CN111635147B - 一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电致阳离子导电的金属/玻璃表面原位金属化多层共晶键合方法及装置。该方法为：将预镀膜金属试片与阳离子导电玻璃多层交替堆叠后置于真空炉内，各层金属和玻璃试片依键合顺序分别与直流静电场的负极和正极连通，对被键合件施加轴向压力的同时加热并加载电场，玻璃内阳离子在高温和电场斥力下，激活电离并定向迁移至玻璃键合表面富集，与自由电荷发生氧化还原反应生成单质，继而在玻璃表面的微纳结构中原位生长形成金属层，并在共晶温度下与镀膜发生扩散和共晶反应实现键合，重复上述工艺进行多层键合。本发明将阳极键合和共晶键合原理结合，在较低温度和低电压条件下，实现金属与玻璃的高导电、高导热及高强度多层键合。

Description

一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆 叠键合方法及装置

技术领域

本发明属于光电子封装领域，涉及电子和光伏器件制造过程中金属片与玻璃晶片的键合技术，具体为在温度场-直流静电场的复合作用下，基于阳离子导电玻璃电致阳离子迁移机理，促使多层垂直堆叠的金属与玻璃发生低温共晶键合的方法和装置。

背景技术

玻璃/金属封接可将两种物化性能差异极大且性能高度互补的材料融合，并广泛应用于二极管、微机电系统MEMS、集成电路、光伏器件及燃料电池的制造领域。随着电子及光伏器件向高集成度、多功能化和微型化的方向发展，光电子封装技术正迈向高功率、高集成度和3D垂直互连的发展趋势，也必然对金属与玻璃晶片间键合技术的极限尺寸、集成度、散热性和可靠性提出了日趋严苛的高综合性能需求。

玻璃晶片与金属晶片的多层堆叠键合技术无疑是降低器件极限尺寸并提高集成度的重要方式，但相关研究成果鲜有报道。而实现玻璃晶片与金属晶片的多层堆叠键合的前提是单层玻璃晶片与金属晶片的可靠连接。目前，连接方法主要包括回流焊、导电胶黏结、阳极键合以及钎焊等方式。回流焊是将温度足够高的空气或氮气吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化润湿元件和主板冷凝后实现粘结，但焊料对基板和元件的润湿能力不同且两个焊接表面的温度存在差异，导致回流焊常出现碑立现象，需要焊后返工甚至导致报废。导电胶连接则具有工艺简单和固化温度低的优点，但仍存在胶体耐高温和抗老化性能差的问题。共晶键合与钎焊技术原理相似，均采用金属单质或合金箔作为中间层，前者通过界面处的低温共晶反应形成共晶体，完成晶片间键合，后者引发的界面处反应较复杂，焊接温度较高，生成的物相种类较多且控制难度较大。两种连接方式均具有受表面粗糙度影响小、散热性良好、可形成晶片间欧姆接触等优势。然而，目前缺少将共晶键合应用于金属与玻璃晶片连接的现有技术，而基于传统钎焊工艺连接金属与玻璃的报道则较多。如中国发明专利申请（201310423145.8）公开了一种玻璃与钢的低温钎焊方法，该方法属于金属与玻璃的钎焊连接工艺。上述专利文献中通过等离子喷涂工艺在玻璃表面制备Al₂O₃涂层后再制备Cu涂层，采用Sn-Ag共晶钎料箔及BS-850型钎剂，在最高300℃保温6min的条件下，进行钢与玻璃的钎焊连接，结果显示连接界面结合稳定、密封性好，抗拉强度最高可达6.4MPa。但是，该方法需要对玻璃进行多层涂镀，涂层熔化后对母材的润湿性较差，需要有毒钎剂辅助润湿，且与钎料易反应生成多种金属间化合物，其种类及分布均难以控制。又如中国发明专利申请（200910234678.5）公开了一种玻璃与金属的真空钎焊工艺，上述专利文献中首先在喷砂粗化处理的玻璃表面化学电镀一层均匀的铜，将金属、钎料及玻璃组装后置于钎焊炉中，在不高于4×10^-2Pa的真空度下，将其加热至650℃以上保温40min，实现金属与玻璃的连接，但是该方法工艺复杂，镀层与玻璃结合强度较低，过高的钎焊温度不仅对设备提出了较高要求，更造成连接件残余应力高等问题。由此可见，共晶键合与原理相似的钎焊工艺若用于金属与玻璃的连接，均存在共晶液相或钎料对基体的铺展和润湿性较差，表面涂镀工艺复杂，焊接温度偏高，反应生成的金属间化合物种类及分布难以控制等问题，因此，将共晶键合或钎焊用于金属与玻璃晶片的多层堆叠键合也必然存在以上技术问题。

相比其他键合技术，阳极键合具有工艺简单、结合强度高和密封性良好等优点，其原理是将金属与玻璃晶片接在高压电极间，在高温（400℃~700℃）、高电压（800V~1500V）和压力条件下，使迁移O^2-或非桥氧于界面处发生化学反应，形成O-M（M=Mg、Al、Cu和Ni）等新的化学键。使用阳极键合的方法开展金属与玻璃晶片键合的现有技术如太原理工大学胡利方在《稀有金属材料与工程》2007年第36卷第6期的论文（“电场和元素Cr对Cu/W润湿性的影响”）中胡利方等采用叠层阳极键合装置，以铝片作为公共阳极，在400℃、1000V 和1.5MPa的高温高压下，实现了玻璃-铝-玻璃三层堆叠晶片的连接，该方法仅能实现三层键合，且需将金属作为中间层，否则析出的Na盐将污染玻璃与另一侧金属的界面，导致该侧无法键合，此外，高温、高电压、苛刻的键合面处理要求以及键合区域较差的导电散热性能是该技术面临的主要问题。

综上所述，当前缺少一种可同时满足欧姆接触、优良散热、低成本、高可靠、键合工艺简单且对表面处理要求较低的多层晶片键合方法，为了进一步推进电子封装技术的发展和应用，必须提出有效的以满足高集成度、高功率、微型化需求的玻璃晶片与金属晶片的3D封装技术。

可见，阳极键合工艺简单且晶片间距小，但不具备共晶键合（或钎焊）所特有的欧姆接触与优良散热性。实际上，两种键合技术迥然不同的连接原理，使彼此在多项优缺点上形成了良好的互补关系。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明针对金属与玻璃的连接，综合阳极键合与共晶键合原理，提供了一种在低温和低电压条件下实现阳离子导电玻璃表面原位金属化方法，结合本发明提出的专用于实施多层金属与玻璃晶片表面原位金属化堆叠键合装置，可在较低温度和电压条件下，实现金属与玻璃晶片的高可靠、高导热及高导电多层堆叠键合。

为了实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的。

一种基于电致阳离子导电的金属/玻璃表面原位金属化多层堆叠键合方法，包括以下步骤：

S1、准备待键合母材试片：选择含有银离子的卤化物、硫化物或含有亚铜离子的氧化物、卤化物的阳离子导电玻璃，并制作试片；在金属试片的两个待键合表面均涂镀金属膜层。

S2、待键合试片表面处理：使用砂纸或磨削设备将金属试片表面镀膜层及阳离子导电玻璃试片的双面均打磨平整、光洁，并用去离子水及丙酮清洗，放置于真空干燥箱中备用。

S3、多层待键合晶片交替堆叠放置：将阳离子导电玻璃试片与表面镀膜的金属试片交替堆叠且边缘对齐，置于真空键合炉内的压板和支撑板之间，堆叠的晶片与压板或支撑板均不直接接触，使用陶瓷垫片隔开，扇压块施加向下的轴向压力。

S4、阳离子导电玻璃表面原位金属化：正极触头通过电触头引线、正极开关和电极引线与直流电源的正极连通，负极触头通过电触头引线、负极开关和电极引线与直流电源的负极连通，正、负极触头固定后，触头分别在各自弹簧作用下压紧待键合试片侧面，试片大小在一定范围内可调。保持键合炉内真空环境，将叠放好的试片在真空键合炉中加热至阳离子导电玻璃试片内阳离子的电离激活温度。正、负极触头按照玻璃晶片表面原位金属化顺序，分别与相邻接触的两个阳离子导电玻璃试片和金属试片接通，并在正负极触头间加载直流静电场，使该阳离子导电玻璃试片内电离的阳离子形成定向移动富集在试片的键合面处，与自由电子中和形成金属单质原位析出，保温时间t₁。待该阳离子导电玻璃的一侧键合面完成表面原位金属化后，断开该侧与金属试片对应的负极触头，然后将该阳离子导电玻璃另一侧接触的金属试片相对应的负极触头连通，并保持该阳离子导电玻璃试片与正极触头连通，加载直流静电场并保温t₁时间，将该阳离子导电玻璃的另一侧键合面也实现原位金属化。而后，将已金属化的阳离子导电玻璃对应的正极触头断开，重复上述步骤，对另一块阳离子导电玻璃进行键合面表面原位金属化，按照一定顺序，直至各层阳离子导电玻璃的参与键合的表面均完成表面原位金属化。

S5、表面原位金属化层与金属镀膜共晶反应：各层阳离子导电玻璃的待键合表面均完成表面原位金属化后，将外接电场撤去，升温至原位生长金属单质和金属试片镀膜材料的共晶反应温度，使各阳离子导电玻璃表面的原位金属层与金属试片表面的镀膜金属充分扩散并发生低温共晶反应形成液相。保温时间t₂后停止加热，共晶液相过冷析出共晶组织，共晶组织可与玻璃表面的微细结构形成良好的机械嵌合，具备优异的物理连接强度。随后将阳离子导电玻璃试片与金属试片的多层堆叠体自然冷却至室温并取出。

进一步的，步骤S1中，阳离子导电玻璃是指，通过在硼酸盐、钒酸盐、磷酸盐、碲酸盐、硫系或硫卤系玻璃基体中掺杂AgI、AgBr、Ag₂S、CuI、CuBr或Cu₂O中的一种或多种制得，以上所述玻璃在一定温度和电压条件下，具备银离子导电或亚铜离子导电性能；多层金属试片可以分别由同种或异种金属单质，同种或异种合金，或金属单质与合金材料制成；金属试片表面的金属膜可以是锡膜、镍膜、铜膜或其他可以与原位金属化层发生低温共晶反应的纯金属或合金材料。

进一步的，步骤S2中，阳离子导电玻璃试片的厚度为1.5~5mm、接触面的粗糙度为Ra=0.2~1.5μm，金属试片的厚度为1.5~5mm，表面金属镀膜厚度为20~100μm，金属镀膜表面的粗糙度为Ra=0.1~0.5μm。

进一步的，步骤S3中，压板和支撑板均用耐高电压的非导电陶瓷制成，如用石英玻璃、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷制成，陶瓷垫片为高纯度碳化硅、氮化硅或其他具有较高抗热震性和高温绝缘性能的陶瓷材料。直流电源可输出0~380V直流静电场。轴向压力为0.05~5MPa。

进一步的，步骤S4中，真空环境真空度为5×10^-3~5×10^-1Pa，电离激活温度在140℃~700℃之间，玻璃表面原位金属化需要的直流电场强度为220~380V，保温时间t₁为2~15min。电极引线为耐热金属丝。

进一步的，步骤S5中，共晶反应温度和保温时间t₂要依据共晶反应金属层和镀膜材料来确定，共晶反应温度为220℃~800℃，保温时间t₂为7~20min。

应用于上述方法的基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合装置，包括用于对待连接试片提供键合热源的加热系统，用于对待连接试片施加直流静电场的静电场施加系统，用于对待连接试片加载轴向压力的压力加载系统。具体包括真空键合炉体，所述真空键合炉体内设有加热单元、热偶真空计及热电偶，所述真空键合炉体外接有真空泵，热偶真空计和热电偶连接温度及真空度控制仪表；所述真空键合炉体的底部支座上设有支撑板，所述支撑板上由金属试片和阳离子导电玻璃试片交替叠合形成多层堆叠结构，所述金属试片的待键合表面设有金属镀膜，位于最下层的阳离子导电玻璃试片或者金属试片与支撑板之间设有陶瓷垫片，位于最上层的金属试片或者阳离子导电玻璃试片上设有陶瓷垫片后覆盖有压板，所述压板通过上压块向多层堆叠结构提供压力；所述真空键合炉体内位于多层堆叠结构两侧分别固定有导轨Ⅰ和导轨Ⅱ，所述导轨Ⅰ上设置有多个电触头滑块Ⅰ，每个电触头滑块Ⅰ端面通过弹簧Ⅰ连接负极触头，则相应位置的负极触头与金属试片接触连接，每个负极触头均通过电触头引线汇集于负极开关；所述导轨Ⅱ上设置多个电触头滑块Ⅱ，每个电触头滑块Ⅱ端面通过弹簧Ⅱ连接正极触头，则相应位置的正极触头与阳离子导电玻璃试片接触连接，每个正极触头均通过电触头引线汇集于正极开关；所述负极开关通过电极引线与直流电源的负极连接，所述正极开关通过电极引线与直流电源的正极连接；所述直流电源的负极和负极开关之间或者直流电源的正极和正极开关之间并接有电流记录装置和电阻。

使用时，通过负极开关可以实现直流电源的负极与真空键合炉内任意一个负极触头的连通和断开，同理，通过正极开关可以实现直流电源的正极与真空键合炉内任意一个正极触头的连通和断开。进而实现阳离子导电玻璃表面原位金属化过程：保持键合炉内真空环境，将叠放好的阳离子导电玻璃试片和金属试片在真空键合炉中加热至阳离子导电玻璃试片内阳离子的电离激活温度。通过正、负极开关，将一对正、负极触头按照玻璃晶片表面原位金属化顺序，分别与相邻接触的阳离子导电玻璃试片和金属试片接通，则在正负极触头间加载直流静电场，使该阳离子导电玻璃试片内电离的阳离子形成定向移动富集在试片的键合面处，与自由电子中和形成金属单质原位析出，保温时间t₁。待该阳离子导电玻璃的一侧键合面完成表面原位金属化后，通过负极开关断开该侧金属试片对应的负极触头，然后通过负极开关将该阳离子导电玻璃另一侧接触的金属试片相对应的负极触头连通，并保持该阳离子导电玻璃试片与正极触头连通（即此时正极开关保持），加载直流静电场并保温t₁时间，将该阳离子导电玻璃的另一侧键合面也实现原位金属化。而后，通过正极开关将已金属化的阳离子导电玻璃对应的正极触头断开，重复上述步骤，对另一块阳离子导电玻璃进行键合面表面原位金属化，按照一定顺序，直至各层阳离子导电玻璃的参与键合的表面均完成表面原位金属化。玻璃表面原位金属化顺序可以从最靠近压板的第一块玻璃晶片开始，向下依次表面金属化，或者从最靠近支撑板的第一块玻璃晶片开始，向上依次表面金属化，也可以从中间任意一块玻璃晶片开始，逐步将各玻璃晶片表面金属化。各层阳离子导电玻璃的待键合表面均完成表面原位金属化后，将外接电场撤去，升温至原位生长金属单质和金属试片镀膜材料的共晶反应温度，使各阳离子导电玻璃表面的原位金属层与金属试片表面的镀膜金属充分扩散并发生低温共晶反应形成液相。保温时间t₂后停止加热，共晶液相过冷析出共晶组织，共晶组织可与玻璃表面的微细结构形成良好的机械嵌合，具备优异的物理连接强度。随后将阳离子导电玻璃试片与金属试片的多层堆叠体自然冷却至室温并取出。

本发明具有以下有益效果：

1、采用本发明的键合技术和试验装置可以在较低温度和低电压条件下，实现阳离子导电玻璃与金属试片的多层垂直键合。

2、步骤S4即利用阳离子导电玻璃的阳离子迁移性能实现阳离子导电玻璃键合面的原位金属化，其温度通常低于激光涂覆和等离子喷涂等表面金属化方法对金属或合金的处理温度，无需使用额外涂镀设备，工艺简单且成本低，从而显著降低了由于镀膜与玻璃热膨胀系数失配引起的残余热应力。

3、步骤S5是继S4表面原位金属化后，利用多层阳离子导电玻璃表面的原位金属层与金属基板镀膜发生共晶反应，形成的共晶液相对玻璃表面的铺展润湿效果极佳，一方面可实现阳离子导电玻璃与金属极板的低温连接，另一方面克服了阳极键合无法应用于金属与玻璃晶片的多层连接，并且使多层垂直键合装配体具备良好的导热导电性能。

4、本发明是一项多层金属与玻璃晶片键合封装的新技术，可用于多功能芯片集成以及MEMS传感器、LED、光伏器件、微流控芯片和半导体芯片的封装等领域，在大功率器件封装和三维集成封装方面极具应用潜力。

本发明设计合理，将阳极键合和共晶键合原理结合，在较低温度和低电压条件下，实现金属与玻璃的高导电、高导热及高强度多层键合，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1表示本发明基于阳离子导电的金属与玻璃表面原位金属化多层共晶键合装置示意图。

图2表示图1中电触头滑动导轨的示意图。

图3表示图1中用于导向固定的电触头滑块的示意图。

图中：1-真空键合炉体，2-加热单元，3a-（直流电源）负极，3b（直流电源）正极，4-真空泵，5-温度及真空度控制仪表，6-热偶真空计，7-热电偶，8-底部支座，9-支撑板，10-压板，11 -上压块，12-陶瓷垫片，13-金属试片，14-阳离子导电玻璃试片，15-金属镀膜，16-（电触头滑动）导轨Ⅰ，17-（电触头滑动）导轨Ⅱ，18-直流电源，19-电流记录装置，20-电阻，21-电极引线，22-电触头引线，23-负极开关，24-正极开关，25-负极触头，26-正极触头，27-电触头滑块Ⅰ，28-弹簧Ⅰ，29-电触头滑块Ⅱ，30-弹簧Ⅱ，31-绝缘陶瓷套管，32-方孔槽，33-中间螺纹杆，34-左旋入端，35-右旋入端，36-锁紧螺母，37-垫圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明，并不局限于下面实施例的组合方式。

一种基于电致阳离子导电的金属/玻璃表面原位金属化多层堆叠键合装置，包括用于对待连接试片提供键合热源的加热系统，用于对待连接试片施加直流静电场的静电场施加系统，用于对待连接试片加载轴向压力的压力加载系统。其中预热待键合试片的加热系统包括真空键合炉体、加热单元、置于加热炉内的热电偶和热偶真空计、真空泵、温度及真空度控制系统。其中直流静电场施加系统包括直流电源、电极引线、电触头滑块、导向固定导轨、带有弹簧的正负极触头、包覆绝缘陶瓷套管的电触头引线、直流电源、电流记录装置及电阻，为待键合材料提供直流静电场，促使阳离子导电玻璃内部形成定向离子流。其中载荷施加系统包括支撑板、上压块和压板。

如图1所示，包括加热系统包括具有长方体型内腔且密封性能优异的用于对待连接材料提供键合热源的真空键合炉体1，真空键合炉体1内设有加热单元2、热偶真空计6及热电偶7，设于键合炉1外的用于保持炉内真空气氛的真空泵4 ，该真空泵4 由机械泵和扩散泵组成，共同作用可将炉内极限真空度保持在5×10^-3Pa。炉内温度和真空度分别使用设于炉内的热电偶7和热偶真空计6测量，均连接用于监测和控制待键合材料的周围环境温度和真空度的温度及真空度控制仪表5。真空键合炉1采用220V交流电供电，采用电阻加热或感应加热方式，其工作温度范围为室温至1000℃。

如图1所示，真空键合炉体1的底部支座8上设有支撑板9，支撑板9在键合炉1内固定并承担上压块11加载的轴向压力，支撑板9上由金属试片13和阳离子导电玻璃试片14交替叠合形成多层堆叠结构，金属试片13的待键合表面设有金属镀膜15，位于最下层的阳离子导电玻璃试片14或者金属试片13 与支撑板9之间设有陶瓷垫片12，位于最上层的金属试片13或者阳离子导电玻璃试片14上设有陶瓷垫片12后覆盖有压板10，压板10通过上压块11向多层堆叠结构提供压力。其中，作为实验材料的阳离子导电玻璃试片14和金属试片13，阳离子导电玻璃14可以是银离子导电或者亚铜离子导电玻璃，金属试片13由金属单质或合金制成，在本实施例中，阳离子导电玻璃14为AgI-Ag₂O-B₂O₃银离子导电玻璃，金属试片13均为铜箔片，金属镀膜15为锡金属膜。压力加载系统的压力由液压机或电机驱动滚珠丝杠提供，上压块11从炉外穿入炉内，上压块11与炉体间加陶瓷密封圈，上压块11位于炉内的一端固定安装压板10，本实施例中支撑板9和压板10可用石英玻璃、氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷制成，陶瓷垫片12由高纯度碳化硅制成；压力加载系统可提供0~5MPa连续可调轴向压力。

如图1所示，真空键合炉体1内位于多层堆叠结构两侧分别固定有导轨Ⅰ16和导轨Ⅱ17，导轨Ⅰ16上设置有多个电触头滑块Ⅰ27，每个电触头滑块Ⅰ27端面通过弹簧Ⅰ28连接负极触头25，导轨Ⅱ17上设置多个电触头滑块Ⅱ29，每个电触头滑块Ⅱ29端面通过弹簧Ⅱ30连接正极触头26。具体如图2、3所示，导轨Ⅰ16和导轨Ⅱ17结构相同，中间开有方槽孔32；电触头滑块Ⅰ27和电触头滑块Ⅱ29结构相同，包括中间螺纹杆33，中间螺纹杆33的两端具有螺纹，中间螺纹杆33的一端螺纹上旋有左旋入端34、其另一端螺纹上旋有右旋入端35，左旋入端34和右旋入端35的内外均设有螺纹，左旋入端34和右旋入端35的外螺纹上旋有锁紧螺母36。使用时，将中间螺杆33穿过导轨的中间槽孔32位于合适位置后，在中间螺杆33的两端分别旋入左旋入端34和右旋入端35旋拧到位后对中间螺杆33进行初步固定，之后在左旋入端34和右旋入端35上套装垫圈37后再分别旋拧上锁紧螺母36直至夹紧导轨两侧对中间螺杆33的位置进行锁紧。中间螺杆33为中空结构，用于穿过电触头引线22。而且，左旋入端34和右旋入端35也为中空结构，其外端部用于安装触头弹簧，弹簧外端安装电触头。各电触头的非接触端均连接电触头引线和弹簧，在本实施例中电触头由碳材料制成立方体状且端部直径为1.5×1.5mm，其端部尺寸根据所接触试片的厚度确定并略小于试片厚度。正极触头和负极触头均通过弹簧固定在各自的导向固定滑块上，导向固定滑块通过螺纹连接组合，拆解后可穿过滑动导轨中间立方槽孔且可以上下移动至待键合试片附近与试片接触连通。另外，负极电触头和正极触头还可用耐高温合金制成，如用镍基合金K3制成，电触头弹簧尺寸依据电触头尺寸确定，可由铬硅合金等高温弹簧材料制成。

如图1所示，多层阳离子导电玻璃试片14和金属试片13交替叠合形成多层堆叠结构。则相应位置的负极触头25与金属试片13接触连接，每个负极触头25均通过电触头引线22汇集于负极开关23；则相应位置的正极触头26与阳离子导电玻璃试片14接触连接，每个正极触头26均通过电触头引线22汇集于正极开关24。正极开关24和负极开关23均位于键合炉外部，便于键合过程中保持键合炉密闭的情况下调整线路通断，缩短键合时间。电触头引线22一部分位于键合炉内部与电触头连通，并汇集于绝缘陶瓷套管31，通过绝缘陶瓷套管31穿出键合炉后与开关电路相连。负极开关23通过电极引线21与直流电源18的负极3a连接，正极开关24通过电极引线21与直流电源18的正极3b连接；直流电源18的负极3a和负极开关23之间或者直流电源18的正极3b和正极开关24之间并接有电流记录装置19和电阻20。电触头引线22为直径1.2mm的镍硅热电偶丝。直流电源18可输出0~380V直流静电场。

一种基于阳离子导电的金属与玻璃表面原位金属化共晶键合方法，将预镀膜金属试片与阳离子导电玻璃多层交替堆叠后置于真空炉内，各层金属和玻璃试片依键合顺序分别与直流静电场的负极和正极连通，对被键合件施加轴向压力的同时加热并加载电场，玻璃内阳离子在高温和电场斥力下，激活电离并定向迁移至玻璃键合表面富集，与自由电荷发生氧化还原反应生成单质，继而在玻璃表面的微纳结构中原位生长形成金属层，并在共晶温度下与镀膜发生扩散和共晶反应实现键合，重复上述工艺进行多层键合。

具体按照如下步骤进行：

第一步：选择具有高电导率和低电离激活能的AgI-Ag₂O-B₂O₃银离子（Ag⁺）导电玻璃作为表面原位金属化玻璃样片，将该样片加工为厚度2mm且15×15mm的阳离子导电玻璃试片14，其面积可在一定范围内变化；选择厚度为2mm的铜（Cu）箔板，在其表面通过等离子喷涂或磁控溅射的方式镀金属锡（Sn）膜层15，Sn膜的厚度为60μm，将镀Sn后的Cu试片切割成15×15mm的金属试片13，其面积可在一定范围内变化。

第二步：使用金相砂纸打磨Ag⁺导电玻璃试片14及Sn镀膜15的键合表面，使Ag⁺导电玻璃试片14的表面粗糙度Ra=1~1.5μm，Sn镀膜15的表面粗糙度Ra=0.2~0.5μm。打磨后使用去离子水及丙酮清洗待键合表面。

第三步：如图1所示，分别将多层Ag⁺导电玻璃试片与Cu金属试片的镀膜表面接触，如Ag⁺导电玻璃试片的上下表面分别与Cu金属试片Ⅰ和Cu金属试片Ⅱ，以对接的方式组合并置于真空键合炉的压板10和支撑板9之间，堆叠的晶片与压板10或支撑板9均不直接接触，使用陶瓷垫片12隔开，压板10施加向下的轴向压力为1MPa。

第四步：在本实施例中采用自上而下的玻璃表面原位金属化顺序，通过正极开关24调整表面原位金属化玻璃试片与直流电源正极3b的通断，通过负极开关23调整金属试片与直流电源负极3a的通断。首先将最顶部的Ag⁺导电玻璃试片表面金属化，将该Ag⁺导电玻璃试片对应的电触头引线与电极引线2接通，则对应的正极触头与直流电源正极连通并与Ag⁺导电玻璃试片紧密接触，负极触头通过相应的电触头引线和电极引线与直流电源负极连通并与金属试片接触，电触头固定后，电触头在电触头弹簧作用下可压紧待键合试片，试片大小在一定范围内可调。抽真空使炉内真空度保持在5×10^-3Pa，温度升至150℃后，在正负极电触头间施加260V直流静电场，加载时间10min，保温10min，使Ag⁺导电玻璃试片内的Ag⁺激活并电离，并在键合面析出Ag单质，该单质Ag层紧贴Ag⁺导电玻璃试片的表面原位生长。待该Ag⁺导电玻璃试片的一侧键合面完成表面原位金属化后，断开该侧金属试片对应的负极触头。然后将Ag⁺导电玻璃试片另一侧的金属试片对应的负极触头通过相应的电触头引线和电极引线与直流电源负极连通，且负极触头与Ag⁺导电玻璃另一侧的金属试片接触。保持该Ag⁺导电玻璃对应的正极触头连通，加载260V直流静电场并保温10min，将该Ag⁺导电玻璃的另一侧键合面也实现原位金属化。重复以上过程，按照一定顺序，直至各层阳离子导电玻璃的参与键合的表面均完成表面原位金属化。还可以采用自下而上或从中间某片Ag⁺导电玻璃试片开始，向上下分别进行其它试片的表面原位金属化顺序。

第五步：保温结束后，各层阳离子导电玻璃的待键合表面均完成表面原位金属化，将外接电场撤去，提升炉内温度至230℃（高于Ag/Sn共晶反应温度，使各阳离子导电玻璃表面的原位金属层与金属试片表面的镀膜金属充分扩散并发生低温共晶反应形成液相），保温10min使Ag⁺导电玻璃试片的表面原位Ag层与Sn镀膜发生共晶反应形成液相，随后析出共晶连接层，共晶组织与玻璃表面的微细结构形成机械嵌合；保温结束后随炉冷却至室温，并取出样片。

采用本发明方法的优势在于：玻璃表面粗糙度要求低，且无需涂镀或溅射等表面预处理，原位金属层紧密贴合玻璃表面生长，连接强度高，金属层熔化后对玻璃表面的铺展和润湿性能极佳，显著提升玻璃的焊接和封装性能，共晶键合温度低，连接强度高且键合层具有优异的导电导热性能。将多层玻璃的表面金属化与共晶键合集成，适合多层玻璃与金属晶片间的高集成度堆叠键合。

本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，包括等同替换的结构形式或材料形式；以上具体实施例仅对本发明做示例性的说明，该实施案例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合装置，其特征在于：包括真空键合炉体（1），所述真空键合炉体（1）内设有加热单元（2）、热偶真空计（6）及热电偶（7），所述真空键合炉体（1）外接有真空泵（4），热偶真空计（6）和热电偶（7）连接温度及真空度控制仪表（5）；所述真空键合炉体（1）的底部支座（8）上设有支撑板（9），所述支撑板（9）上由金属试片（13）和阳离子导电玻璃试片（14）交替叠合形成多层堆叠结构，所述金属试片（13）的待键合表面设有金属镀膜（15），位于最下层的阳离子导电玻璃试片（14）或者金属试片（13 ）与支撑板（9）之间设有陶瓷垫片（12），位于最上层的金属试片（13）或者阳离子导电玻璃试片（14）上设有陶瓷垫片（12）后覆盖有压板（10），所述压板（10）通过上压块（11）向多层堆叠结构提供压力；所述真空键合炉体（1）内位于多层堆叠结构两侧分别固定有导轨Ⅰ（16）和导轨Ⅱ（17），所述导轨Ⅰ（16）上设置有多个电触头滑块Ⅰ（27），每个电触头滑块Ⅰ（27）端面通过弹簧Ⅰ（28）连接负极触头（25），则相应位置的负极触头（25）与金属试片（13）接触连接，每个负极触头（25）均通过电触头引线（22）汇集于负极开关（23）；所述导轨Ⅱ（17）上设置多个电触头滑块Ⅱ（29），每个电触头滑块Ⅱ（29）端面通过弹簧Ⅱ（30 ）连接正极触头（26），则相应位置的正极触头（26）与阳离子导电玻璃试片（14）接触连接，每个正极触头（26）均通过电触头引线（22）汇集于正极开关（24）；所述负极开关（23）通过电极引线（21）与直流电源（18）的负极（3a）连接，所述正极开关（24）通过电极引线（21）与直流电源（18）的正极（3b）连接；所述直流电源（18）的负极（3a）和负极开关（23）之间或者直流电源（18）的正极（3b）和正极开关（24）之间并接有电流记录装置（19）和电阻（20）；

所述支撑板（9）由氧化铝陶瓷制成，所述陶瓷垫片（12）由碳化硅制成；

所述导轨Ⅰ（16）和导轨Ⅱ（17）结构相同，中间开有方槽孔（32）；所述电触头滑块Ⅰ（27）和电触头滑块Ⅱ（29）结构相同，包括中间螺纹杆（33），所述中间螺纹杆（33）的一端螺纹上旋有左旋入端（34）、其另一端螺纹上旋有右旋入端（35），所述左旋入端（34）和右旋入端（35）的外螺纹上旋有锁紧螺母（36）；

所述中间螺纹 杆（33）为中空结构，所述左旋入端（34）和右旋入端（35）也为中空结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合装置，其特征在于：所述阳离子导电玻璃试片 （14）为银离子导电或者亚铜离子导电玻璃，所述金属试片（13）由金属单质或合金制成。

3.根据权利要求2所述的一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合装置，其特征在于：所述阳离子导电玻璃试片 （14）为AgI-Ag₂O-B₂O₃银离子导电玻璃，厚度为1.5~5mm、接触面的粗糙度为Ra=0.2~1.5μm；所述金属试片（13）为铜箔片，厚度为1.5~5mm；所述金属镀膜（15）为锡金属膜，厚度为20~100μm，表面粗糙度为Ra=0.1~0.5μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合装置，其特征在于：所述电触头引线（22）外设有绝缘陶瓷套管（31）。

5.根据权利要求1所述的一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合装置，其特征在于：所述正极触头（26）和负极触头（25）均由碳材料制成立方体状且端部直径为1.5×1.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于电致阳离子导电的金属玻璃表面原位金属化多层堆叠键合装置，其特征在于：所述电触头引线（22）为直径1.2mm的镍硅热电偶丝。

7.一种基于电致阳离子导电的金属/玻璃表面原位金属化多层堆叠键合方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、准备待键合母材试片：选择含有银离子的卤化物、硫化物或含有亚铜离子的氧化物、卤化物的阳离子导电玻璃，并制作试片；在金属试片的两个待键合表面均涂镀金属镀膜层；

S2、待键合试片表面处理：使用砂纸或磨削设备将金属试片表面镀膜层及阳离子导电玻璃试片的双面均打磨平整、光洁，并用去离子水及丙酮清洗，放置于真空干燥箱中备用；

S3、多层待键合晶片交替堆叠放置：将阳离子导电玻璃试片与表面镀膜的金属试片交替堆叠且边缘对齐，置于真空键合炉内的压板和支撑板之间，最上边和最下边的晶片分别与压板和支撑板使用陶瓷垫片隔开，上压块施加向下的轴向压力；

S4、阳离子导电玻璃表面原位金属化：正极触头通过电触头引线、正极开关、电极引线与直流电源的正极连通，负极触头通过电触头引线、负极开关、电极引线与直流电源的负极连通，负极触头和正极触头分别在弹簧Ⅰ和弹簧Ⅱ作用下压紧待键合的金属试片和阳离子导电玻璃试片；保持真空键合炉内真空环境，将叠放好的试片在真空键合炉中加热至阳离子导电玻璃试片内阳离子的电离激活温度；按照玻璃晶片表面原位金属化顺序，分别通过负极开关和正极开关将相邻接触的两个阳离子导电玻璃试片和金属试片接通，在负极触头和正极触头之间加载直流静电场，使该阳离子导电玻璃试片内电离的阳离子形成定向移动富集在试片的键合面处，与自由电子中和形成金属单质原位析出，保温时间t₁；待该阳离子导电玻璃的一侧键合面完成表面原位金属化后，通过负极开关断开该侧金属试片对应的负极触头，将阳离子导电玻璃另一侧接触的金属试片对应的负极触头连通，并保持该阳离子导电玻璃试片对应的正极触头连通，加载直流静电场并保温t₁时间，将该阳离子导电玻璃的另一侧键合面也实现原位金属化；而后，将已金属化的阳离子导电玻璃对应的正极触头断开，重复上述步骤，对另一块阳离子导电玻璃进行键合面表面原位金属化，直至各层阳离子导电玻璃的参与键合的表面均完成表面原位金属化；

S5、表面原位金属化层与金属镀膜共晶反应：各层阳离子导电玻璃的待键合表面均完成表面原位金属化后，将外接电场撤去，升温至原位生长金属单质和金属试片镀膜材料的共晶反应温度，使各阳离子导电玻璃表面的原位金属层与金属试片表面的镀膜金属充分扩散并发生低温共晶反应形成液相；保温时间t₂后停止加热，共晶液相过冷析出共晶组织，共晶组织与玻璃表面的微细结构形成机械嵌合；随后将阳离子导电玻璃试片与金属试片的多层堆叠体自然冷却至室温并取出。

8.根据权利要求7所述的一种基于电致阳离子导电的金属/玻璃表面原位金属化多层堆叠键合方法，其特征在于：轴向压力为0.05~5MPa；真空环境真空度为5×10^-3~5×10^-1Pa；电离激活温度在140℃~700℃；玻璃表面原位金属化需要的直流电场强度为220~380V，保温时间t₁为2~15min；共晶反应温度和保温时间t₂要依据共晶反应金属层和镀膜材料来确定，共晶反应温度为220℃~800℃，保温时间t₂为7~20min。

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