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

本发明专利技术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。本发明专利技术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

A low temperature anodic bonding method for polymer elastomer and metal sheet

【技术实现步骤摘要】
一种用于聚合物弹性体和金属片的低温阳极键合方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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)本专利技术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，所以本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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为本专利技术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为本专利技术实施例1的阳极键合断面扫描图；图3为本专利技术实施例2的阳极键合断面扫描图；图4为本专利技术实施例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专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。请参本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/nS1：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；/nS2：原料表面活化处理：/nS21：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；/nS22：将表面清洗后的金属片浸在30～50℃的NH

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘翠荣，赵浩成，阴旭，孟庆森，杜超，赵为刚，孟员员，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：山西;14