Au-Si共晶扩散连接单晶硅接头的微观组织和性能研究.pdf

学兔兔 第十五次全国焊接学术会议论文 r曙掳 Au．Si共晶扩散连接单晶硅接头的 微观组织和性能研究 西北工业大学摩擦焊接陕西省重点实验室(西安市 710072) 孙兵兵 李京龙 籍成宗 熊江涛 张赋升 摘要 采用直接共晶和预共晶连接两种方法，对块体单晶硅扩散连接进行试验研究。结果表明：单品硅接头 界面主要由残留Au层、桥状硅和微孔组成。试验中微孑L是个难以避免的缺陷，但随着连接温度升高，微孑L数量会 减少，即焊合率会增大。预共品连接能有效地阻止微孑L的产生，700℃时预共晶连接焊合率达87％，而直接共晶连 接仅57％。‘预共晶连接接头抗拉强度较直接共晶连接低。 为预共晶连接主要存Au层发生断裂，故预共晶连接 的残留Au层是个弱结合。直接共品连接残余Au层很薄，平均厚度不足0．34 m，断裂主要发生存AL·一si界面E 关键词： Au—Si共晶 单晶硅 扩散连接 中图分类号： TG456．9 向性，在直接共晶长时间加热时，会在界面留下蚀坑， 0 前 言 而降低界面焊合率；Au—Si共晶体发生二次共晶时，所 单晶硅具有准金属物理特性，显著的半导电性和 需保温时间应该会减小，故si表面预共晶连接是提高 稳定的化学性能，因此在集成电路封装、微机电系统以 界面焊合率的一个方法。 及复杂光学结构制造等领域取得了广泛地应用 。但 因此，文中选用Au箔做中间层开展块体单晶硅的 是由于单晶硅性能硬而脆，机械加工非常难，限制了其 扩散连接的工艺研究，采用直接共品和预共晶连接相 在复杂结构中的应用，因此实现单晶硅的可靠连接有 比较的方法，研究单晶硅连接接头微观组织形貌和力 着重要的工程意义。目前单晶硅连接的研究主要集中 学性能以及预共品连接提高界面焊合率的机理，为块 在硅片键合上 (wafer—bonding)，硅片共晶键合温 体单晶硅扩散连接提供工艺理论基础。 度一般在400℃左右，而由于尺度效应会导致不同的 1 试验材料与方法 界面反应 J，使得块体单晶硅的连接有着可能不同于 硅片键合的工艺条件和界面组织形貌。例如，李亚江 选用尺寸为 28 mln×2 1xlm的单品硅作为连接材 等人 和谢军等人 分别研究了毫米级和微米级Cu／ 料，连接面为(111)晶面。Au箔厚度为4 m和8 m，纯 Al的扩散连接，得出对于同样的接头，毫米级Cu／A1所 度为99．9％(质量分数)。采用直接共晶连接和预共品 需的连接温度比微米级升高了270 c《=，可见块体单晶 连接来实现单晶硅的扩散连接。连接前，首先要对Si连 硅连接的工艺参数可能会高于硅片键合。Au．si共晶 接表面进行清理先用细砂纸对表面稍加打磨后，在HF 具有温度低、连接强度可靠等优点，已成为实现单晶硅 溶液(浓度 10％)酸洗3 min，而后丙酮超声波清洗 连接的主要研究方向 …。 2 min，以减轻si表面氧化膜对扩散连接过程的不利影 Au和si互不相溶，且不生成化合物，它们之间的 响。直接共品连接的过程为：在经过处理的两块单晶 结合除少量共格晶粒外，基本上属于物理结合；共晶液 硅间直接添加8 m的Au箔，然后将其放入真空扩散 相中的si冷却析出时，si基体上部分区域发生外延生 炉(FJK一