低温玻璃封接具有工艺简单、性能优良、封接强度高、密封效果好等优点，尤其是大批量作业使成本太大降低，是静电封接无法比拟的因此，在满足稳定性和可靠性的条件下，采用低温玻璃封接具有可观的经济效益。然而长期以来，低温玻璃封接的主要问题是烧结层引人应力过大，造成器件的整体性能变坏。

1，材料（选取具有典型应用意义的若干中材料和配方进行试验）

选择玻璃浆料时满足以下几点要求1：

(1)热膨胀系数与基底材料匹配；

(2)封接温度应低于基板材料的耐热极限温度；

(3)浆料与基板及芯片有良好的浸润性。

实验中采用硅或者玻璃为基板材料。考虑到Al布线，选择的玻璃焊料的封接温度应低于550度(Al—Si共熔点577度)。对于非晶低熔点玻璃，屈服温度低，但其膨胀系数很高，不能与芯片匹配，形成良好封接。结晶性焊料玻璃在耐热性、强度、电性能等方面比非品质焊料玻璃优越，且和组成与之类似的玻璃相比，热膨胀系数低2。

1.1 选Fern公司提供的玻璃浆料，这是一种非晶态厚膜玻璃，封接温度约为450℃，热膨胀系数90×10-7/℃(与Si 26×10-7/℃以及Pyrex7740玻璃33×l0-7/℃接近)．并且该玻璃浆料与si及玻璃基板均有良好的浸润性。利用扫描电镜上的x一射线能谱仪对玻璃浆料进行得出各组分的百分比MgO：6.59wt％；A12O3：29.76wt％；SiO2：43．67wt％；PbO ：19.09wt％；Zn0：0.88wt％。

评：预烧温度400℃，封接温度500℃时，实验测得的漏率值均为10-8量级，漏率检测合格率达85％，符合要求。强度平均为15kg。

1.2 参考ZnO一B2O3一PbO三元系相图,选出一种结晶性焊料玻璃。其屈服温度为460℃，膨胀系数为a=70×10-7/℃与硅a= 25×10-7/℃比较接近，并且该焊料与玻璃基座有良好的浸润性。将分析纯玻璃原料按一定重量比配料，在高温炉内900℃熔化，待熔化均匀澄清后，倒蒸馏水中急冷淬火，再经研磨得到焊料玻璃粉。

图1 ZnO一B2O3一PbO系玻璃形成区及热膨胀系数（10-7/℃）

(1)过渡层的引人大大降低了封接应力，器件整体性能良好；

(2)该工艺成本低廉，有一定的市场竞争力；

(3)封接温度仍嫌太高，需进一步降低到0℃以下

评：对芯片封接完成的半成品进行封接强度测试，可达7 MPa，进行耐水性检测，

水煮2h无变化。经室温到150℃迅速温度冲击10次，封接处无异常现象。经计算热灵敏度漂移：0.107％FS/℃；热零点漂移：0.27％FS／℃。但烧结温度仍然偏高，为530℃。

1.3 结晶性玻璃熔点比凝固点高，耐热性强度比非晶质玻璃优越，且热膨胀系数小更接近于硅。这样，在PbO-ZnO-BO三元相图中选出一种结晶性焊料玻璃。其晶相有ZnO·BO，PbO·ZnO·B2O3，2PbO·ZnO·B2O3等。其中还可加入少量A12O3、SiO2、CuO、SnO2、TiO2、BaO、V2O5、PO以改善封接性能。可以看出，增加PbO有利于降低软化点T，但线膨胀系数增加。BO取代PbO，软化点升高。用ZnO取代BO可使α和T 同时降低。一般来说，软化点越低。线膨胀系数越大。同时兼顾这两个指标及玻璃焊料的耐水性，取PbO：ZnO：BO =58：18：24( wt))。其膨胀系数7×10-7/K，与硅的2.6×10-7/K比较接近。而且实践证明，该玻璃焊料与基座101#玻璃有良好的浸润性。

评：封接强度可达7MPa，与上述1.2配方相比，其可靠性和稳定性有所提高，

但问题同上，封接温度仍偏高，为530℃。

1.4 Ferro公司生产的11-036sealingglass。玻璃焊料的CTE为90×10-7/℃，而所用的基板玻璃的e丁E为33×10-7/℃，盖板硅片的TCE为26×10-7/℃。通过对玻璃浆料进行荧光分析，可得到EXD能谱图，并根据该图计算出各组分的百分比。

表1 玻璃浆料成分组成

烧结温度越高，键合后的剪切力越大。烧结温度为400℃和425℃时，剪切力较小，分别为7.7kg和9.9kg，没有达到相关标准的要求。当烧结温度为450℃时，剪切力平均值为14.6kg，己能满足相关标准的要求。480℃的烧结温度下剪切力相对于450℃时增加不大，因此认为450℃是一个比较合适的温度。

注：其只指出剪应力大小，未直接提供强度。按照面积为1cm×1cm计算，其强度为1.46MPa。优势是温度较低。

1.5 实验所选用的玻璃浆料为DIEMAT 公司提供的DM2700。该玻璃浆料与Si及玻璃基板均有良好的浸润性, 其封接温度为320~370℃, 热膨胀系数为7.710-6/℃, Si 热膨胀系数为2.6 ×10-6 /℃，玻璃热膨胀系数为3.3×10-6 /℃。经测量, 烧结温度在350及其以上时, 键合后可以得到较高的键合强度, 剪切强度平均值为363 kPa; 但是在350以下时,剪切强度较低。实验样品的漏率检测上限值应为10×10-9Pam3/ s。根据实验所得, 在30个测试样品中, 有两个样品的测试结果不合格。是键合采用预烧结温度250 , 烧结温度350 , 键合压力20 kPa时, 封装器件仍具有较高的剪切强度（363 kPa）, 键合界面均匀、完整、无空洞, 气密性检测合格率达到93.33%。

3 压力传感器芯片键合用低温玻璃焊料的研制

4 低温玻璃浆料在MEMS气密封装中的应用研究

5 MEMS 器件封装的低温玻璃浆料键合工艺研究

评：最大优势是封接温度远远低于其他材料。但存在明显不足，就是剪切强度偏小，未达到MPa级别。

1.6 DM2700P sealing glass paste is designed to hermetically seal low thermal expansion

materials such as silicon, alumina, Kovar, and borosilicate and soda lime glasses at

temperatures as low as 320℃. DM2700P paste can be screen-printed, stencil-printed or

dispensed. It is glazed to the substrate at 350℃. DM2700P is supplied ready to use.

1.7 An alumina (96% of Al2O3 , Rubalit 708S, CeramTecAG, Marktrendwitz, Germany)

sheet of 1-mm thick-ness was used as the substrate material. SCHOTT solder glass

G017-393 in the form of frit (with an average particle size of 10 μm) was used as ?ller

material. The solder glass-frit paste wasprepared by mixing an appropriate amount of

the glass frit with a solution containing 80% (in volume) of terpineol and 20% (by

volume) of styrene.

Results show that the bonding strength of thebonded joints is mainly governed by the

Bonding temperature, bonding time, and surface roughness.Density and spreading area

of the glass-frit layer play important roles in bonding strength.The appropriate

combination of density and spreading area can produce optimum bonding strength.

注：1，文章提到的强度使用的是断裂力的大小，而不是用压强表示。提到的平均的断裂力大小为2kN，如果按照有效接触面积为1cm×1cm计算（一般不会大于此面积），那么其强度可达到20MPa，还是相当可观的。2，文章提到了不同表面处理对于表面粗糙度，浸润角和强度的影响，讨论了键合时间，键合温度，键合压力对与键合强度的影响。可作为提高键合性能的有效参考。

2，工艺（典型的工艺流程和工艺参数的影响）

2.1 预烧结工艺对键合质量的影响

2.2 烧结温度对键台强度的影响

2.3 键合气氛对键合强度的影响

2.4 压力对键合强度的影响

3，设备（指出应有的玻璃粉制作和键合设备，并指出如何实现之）

4，评价（指出加速度计和压力计应用背景下的关键性能参数以及测试设备）（详细见华中科技大学微系统研究中心编《MEMS 圆片级气密封装工艺规范(试行)》，其中包括测试方法，测试程序，测试设备，测试内容，测试指标等）

4.1 键合界面空洞检测

4.2 气密性检测

4.3 键合强度测试

4.4 温度循环测试

4.5 热冲击测试

4.6 应力测试

4.7 SEM 微观分析

6 DM2700P/H848 LOW TEMPERATURE SEALING GLASS PASTE

7 Ceramics Bonding Using Solder Glass Frit

8 MEMS 圆片级气密封装工艺规范(试行)