[发明专利]聚合物电解质与金属的超声辅助阳极键合装置及其方法

说明书

本发明公开了一种聚合物电解质与金属的超声辅助阳极键合装置及其方法。该装置包括封装结构、超声波振动连接系统、阳极键合系统以及控制系统。封装结构包括金属中间层和两个柔性聚合物电解层。超声波振动连接系统包括固定架、超声变幅杆、超声波焊头、定位块、加压螺栓、电隔离换能器以及超声波电源。超声波电源电性连接电隔离换能器的另一端，并用于驱使超声波焊头传输超声波至柔性聚合物电解层上，以使金属中间层和柔性聚合物电解层达到超声连接。阳极键合系统包括直流电源，控制系统包括控制器。直流电源用于向封装结构施加预设电压，使金属中间层和柔性聚合物电解层实现键合。本发明能够加强键合强度，提高封装的可靠性，延长器件的使用寿命。

技术领域

本发明涉及器件键合技术领域的一种键合装置，尤其涉及一种聚合物电解质与金属的超声辅助阳极键合装置，还涉及该装置的聚合物电解质与金属的超声辅助阳极键合方法。

背景技术

器件的封装是器件设计与制备中的一个关键环节，决定着器件的稳定性和使用寿命。阳极键合也称静电键合，作为MEMS制造中一种重要的封装技术，是一种利用静电场和温度场的偶合作用，在固体电解质材料与金属的连接界面产生强静电吸附力，通过电解质中碱金属离子的离解和迁移，从而实现界面固态反应连接的一种可靠的清洁型微电子机械封装工艺，其优点是连接温度低、速度快、工艺简单、键合强度高、密封性好，而且可以保证材料的某些性能如光学平面等不受破坏。目前硼硅玻璃与硅的键合工艺已经广泛应用于MEMS器件的生产。

聚合物固体材料是封装柔性微电子器件最理想的封装材料。目前柔性微电子器件封装的材料较多采用聚氧乙烯(PEO)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。其中，聚氧乙烯(PEO)是与碱金属盐络合能力最好、研究最早、应用最广泛的聚合物电解质本体材料。聚氧乙烯作为封装材料应用于阳极键合，其材料本身存在的不足主要有三点：第一，PEO具有极高的结晶度，使得PEO基聚合物电解质常温下离子电导率普遍不高，一般在10^-7～10^-8S/cm；第二，采用现有阳极键合技术进行封装，在强电场作用的下，长时间作用，温度升高，高温下会破坏聚合物材料的稳定性，如高温下聚合物材料软化很容易被压溃，导致聚合物材料击穿；反之，键合电压过低，键合时间过短，离子迁移数较少，容易导致键合强度不足等问题；第三，当聚合物表面粗糙度未达到一定的要求(≥1.5μm)时，键合率和密封性也较低。研究表明，表面不平使得键合面处同时存在着接触部分和未接触部分。接触部分在电场的作用下，形成极化区，最终焊合。然而，未接触部分在电场作用下，电位分布随着缝隙宽度的增加而降低，同时静电引力也随之降低，这使得焊接过程受到抑制而难以焊合，密封性差。

发明内容

为解决现有的键合装置存在键合强度不足，密封性差，键合率低的技术问题，本发明提供一种聚合物电解质与金属的超声辅助阳极键合装置及其方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种聚合物电解质与金属的超声辅助阳极键合装置，其用于对器件进行键合，其包括：

封装结构，其包括金属中间层和两个柔性聚合物电解层；金属中间层布置在所述器件的封装位置上，且两端均为开口端；两个柔性聚合物电解层分别盖在金属中间层的两端上，并与金属中间层围成一个封装腔，所述器件布置在封装腔中；

超声波振动连接系统，其包括固定架、超声变幅杆、超声波焊头、定位块、加压螺栓、电隔离换能器以及超声波电源；超声变幅杆的侧壁固定在固定架上；超声波焊头的一端连接在超声变幅杆的一端上，其中一个柔性聚合物电解层定位在超声波焊头的另一端上；加压螺栓螺接在固定架上，并在转动时抵压在其中另一个柔性聚合物电解层上，使金属中间层和两个柔性聚合物电解层贴合；定位块安装在超声波焊头的另一端上，并用于定位金属中间层；电隔离换能器安装在固定架上，且一端与超声变幅杆的另一端相连；超声波电源电性连接电隔离换能器的另一端，并用于通过电隔离换能器、超声变幅杆驱使超声波焊头传输超声波至柔性聚合物电解层上，以使金属中间层和柔性聚合物电解层达到超声连接；