一種基于金錫共晶的石英鍵合方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石英結構間的鍵合技術，具體涉及一種基于金錫共晶的石英鍵合方法。
技術背景
[0002]石英晶體是一種重要的壓電材料，可廣泛應用于通訊、慣性導航、自動控制、電子手表等各軍民用領域。石英壓電器件的基本工作原理是基于石英晶體的壓電效應，并將加速度、角速度等力學量轉換成電學信號加以檢測。為了實現石英壓電器件的工作原理，通常需要將多層結構的石英組件組合在一起，形成石英敏感結構組件，是敏感力學量的關鍵組成部分。多層石英敏感結構件要求各零層部件在特定部位相互連接，以確保力的傳導連續有效，從而保證石英壓電器件的整體性能。
[0003]目前多層石英敏感結構的連接工藝一般采用膠粘接鍵合，即選用合適的膠體作為連接劑，膠體固化后將各層零部件連接起來。膠粘接鍵合工藝簡單，容易實施，但存在以下問題:①不論是采用手動涂膠還是機械涂膠，都無法保證膠體覆蓋的均勻性；②未固化前膠體流動性大，膠量控制困難，容易將膠涂覆到待鍵合區域外；③鍵合后膠體內部容易殘留氣泡，影響鍵合效果。

【發明內容】

[0004]發明目的
[0005]本發明的目的在于提供一種基于金錫共晶的石英鍵合方法，能實現石英振敏感結構件之間的鍵合加工，并且達到如下指標要求:金錫焊料圖形加工尺寸誤差控制在±3μπι以內，焊料圖形厚度相對誤差不超過3%，焊料層厚度均勻性優于±3%，撓性支撐的厚度控制在±3 μπι以內且對稱性優于5% ;鍵合對準誤差不超過±5 μπι ;鍵合后剪切強度高于2MPa0
[0006]技術方案
[0007]本發明是一種基于金錫共晶的石英鍵合方法，其中，包括以下步驟:
[0008]準備步驟:準備待鍵合的兩側零部件之一、中間零部件、兩側零部件之二，在兩側零部件之一、兩側零部件之二與中間零部件的基片外框上事先加工好對應的鍵合對準圖形標記；
[0009]清洗步驟:對兩側零部件之一、中間零部件、兩側零部件之二的石英表面進行清洗處理；
[0010]沉積薄膜的步驟:對兩側零部件之一依次沉積Cr/Au薄膜，并對中間零部件對應于兩側零部件之一的一側依次沉積Cr/Au/Sn/Au薄膜，Cr/Au薄膜厚度為10?20nm ；Sn/Au薄膜整體厚度為1.5?2 μ m，且Au: Sn薄膜的厚度比例為3:2 ;或者，對兩側零部件之一依次沉積Ti/Au薄膜，并對中間零部件對應于兩側零部件之一的一側依次沉積Ti/Au/Sn/Au薄膜，Ti/Au薄膜厚度為160?200nm ；Sn/Au薄膜整體厚度為1.5?2 μm，且Au:Sn薄膜的厚度比例為3:2 ;
[0011]然后，對兩側零部件之二依次沉積Cr/Au薄膜，并對中間零部件對應于兩側零部件之二的另一側依次沉積Cr/Au/Sn/Au薄膜，Cr/Au薄膜厚度為10?20nm ；Sn/Au薄膜整體厚度為1.5?2 μπι，且Au:Sn薄膜的厚度比例為3:2 ;或者，對兩側零部件之二依次沉積Ti/Au薄膜，并對中間零部件對應于兩側零部件之之二的另一側依次沉積Ti/Au/Sn/Au薄膜，Ti/Au薄膜厚度為160?200nm ；Sn/Au薄膜整體厚度為1.5?2 μ m，且Au: Sn薄膜的厚度比例為3:2 ;
[0012]熱壓鍵合的步驟:在對準臺上將中間零部件與兩側零部件之一進行對準，并進行熱壓鍵合，然后在對準臺上將中間零部件的另一側與兩側零部件之二對準并熱壓鍵合。
[0013]如上所述的一種基于金錫共晶的石英鍵合方法，其中，在沉積薄膜步驟中，采用電子束蒸發方式進行沉積。
[0014]如上所述的一種基于金錫共晶的石英鍵合方法，其中，在沉積薄膜的步驟中，在對于中間零部件進行沉積時，進行如下步驟:
[0015]首先，制作石英遮擋片，遮擋片中鏤空圖形區域為待鍵合區域，且遮擋片基片外框上包含與中間零部件基片外框對應的遮擋對準標記圖形；
[0016]然后，在石英遮擋片上涂覆可以后期去除的膠體，利用對準標記在對準臺上將石英遮擋片和中間零部件進行對準，并貼合壓緊、烘干使膠體固化；
[0017]然后，對中間零部件進行薄膜沉積；
[0018]然后，將石英遮擋片和中間零部件浸入去膠溶液中使其分離并烘干。
[0019]如上所述的一種基于金錫共晶的石英鍵合方法，其中，熱壓鍵合的步驟中，具體工藝為??溫度300?3°C，壓力0.2?2Mpa，時間15?30min。
[0020]有益效果
[0021]本發明的效果在于:
[0022]1.實現了焊料層組份比例的精確控制
[0023]通過選擇合理沉積工藝參數，穩定沉積速率，金錫焊料層14厚度相對誤差控制在3%以內，焊料層14厚度均勻性優于±3%。
[0024]2.實現了圖形化焊料的精密加工
[0025](I)加工出了具有精確鏤空結構以及減薄區域的石英遮擋片50，鏤空尺寸精度控制在±1 μπι ;
[0026](2)利用該遮擋片50通過電子束蒸發垂直沉積的方式獲得了焊料薄膜14，薄膜圖形尺寸加工誤差在± 3 μ m以內。
[0027]3.能實現石英敏感結構件的精密對準
[0028]利用預先設計的各零部件基片外框上對準標記a、b，在對準臺上利用光學顯微鏡進行精密對準，并自動找平貼合，鍵合對準誤差優于± 5 μ m。
【附圖說明】
[0029]圖1為某三層石英敏感結構組成示意圖；
[0030]圖2為某三層石英敏感結構鍵合及焊料層14組成示意圖；
[0031]圖3為兩側零部件之一 11和中間零部件12基片外框上鍵合對準標記示意圖；
[0032]圖4為具有減薄結構的石英遮擋片50加工流程示意圖；
[0033]圖5為利用石英遮擋片50和電子束蒸發加工金錫焊料薄膜14的示意圖。
[0034]圖中:11.兩側零部件之一 ；12.中間零部件；13.兩側零部件之二 ；14.鍵合連接劑；10.鍵合對I ;20.鍵合對2 ；31.兩側零部件之一 11、兩側零部件之二 13上Cr薄膜；32.兩側零部件之一 11、兩側零部件之二 13上Au薄膜；41.中間零部件12上Cr薄膜；42.中間零部件12上Sn薄膜；43.中間零部件12上第一層Au薄膜；44.中間零部件12上第二層Au薄膜；50.石英遮擋板；60.臨時粘接膠；a.兩側零部件之一 11、兩側零部件之二13上的鍵合對準標記；b.中間零部件12上的鍵合對準標記。
【具體實施方式】
[0035]以下，結合附圖和【具體實施方式】，對本發明做進一步的說明。
[0036]本發明提出一種基于金錫共晶的石英間鍵合方法，能夠現有技術的問題。
[0037]以三層石英敏感結構為例，多層石英敏感結構的鍵合方法可以以其類推。三層石英敏感結構采用兩兩鍵合的方式即先將兩側零部件之一 11與中間零部件12鍵合成對，再在其上鍵合兩側零部件之二 13 ;鍵合連接劑采用分層式金錫共晶焊料14，根據TLP原理，采用多層交替沉積金錫薄膜的方式制備共晶焊料層14。
[0038]本發明主要針對Au-Sn-Au的三層共晶焊料，焊料層整體厚度為1.5?2 μ m，且精確控制Au:Sn薄膜的總厚度比例為3:2，并以Cr膜或Ti膜打底；整個焊料層14加工在中間零部件12兩側，兩側零部件之一 11、兩側零部件之二 13對應區域僅加工Cr/Au薄膜。
[0039]圖1所示的為某三層石英敏感結構組成示意圖，顯示了兩側零部件之一 11、兩側零部件之二 13與中間零部件12的相對位置；其中兩側零部件之一 11和中間零部件12組成鍵合對10，兩側零部件之二 13和中間零部件12組成鍵合對20。圖2所示的為某三層石英敏感結構鍵合及焊料示意圖，其中11、13為兩側零部件，12為中間零部件，31為兩側零部件之一 11、兩側零部件之二 13上Cr薄膜，32為兩側零部件之一 11、兩側零部件之二 13上Au薄膜，41為中間零部件12上Cr薄膜，42為中間零部件12上Sn薄膜，43為中間零部件12上第一層Au薄膜，44為中間零部件12上第二層Au薄膜。
[0040]石英敏感結構的鍵合焊料采用遮擋沉積的工藝加工，鍵合采用熱壓鍵合的工藝進行，其工藝存在如下難點:
[0041]1.焊料層組份比例精確控制
[0042]根據Au-Sn 二元共晶相圖，一般使用Au80Sn20的共晶相，即金錫焊料中Au質量占80%，Sn質量占20%，其共晶溫度為278°C。為了得到金錫質量比為8:2的焊料薄膜，焊料加工時需對Au、Sn膜層厚度及密度進行精確控制。如薄膜沉積工藝合理，Au、Sn薄膜密度接近于各自材料體密度，那么共晶成份的Au/Sn所需要的厚度比為:
[0043]ffAu:WSn= 8:2 = P AuVAu: PsnVsn= P AuLAu: PsnLsn
[0044]式中，W為質量，P為材料體密度，L為膜層厚度；其中Pau為19.3，P %為7.3，代入上式，得到金錫膜層厚度比為:
[0045]LAu: Lsn = 1.513 ^ 1.5。
[0046]因此，為了實現焊料層組份比例的精確控制，難度在于:一是合理優化Au/Sn薄膜沉積工藝，