高性能真空静电封接机的设计与实现

王鹏　叶挺　董帅　蒋伯华　徐海宁

关键词：静电封接技术；高性能；自动封接

中图分类号：TP212 文献标识码：A

0 引言

利用压力感应元件制作的压力传感器被广泛应用在各个领域。键合技术在微机电系统（MEMS）传感器敏感元件制作中应用十分广泛，目的是不同材质或者相同材质在不填充有机介质的前提下通过外界条件作用实现永久的无应力黏合。典型的用于MEMS 传感器制备的键合技术主要包括阳极键合、硅硅键合、倒装键合、金硅共融键合等。值得注意的是，当前很多MEMS 传感器生产商为了降低制作成本、提高制作效率、充分发挥MEMS 传感器的技术特点，在生产中采用阳极键合技术实现硅晶圆与玻璃键合，如硅基表压、差压、压力传感器敏感芯片的研制及批量生产。

利用静电封接技术设计并实现的静电封接机是硅压阻传感器制造工艺中的关键制式设备之一，其可在无任何辅助材料的情况下，在高真空、高温度的环境下通过施加直流电压实现硅片—玻璃或者玻璃—硅片—玻璃的无蠕动封装[1]。静电封接设备主要是提供真空环境、高温度以及直流电压，但是由于传统的静电封接设备存在真空度不够高、温度测量不真实、降温不易实现等问题，直接影响封接效果，出现如设备返油、封接容易翘曲等诸多封接工艺结果。因此，研制高性能的静电封接机满足生产以及科研的需求是十分必要的。

1 靜电封接原理

静电封接技术是在外加电场下进行的封接，故又叫场助封接，是近10 年来较为先进的一种封接技术，具有快速、简便、牢固和清洁等显著优点。根据静电封接的基本原理，它可以对半导体（ 或金属）和玻璃（或其他绝缘体）两种类型的材料进行封接。除了平面封接以外，还可以设计不同的电极形状，对不规则几何形状的部件进行封接。封接玻璃与硅片的封接结合面都需经过严格的精细研磨和抛光处理，并一同置于高温温场内和高压静电场中，其中硅片接正极，玻璃接负极（图1）。当温度达250℃ 以上时，在常温下玻璃内部不动的钠离子（Na+）被激活，在高压静电场的作用下向负极漂移，在阳极形成Na+ 的耗尽层。同时由于温度作用，硅半导体材料处于本征激发状态，导致硅中的电子空穴在高压静电场作用下也发生迁移。直至玻璃耗尽层中的部分氧离子和硅片结合面上的硅形成共价键O— Si—O 而发生键合反应，生成致密的硅氧化物，使玻璃与硅片结合到一起[2]。其结合强度大于硅材料自身的抗拉强度。

2 高性能静电封接机的性能指标

高性能静电封接机不仅能用于多个单芯片封接，而且可用于硅片与玻璃的整体大片键合，同时满足“三明治”形式的玻璃—硅—玻璃键合要求，可提供表压与绝压两种封接形式。高性能静电封接机的具体性能指标如下：①封接最大直径为6 in（1 in ≈2.54 cm）； ② 封接的硅片厚度为0.2 ～ 2.0 mm；③封接的玻璃厚度为0.8 ～ 2.0 mm；④封接形式为玻璃—硅片（单面）或玻璃—硅片—玻璃（双面）；⑤封接加热温度为0 ～ 500℃（可调）；⑥封接加热功率≤ 1 kW；⑦封接过程的升温时间≤ 45 min；⑧封接电压≤ 3 kV（连续可调）；⑨封接面耐压强度≥ 2 MPa；⑩封接面渗透率≤ 2×10-7 PaL/s；⑾漏封面积≤ 10% 全面积； 设备极限真空度为6.7×10-4 Pa；⑿抽真空时间≤ 40 min。

3 高性能静电封接机的结构特点

高性能静电封接机由真空系统、真空工作室、电气控制、真空检测系统以及封接装置等组成（图2）。与DPFJ-IV 型静电封接机[3] 相比，其在程序控制、封接装置、真空系统上进行了改进优化，性能得到全面的提升。

3.1 真空优化设计

（1）以无油涡旋真空泵以及涡轮分子泵为主要真空系统，解决硅片封接过程中的油污染问题，同时将极限真空度提升一个数量级，最高真空度能达到10-4 Pa。

（2）增加氮气散热，通过反复实验摸索，绘制出一套完整的散热曲线，使封接周期缩短一半，也要注意温度下降过快的氧化问题。在真空度过高时必须解决真空放电的问题，所以真空室的加热以及高压的结构材料需要经过特殊的工艺处理以满足10-4 Pa 环境下的技术要求。

（3）传统设备主要靠自然散热，散热效率低，影响生产效率。新型设备在设计上增加了散热功能，可以压缩空气或者其他气体，利用这些气体在工作室内的循环流动，带出热量，避免真空度下降，损坏器件。另外，散出的热量温度很高，要做好散热出口的防护设计。

3.2 程序控制优化设计

该设备在控制方面进行了全面升级，自动化程度更高，具备人机交互功能，可实现远程监控。新控制系统的主要功能是对一些物理量进行采集、分析、反馈。本文采用可编程逻辑控制器（PLC）+触摸屏的方式作为控制核心。利用触摸屏设置工艺参数、显示数据、监控设备状态，以画面的方式来描绘工艺流程，并且触摸屏具备历史曲线及历史报警功能。PLC 通过采集控制数字量、模拟量，并通过以太网、串口等通信方式，实现装置的自动化。

在实现过程中通过优化控制程序，固化封接工艺，对封接温度、封接高压接入程序实现有效的控制，实现一键封接，节省了人力、物力。

以PLC 作为控制中心，通过控制数字量信号阀、真空泵、伺服电机等设备的启动、停止，同时利用模拟量来采集温度、压力信号等，实现对温度以及真空度的控制。控制结构示意如图3 所示。

触摸屏作为人机交互的装置，能够显示设备各个位置的信号信息、报警信息、故障信息提示等。通过人机交互实现封接过程的可视化。同时增加了温度、电压过高的报警保护设备以保障人身安全。

3.3 封接装置优化设计

根据实际的供电情况设计设备的封接电压，选择单相高精度接触式交流调压器将交流220 V 转换成交流2 000 V，再经过整流调节成直流电压。封接装置配有电流表、电压表，方便在封接过程中，观察电流、电压。此外，利用可调电机，调整电极的升降位置及升降速度。

（1）PLC 的高速脉冲控制可以实现步进电机的精确控制，为减少机械上的误差，采用了电机直接驱动调压装置实现精确调压，设置脉冲细分，以提高控制的分辨率，通过程序控制精确计算，将PLC 脉冲转换成电机角度，电机角度调节调压装置，调压装置控制封接电压[4]。利用伺服装置进行高压调节，具体是通过封接高压工艺，结合电压、电流在封接过程中的变化规律（图4），推导自动加压的过程公式，完成自动加压控制。

（2）由于真空系统以热辐射为主要的热量传递方式，DPFJ-IV 型封接机以加热台温度为封接过程的基准。由于硅片等加热不均匀，在工艺需求苛刻的工况下无法满足设计要求，导致温度低进而影响封接质量。为了解决这一难点，需要在硅片与玻璃的表面增加温度检测，使最终的检测温度更加准确，但是这又会导致加热的过程延长。

4 结论

相较于传统的静电封接机，高性能真空静电封接机的性能得到了全方位的提升，自动化程度更高、操作更方便，提高了压阻传感器的生产效率，预期会产生较大的经济效益及社会效益。