CN111217326A - 一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法 - Google Patents

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CN111217326A CN202010020254.5A CN202010020254A CN111217326A CN 111217326 A CN111217326 A CN 111217326A CN 202010020254 A CN202010020254 A CN 202010020254A CN 111217326 A CN111217326 A CN 111217326A
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Abstract

本发明公开了一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法。该方法包括原料的表面清洗过程、原料的表面活化过程、热引导预连接过程、梯度电场阳极键合过程以及封边保护过程。本发明一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其实现的阳极键合连接性能稳定，聚合物弹性体适用范围广，首次实现了聚合物弹性体和金属片的有效连接，聚合物弹性体室温离子导电率大于10‑7S/cm就可满足键合条件，这一条件放宽了适用于阳极键合的聚合物弹性体的范围，具有很强材料适应性。低温下对聚合物弹性体不会造成破坏，可以确保一定宽度且分布均匀的键合层，键合强度可以达到0.95MPa～2.75MPa。

Description

一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法
技术领域
本发明涉及柔性微电子机械系统制备封装领域，尤其涉及一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法。
背景技术
阳极键合是一种利用电和热联合作用实现异质材料固态连接的方法，常用于具有电解质特性的玻璃与金属片或者硅片的连接，在整个键合过程中键合界面以及材料内部发生复杂的物理化学变化，形成中间连接层。其广泛应用于电子、电真空、航空航天等领域的半导体器件、微型传感器、太阳能电池及集成芯片等结构器件的制造与封装中，阳极键合工艺简单，键合强度高，密封性好。
近年来，柔性器件在生物医学、光电设备、仿生皮肤等领域有着深入的研究和广泛的应用，柔性器件正在悄然进入每个人的家庭。柔性器件的制备需要使用柔性基板材料，比如聚合物弹性体材料具备可控的强度、曲折性和良好的水氧阻隔性，阳极键合技术可以实现器件不同结构材料的连接，也可以对器件进行封装。然而传统的阳极键合适用于玻璃与金属片或者硅片等刚性材料的连接，由于其键合过程电压大、静压力大和键合温度高，不适合用于聚合物材料，会对聚合物材料造成破坏或者无法实现有效的连接，键合强度低、残余应力大、键合效率低和键合效果不好。
发明内容
为解决残余应力大、键合效率低和键合效果不好的技术问题，本发明提供一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法。
本发明采用以下技术方案实现：一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其具体方法步骤如下：
S1：原料表面清洗：分别将金属片与聚合物弹性体进行表面清洗；
S2：原料表面活化处理：
S21：将表面清洗后的聚合物弹性体浸在溶于锂盐的非溶解性有机溶剂中12～24h，再充分干燥，然后对所述聚合物弹性体的待键合表面进行反应性气体低温等离子体表面处理；
S22：将表面清洗后的金属片浸在30～50℃的NH4OH、H2O2、H2O的混合溶液中10～20min；
S3：热引导预连接：
S31：将活化后的聚合物弹性体置于80℃～140℃的真空环境中预热处理5～10min；
S32：将活化后的金属片在150℃～200℃的真空环境下预热15～30min；
S33：将预热后的聚合物弹性体和金属片进行层叠贴合且施加恒定压力0.01MPa～0.5MPa，放置在40～60℃真空干燥箱中2～6h，卸载压力后室温下静置24～48h，得到预连接的聚合物弹性体和金属片；
S4：将所述预连接的聚合物弹性体和金属片置于阳极键合机中，设定温度40℃～80℃，设定静压0.05MPa～1MPa，设定键合电压0.5kV～0.8kV，在氮气气氛下接通电流开始键合，6-50s内电流达到6mA～20mA后开始下降；当电流降速明显减慢或者电流下降出现停滞现象时，调低键合电压，调幅为初设值的1/2～1/4；当电流降速再次明显减慢或者电流下降再次出现停滞现象时，继续调低键合电压，调幅为上一次稳定值的1/2～1/4；重复此步骤，直到电流值稳定在1mA以下，且保持5s～10s不返弹，卸载静压力，然后冷却至室温，得到键合后的聚合物弹性体和金属片。
作为上述方案的进一步改进，所述用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法还包括步骤S5：封边保护：在所述键合后的聚合物弹性体和金属片的四个断面处均匀涂敷1～3层透明聚氨酯固化胶。
作为上述方案的进一步改进，所述金属片的表面清洗方法为：将所述金属片分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗20～30min，然后置于真空干燥箱干燥30～60min。
作为上述方案的进一步改进，所述聚合物弹性体的清洗方法为：将所述聚合物弹性体首先用棉棒蘸取丙酮清洗表面，再分别置于无水乙醇和去离子水中超声清洗5～10min。
作为上述方案的进一步改进，所述步骤S21中所述锂盐为LiClO4、LiPF6、LiTFSI或LiBOB。
作为上述方案的进一步改进，所述步骤S21中所述有机溶剂为EC、PC、DMC或DEC。
作为上述方案的进一步改进，所述步骤S21中所述反应性气体为空气、氮气或者二氧化碳。
作为上述方案的进一步改进，所述步骤S22中NH4OH、H2O2、H2O的体积比为4:1:6。
作为上述方案的进一步改进，所述聚合物弹性体为聚氨酯弹性体，厚度为3mm，室温离子导电率大于10-7S/cm。
作为上述方案的进一步改进，所述金属片为铝片，且金属片的厚度为0.2mm，纯度为99.99％。
有益效果
(1)本发明的一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，本方法实现的阳极键合连接性能稳定，聚合物弹性体适用范围广，首次了实现聚合物弹性体和金属片的有效连接，聚合物弹性体室温离子导电率大于10-7S/cm就可满足键合条件，这一条件放宽了适用于阳极键合的聚合物弹性体的范围，具有很强材料适应性。低温下对聚合物弹性体不会造成破坏，可以确保一定宽度且分布均匀的键合层，键合强度可以达到0.95MPa～2.75MPa。
(2)聚合物材料的耐热性远远比不上无机材料比如玻璃、硅的耐热性，高温下对聚合物材料的破坏是不可逆的，所以必须使得阳极键合温度降低到100℃以下甚至更低，但是键合温度影响着离子的活性和迁移，进而会影响阳极键合效果，所以本发明在阳极键合前引入对基片表面活化处理工艺，可以提高离子活性，使得离子更容易跨越能垒移动，这样可以降低阳极键合的温度，即在较低温度下离子仍然可以定向迁移并发生连接反应。
(3)阳极键合过程较低键合静压力：根据聚合物弹性体的特性，本发明引入热引导预连接工艺，通过热引导使得弹性体足够柔顺和具有粘结性，与经过预热的金属片可以实现贴合，并且具备一定的预连接强度，由于弹性体整体足够柔顺和具有粘结性，即便材料表面不是特别的平整也可以实现理想的预连接。热引导预连接后的样品可以在较低静压力下完成阳极键合，这样就避免了传统阳极键合由于大的静压力使得弹性体在弹性变形中完成连接，从而消除了键合后较大的残余应力。
(4)阳极键合完成更加彻底：在高电压下聚合物材料与无机材料相比更容易被击穿。使用传统的阳极键合工艺连接聚合物弹性体和金属片，开始键合后电流只能下降到4～7mA，并且能观察到击穿放电现象，键合时间短，键合不彻底，通过扫描电镜观察键合层有许多孔洞。本发明采用梯度电场阳极键合工艺，根据键合电流的下降趋势及时递减键合电压，使得键合电流能够降低至1mA以下，键合时间长，键合更加彻底，并且击穿率低，键合成功率高，阳极键合可操作性强。
附图说明
图1为本发明一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法的流程图；
图2为本发明实施例1的阳极键合断面扫描图；
图3为本发明实施例2的阳极键合断面扫描图；
图4为本发明实施例3的阳极键合断面扫描图；
图5为比较例的阳极键合断面扫描图。
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。
请参阅图1，本发明的一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法。采用由高渐低变化的梯度电场，将表面处理后经过热引导预连接的样品，在较低温度和较低压力下实现阳极键合连接，并且最后封边保护。本方法实现的阳极键合连接性能稳定，聚合物弹性体适用范围广，其室温离子导电率大于10-7S/cm就可满足键合条件，低温下对聚合物弹性体不会造成破坏，可以确保一定宽度且分布均匀的键合层，键合强度可以达到0.95MPa～2.75MPa。
实施例1
一、原料的表面清洗
(1)将纯度99.99％、厚度为0.2mm的铝片分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗20min，然后置于真空干燥箱中干燥30min。
(2)将室温离子导电率8.18×10-7S/cm、厚度3mm的聚氨酯弹性体首先用棉棒蘸取丙酮清洗表面，再分别置于无水乙醇和去离子水中超声清洗5min。通过表面清洗有效去除基片表面粉尘、有机污染物，提高表面清洁度以利于键合连接。
二、原料的表面活化处理
(1)将清洗后的聚氨酯弹性体浸在溶于LiTFSI的DMC有机溶剂12小时，置入真空干燥箱进行充分干燥；然后对聚氨酯弹性体待键合表面进行反应性气体(空气)低温等离子体表面处理，时间为5min。以提高表面亲水性，引入含氧官能团，增强表面极性和反应活性，改善材料的表面粘合性能，以进一步利于阳极键合。
(2)将清洗后的铝片浸在30℃的NH4OH、H2O2、H2O混合溶液(NH4OH:H2O2:H2O＝4:1:6)中10min，使其表面存在一定数量的-OH，进一步有利于键合。
三、热引导预连接
(1)将聚氨酯弹性体置于80℃真空干燥箱中预热处理5min，使得弹性体接近软化，整体足够柔顺，表面容易贴合且呈微粘性。
(2)将铝片在真空干燥箱150℃下预热15min，使其温度高于弹性体表面。
(3)将预热后的聚氨酯弹性体和铝片立即进行层叠贴合且施加恒定压力0.01MPa，优选在真空环境中层叠贴合，放置在40℃真空干燥箱中2h，卸载压力后室温下静置24h。
四、梯度电场阳极键合
将预连接的聚氨酯弹性体和铝片置于氮气气氛的阳极键合机中，设定温度50℃，设定静压0.05MPa，设定键合电压0.6kV。待准备工作完毕后接通电流开始键合，6s内电流逐渐达到最大值11mA，随后电流开始下降；当电流降低为6mA时电流下降出现停滞现象，立即调低键合电压为0.3kV；当电流降至2mA时出现降速明显减慢的现象，立即调低键合电压为0.15kV，本实施例中电流降低到0.8mA就保持稳定，且保持10s不返弹，此时阳极键合结束，键合总时长为93s。卸载静压力，冷却至室温得到键合后的聚氨酯弹性体和铝片。
五、封边保护
在键合后的聚氨酯弹性体和铝片的四个断面处均匀涂敷1层透明聚氨酯固化胶。
对封边保护后的聚氨酯弹性体和铝片的阳极键合断面进行扫描，如图2所示，由图可以看出，聚氨酯弹性体的连接面2和铝片的连接面1可以清晰的看到键合连接层3，而且连接层3连接处不存在缝隙，键合更加彻底。
实施例2
一、原料的表面清洗
(1)将纯度99.99％、厚度为0.2mm的铝片分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗25min，然后置于真空干燥箱中干燥45min。
(2)将室温离子导电率8.33×10-7S/cm、厚度3mm的聚氨酯弹性体首先用棉棒蘸取丙酮清洗表面，再分别置于无水乙醇和去离子水中超声清洗8min。
二、原料的表面活化处理
(1)将清洗后的聚氨酯弹性体浸在溶于LiPF6的DEC有机溶剂中18小时，置入真空干燥箱进行充分干燥；然后对聚氨酯弹性体待键合表面进行反应性气体(氮气)低温等离子体表面处理，时间为8min。以提高表面亲水性，引入含氧官能团，增强表面极性和反应活性，改善材料的表面粘合性能，以进一步利于阳极键合。
(2)将清洗后的铝片浸在40℃的NH4OH、H2O2、H2O混合溶液(NH4OH:H2O2:H2O＝4:1:6)中15min，使其表面存在一定数量的-OH，进一步有利于键合。
三、热引导预连接
(1)将聚氨酯弹性体置于100℃真空干燥箱中预热处理8min，使得弹性体接近软化，整体足够柔顺，表面容易贴合且呈微粘性。
(2)将铝片在真空干燥箱180℃下预热15min，使其温度高于弹性体表面。
(3)将预热后的聚氨酯弹性体和铝片立即进行层叠贴合且施加恒定压力0.1MPa，放置在50℃真空干燥箱中4h，卸载压力后室温下静置36h。
四、梯度电场阳极键合
将预连接的聚氨酯弹性体和铝片置于氮气气氛的阳极键合机中，设定温度55℃，设定静压0.1MPa，设定键合电压0.8kV。待准备工作完毕后接通电流开始键合，13s内电流逐渐达到最大值13mA，随后电流开始下降；当电流降低为7mA时电流下降出现停滞现象，立即调低键合电压为0.4kV；当电流降至3mA时出现降速明显减慢的现象，立即调低键合电压为0.2kV，本实施例中电流降低到0.8mA就保持稳定，且保持10s不返弹，此时阳极键合结束，键合总时长为105s。卸载静压力，冷却至室温得到键合后的聚氨酯弹性体和铝片。
五、封边保护
在键合后的聚氨酯弹性体和铝片的四个断面处均匀涂敷2层透明聚氨酯固化胶。
对封边保护后的聚氨酯弹性体和铝片的阳极键合断面进行扫描，如图3所示，由图可以看出，聚氨酯弹性体的连接面5和铝片的连接面4可以清晰的看到键合连接层6，而且连接层6连接处不存在缝隙，键合更加彻底。
实施例3
一、原料的表面清洗
(1)将纯度99.99％、厚度为0.2mm的铝片分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗30min，然后置于真空干燥箱中干燥50min。
(2)将室温离子导电率9.29×10-7S/cm、厚度3mm的聚氨酯弹性体首先用棉棒蘸取丙酮清洗表面，再分别置于无水乙醇和去离子水中超声清洗8min。
二、原料的表面活化处理
(1)将清洗后的聚氨酯弹性体浸在溶于LiBOB的PC有机溶剂中20小时，置入真空干燥箱进行充分干燥；然后对聚氨酯弹性体待键合表面进行反应性气体(二氧化碳)低温等离子体表面处理，时间为10min。以提高表面亲水性，引入含氧官能团，增强表面极性和反应活性，改善材料的表面粘合性能，以进一步利于阳极键合。
(2)将清洗后的铝片浸在50℃的NH4OH、H2O2、H2O混合溶液(NH4OH:H2O2:H2O＝4:1:6)中20min，使其表面存在一定数量的-OH，进一步有利于键合。
三、热引导预连接
(1)将聚氨酯弹性体置于90℃真空干燥箱中预热处理10min，使得弹性体接近软化，整体足够柔顺，表面容易贴合且呈微粘性。
(2)将金铝片在真空干燥箱200℃下预热25min，使其温度高于弹性体表面。
(3)将预热后的聚氨酯弹性体和铝片立即进行层叠贴合且施加恒定压力0.15MPa，放置在60℃真空干燥箱中4h，卸载压力后室温下静置36h。
四、梯度电场阳极键合
将预连接的聚氨酯弹性体和铝片置于氮气气氛的阳极键合机中，设定温度60℃，设定静压0.15MPa，设定键合电压0.8kV。待准备工作完毕后接通电流开始键合，10s内电流逐渐达到最大值10mA，随后电流开始下降；当电流降低为4mA时电流下降出现停滞现象，立即调低键合电压为0.3kV；当电流降至2mA时出现降速明显减慢的现象，立即调低键合电压为0.1kV，本实施例中电流降低到0.5mA就保持稳定，且保持10s不返弹，此时阳极键合结束，键合总时长为98s。卸载静压力，冷却至室温得到键合后的聚合物弹性体和铝片。
五、封边保护
在键合后的聚氨酯弹性体和铝片的四个断面处均匀涂敷3层透明聚氨酯固化胶。
对封边保护后的聚氨酯弹性体和铝片的阳极键合断面进行扫描，如图4所示，由图可以看出，聚氨酯弹性体连接面7和铝片的连接面8可以清晰的看到键合连接层9，而且连接层9连接处不存在缝隙，键合更加彻底。
比较例
用常规阳极键合方法实现阳极键合连接。
1)待键合基片表面清洗：将纯度99.99％、厚度为0.2mm的铝片分别在丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗30min，然后置于真空干燥箱干燥50min。将室温离子导电率9.09×10-7S/cm、厚度3mm的聚氨酯弹性体首先用棉棒蘸取丙酮清洗表面，再分别置于无水乙醇和去离子水中超声清洗8min并干燥处理。
2)阳极键合：将表面清洗的聚氨酯弹性体和铝片置于氮气气氛阳极键合机中，设定温度60℃，设定静压0.2MPa，设定键合电压0.8kV。待准备工作完毕后接通电流开始键合，11s内电流逐渐达到最大值10mA，随后电流开始下降；电流降至5mA出现停滞下降现象，当电流出现回升现象时阳极键合结束，键合总时长36s。卸载静压力，键合后的聚氨酯弹性体和铝片随炉冷却至室温。
对键合后的聚氨酯弹性体和铝片的阳极键合断面进行扫描，如图5所示，由图可以看出，聚氨酯弹性体连接面10和铝片的连接面11可以清晰的看到键合连接层12，但是连接层12连接处存在明显的缝隙13，键合效果差。
对上述实施例1-3和比较例的阳极键合的参数及拉伸强度测试结果如表1所示：
表1阳极键合的参数及拉伸强度测试结果表
实施例 初始电压/kV 温度/℃ 静压/MPa 键合时长/S 拉伸强度/MPa
实施例1 0.6 50 0.05 93 1.15
实施例2 0.8 55 0.1 105 1.6
实施例3 0.8 60 0.15 98 1.8
比较例 0.8 60 0.2 36 0.82
由表1可以看出，本发明实施例1-3中的键合时长均大于比较例中的键合时长，约为比较例中的三倍，这说明本使用发明的方法进行阳极键合，键合的更加彻底，阳极操作可操作性强。而且本发明中实施例1-3中的拉伸强度也均大于对比例中的拉伸强度，由此说明本发明实施例1-3中键合的击穿率低，键合成功率高，键合强度大。
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。

Claims (10)

1.一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其特征在于，低温阳极键合方法步骤如下：
S1：原料表面清洗：分别将金属片与聚合物弹性体进行表面清洗；
S2：原料表面活化处理：
S21：将表面清洗后的聚合物弹性体浸在溶于锂盐的非溶解性有机溶剂中12～24h，再充分干燥，然后对所述聚合物弹性体的待键合表面进行反应性气体低温等离子体表面处理；
S22：将表面清洗后的金属片浸在30～50℃的NH4OH、H2O2、H2O的混合溶液中10～20min；
S3：热引导预连接：
S31：将活化后的聚合物弹性体置于80℃～140℃的真空环境中预热处理5～10min；
S32：将活化后的金属片在150℃～200℃的真空环境下预热15～30min；
S33：将预热后的聚合物弹性体和金属片进行层叠贴合且施加恒定压力0.01MPa～0.5MPa，放置在40～60℃真空干燥箱中2～6h，卸载压力后室温下静置24～48h，得到预连接的聚合物弹性体和金属片；
S4：将所述预连接的聚合物弹性体和金属片置于阳极键合机中，设定温度40℃～80℃，设定静压0.05MPa～1MPa，设定键合电压0.5kV～0.8kV，在氮气气氛下接通电流开始键合，6-50s内电流达到6mA～20mA后开始下降；当电流降速明显减慢或者电流下降出现停滞现象时，调低键合电压，调幅为初设值的1/2～1/4；当电流降速再次明显减慢或者电流下降再次出现停滞现象时，继续调低键合电压，调幅为上一次稳定值的1/2～1/4，重复此步骤，直到电流值稳定在1mA以下，且保持5s～10s不返弹，卸载静压力，然后冷却至室温，得到键合后的聚合物弹性体和金属片。
2.如权利要求1所述的用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其特征在于：所述用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法还包括步骤S5：封边保护：在所述键合后的聚合物弹性体和金属片的四个断面处均匀涂敷1～3层透明聚氨酯固化胶。
3.如权利要求1所述的用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其特征在于：所述金属片的表面清洗方法为：将所述金属片分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗20～30min，然后置于真空干燥箱干燥30～60min。
4.如权利要求1所述的用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其特征在于：所述聚合物弹性体的清洗方法为：将所述聚合物弹性体首先用棉棒蘸取丙酮清洗表面，再分别置于无水乙醇和去离子水中超声清洗5～10min。
5.如权利要求1所述的用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其特征在于：所述步骤S21中所述锂盐为LiClO4、LiPF6、LiTFSI或LiBOB。
6.如权利要求1所述的用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其特征在于：所述步骤S21中所述有机溶剂为EC、PC、DMC或DEC。
7.如权利要求1所述的用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其特征在于：所述步骤S21中所述反应性气体为空气、氮气或者二氧化碳。
8.如权利要求1所述的用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其特征在于：所述步骤S22中NH4OH、H2O2、H2O的体积比为4:1:6。
9.如权利要求1所述的用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其特征在于：所述聚合物弹性体为聚氨酯弹性体，厚度为3mm，室温离子导电率大于10-7S/cm。
10.如权利要求1所述的用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法，其特征在于：所述金属片为铝片，且金属片的厚度为0.2mm，纯度为99.99％。
CN202010020254.5A 2020-01-09 2020-01-09 一种用于聚氨酯弹性体和铝片的低温阳极键合方法 Active CN111217326B (zh)

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