅橡胶乳液10份，硅酸23份，邻苯二甲酸22份，乳化剂7份，分散剂3份。
2.在金属基座3上涂上粘合剂，形成具有厚度的粘合剂层2，使MEMS硅片1的玻璃基片12一面与该粘合剂层接触，并在MEMS硅片上压上压板6压紧使得接触面接合紧密；
3.将MEMS硅片-粘合剂-金属基座结合体放入可设定温度曲线和静电场强度的高真空度的容腔内，设定温度为65℃，静电场强度为225KV/m，真空度为0.15MPa，使得MEMS硅片1的玻璃基片12和粘合剂层2的接触面之间以及粘合剂层2和金属基座3的接触面之间发生离子扩散迁移及阳极氧化的电化学反应，分别生成玻璃-粘合剂复合氧化物层4和粘合剂-金属复合氧化物层5，使粘合剂层内部的空气充分排空并固化。
如图2-3所示，根据上述方法制备的一种硅片和金属基座的无应力组合结构，包括依次连接的MEMS硅片1、粘合剂层2和金属基座3。MEMS硅片1由硅杯11和玻璃基片12组成。其中MEMS硅片的玻璃基片和粘合剂层接合，MEMS硅片的玻璃基片12与粘合剂层2间设有玻璃-粘合剂复合氧化物层4，该玻璃-粘合剂复合氧化物层是由玻璃基片与粘合剂反应形成的。粘合剂层2与金属基座3间设有粘合剂-金属复合氧化物层5，该粘合剂-金属复合氧化物层是由粘合剂与金属基座反应形成的。
本发明所述的硅片和金属基座的无应力组合方法及其结构并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种硅片和金属基座的无应力组合方法，其特征在于：其步骤包括，
(1)制备粘合剂；
(2)在金属基座(3)上涂上粘合剂，形成具有厚度的粘合剂层(2)，使MEMS硅片(1)的玻璃基片(12)一面与该粘合剂层(2)接触，并压紧使得接触面接合紧密；
(3)设定好温度、静电场强度和真空度，使得MEMS硅片(1)的玻璃基片(12)和粘合剂层(2)的接触面之间以及粘合剂层(2)和金属基座(3)的接触面之间发生离子扩散迁移及阳极氧化的电化学反应，分别生成玻璃-粘合剂复合氧化物层(4)和粘合剂-金属复合氧化物层(5)，使粘合剂层内部的空气充分排空并固化；
其中，所述粘合剂的成分主要由以下组分组成：环氧树脂5-12份，丁苯橡胶16-25份，有机硅橡胶乳液9-10份，硅酸20-23份，邻苯二甲酸15-22份，乳化剂6-7份，分散剂3-10份。
2.根据权利要求1所述的硅片和金属基座的无应力组合方法，其特征在于：步骤(3)中的温度为60-80℃，静电场强度为220-225KV/m。
3.根据权利要求1所述的硅片和金属基座的无应力组合方法，其特征在于：步骤(3)中的真空度为0.15MPa。
4.根据权利要求1-3任一项所述方法所制备的硅片和金属基座的无应力组合结构，其包括依次连接的MEMS硅片(1)、粘合剂层(2)和金属基座(3)，其中MEMS硅片(1)的玻璃基片(12)和粘合剂层(2)接合，其特征在于：MEMS硅片(1)的玻璃基片(12)与粘合剂层(2)间设有玻璃-粘合剂复合氧化物层(4)，粘合剂层(2)与金属基座(3)间设有粘合剂-金属复合氧化物层(5)。
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