高性能真空靜電封接機的設計與實現

王鵬　葉挺　董帥　蔣伯華　徐海寧

關鍵詞：靜電封接技術；高性能；自動封接

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A

0 引言

利用壓力感應元件制作的壓力傳感器被廣泛應用在各個領域。鍵合技術在微機電系統（MEMS）傳感器敏感元件制作中應用十分廣泛，目的是不同材質或者相同材質在不填充有機介質的前提下通過外界條件作用實現永久的無應力黏合。典型的用于MEMS 傳感器制備的鍵合技術主要包括陽極鍵合、硅硅鍵合、倒裝鍵合、金硅共融鍵合等。值得注意的是，當前很多MEMS 傳感器生產商為了降低制作成本、提高制作效率、充分發揮MEMS 傳感器的技術特點，在生產中采用陽極鍵合技術實現硅晶圓與玻璃鍵合，如硅基表壓、差壓、壓力傳感器敏感芯片的研制及批量生產。

利用靜電封接技術設計并實現的靜電封接機是硅壓阻傳感器制造工藝中的關鍵制式設備之一，其可在無任何輔助材料的情況下，在高真空、高溫度的環境下通過施加直流電壓實現硅片—玻璃或者玻璃—硅片—玻璃的無蠕動封裝[1]。靜電封接設備主要是提供真空環境、高溫度以及直流電壓，但是由于傳統的靜電封接設備存在真空度不夠高、溫度測量不真實、降溫不易實現等問題，直接影響封接效果，出現如設備返油、封接容易翹曲等諸多封接工藝結果。因此，研制高性能的靜電封接機滿足生產以及科研的需求是十分必要的。

1 靜電封接原理

靜電封接技術是在外加電場下進行的封接，故又叫場助封接，是近10 年來較為先進的一種封接技術，具有快速、簡便、牢固和清潔等顯著優點。根據靜電封接的基本原理，它可以對半導體（ 或金屬）和玻璃（或其他絕緣體）兩種類型的材料進行封接。除了平面封接以外，還可以設計不同的電極形狀，對不規則幾何形狀的部件進行封接。封接玻璃與硅片的封接結合面都需經過嚴格的精細研磨和拋光處理，并一同置于高溫溫場內和高壓靜電場中，其中硅片接正極，玻璃接負極（圖1）。當溫度達250℃ 以上時，在常溫下玻璃內部不動的鈉離子（Na+）被激活，在高壓靜電場的作用下向負極漂移，在陽極形成Na+ 的耗盡層。同時由于溫度作用，硅半導體材料處于本征激發狀態，導致硅中的電子空穴在高壓靜電場作用下也發生遷移。直至玻璃耗盡層中的部分氧離子和硅片結合面上的硅形成共價鍵O— Si—O 而發生鍵合反應，生成致密的硅氧化物，使玻璃與硅片結合到一起[2]。其結合強度大于硅材料自身的抗拉強度。

2 高性能靜電封接機的性能指標

高性能靜電封接機不僅能用于多個單芯片封接，而且可用于硅片與玻璃的整體大片鍵合，同時滿足“三明治”形式的玻璃—硅—玻璃鍵合要求，可提供表壓與絕壓兩種封接形式。高性能靜電封接機的具體性能指標如下：①封接最大直徑為6 in（1 in ≈2.54 cm）； ② 封接的硅片厚度為0.2 ～ 2.0 mm；③封接的玻璃厚度為0.8 ～ 2.0 mm；④封接形式為玻璃—硅片（單面）或玻璃—硅片—玻璃（雙面）；⑤封接加熱溫度為0 ～ 500℃（可調）；⑥封接加熱功率≤ 1 kW；⑦封接過程的升溫時間≤ 45 min；⑧封接電壓≤ 3 kV（連續可調）；⑨封接面耐壓強度≥ 2 MPa；⑩封接面滲透率≤ 2×10-7 PaL/s；⑾漏封面積≤ 10% 全面積； 設備極限真空度為6.7×10-4 Pa；⑿抽真空時間≤ 40 min。

3 高性能靜電封接機的結構特點

高性能靜電封接機由真空系統、真空工作室、電氣控制、真空檢測系統以及封接裝置等組成（圖2）。與DPFJ-IV 型靜電封接機[3] 相比，其在程序控制、封接裝置、真空系統上進行了改進優化，性能得到全面的提升。

3.1 真空優化設計

（1）以無油渦旋真空泵以及渦輪分子泵為主要真空系統，解決硅片封接過程中的油污染問題，同時將極限真空度提升一個數量級，最高真空度能達到10-4 Pa。

（2）增加氮氣散熱，通過反復實驗摸索，繪制出一套完整的散熱曲線，使封接周期縮短一半，也要注意溫度下降過快的氧化問題。在真空度過高時必須解決真空放電的問題，所以真空室的加熱以及高壓的結構材料需要經過特殊的工藝處理以滿足10-4 Pa 環境下的技術要求。

（3）傳統設備主要靠自然散熱，散熱效率低，影響生產效率。新型設備在設計上增加了散熱功能，可以壓縮空氣或者其他氣體，利用這些氣體在工作室內的循環流動，帶出熱量，避免真空度下降，損壞器件。另外，散出的熱量溫度很高，要做好散熱出口的防護設計。

3.2 程序控制優化設計

該設備在控制方面進行了全面升級，自動化程度更高，具備人機交互功能，可實現遠程監控。新控制系統的主要功能是對一些物理量進行采集、分析、反饋。本文采用可編程邏輯控制器（PLC）+觸摸屏的方式作為控制核心。利用觸摸屏設置工藝參數、顯示數據、監控設備狀態，以畫面的方式來描繪工藝流程，并且觸摸屏具備歷史曲線及歷史報警功能。PLC 通過采集控制數字量、模擬量，并通過以太網、串口等通信方式，實現裝置的自動化。

在實現過程中通過優化控制程序，固化封接工藝，對封接溫度、封接高壓接入程序實現有效的控制，實現一鍵封接，節省了人力、物力。

以PLC 作為控制中心，通過控制數字量信號閥、真空泵、伺服電機等設備的啟動、停止，同時利用模擬量來采集溫度、壓力信號等，實現對溫度以及真空度的控制。控制結構示意如圖3 所示。

觸摸屏作為人機交互的裝置，能夠顯示設備各個位置的信號信息、報警信息、故障信息提示等。通過人機交互實現封接過程的可視化。同時增加了溫度、電壓過高的報警保護設備以保障人身安全。

3.3 封接裝置優化設計

根據實際的供電情況設計設備的封接電壓，選擇單相高精度接觸式交流調壓器將交流220 V 轉換成交流2 000 V，再經過整流調節成直流電壓。封接裝置配有電流表、電壓表，方便在封接過程中，觀察電流、電壓。此外，利用可調電機，調整電極的升降位置及升降速度。

（1）PLC 的高速脈沖控制可以實現步進電機的精確控制，為減少機械上的誤差，采用了電機直接驅動調壓裝置實現精確調壓，設置脈沖細分，以提高控制的分辨率，通過程序控制精確計算，將PLC 脈沖轉換成電機角度，電機角度調節調壓裝置，調壓裝置控制封接電壓[4]。利用伺服裝置進行高壓調節，具體是通過封接高壓工藝，結合電壓、電流在封接過程中的變化規律（圖4），推導自動加壓的過程公式，完成自動加壓控制。

（2）由于真空系統以熱輻射為主要的熱量傳遞方式，DPFJ-IV 型封接機以加熱臺溫度為封接過程的基準。由于硅片等加熱不均勻，在工藝需求苛刻的工況下無法滿足設計要求，導致溫度低進而影響封接質量。為了解決這一難點，需要在硅片與玻璃的表面增加溫度檢測，使最終的檢測溫度更加準確，但是這又會導致加熱的過程延長。

4 結論

相較于傳統的靜電封接機，高性能真空靜電封接機的性能得到了全方位的提升，自動化程度更高、操作更方便，提高了壓阻傳感器的生產效率，預期會產生較大的經濟效益及社會效益。