摘要
随着半导体和光学器件的快速发展，普通玻璃及光学玻璃的应用逐渐增多，其与金属的相互键合被广泛应用于集成电路制造、电子封装、多功能芯片以及 MEMS 传感器等领域。目前常用的玻璃与金属键合技术包括钎焊、匹配封接、胶接、阳极键合和共晶键合等。其中，共晶键合是一种在玻璃表面涂镀金属层后，与其他金属等异种材料发生冶金反应的键合技术，玻璃与金属可形成欧姆接触，但工序复杂，涂镀金属层与玻璃本体的连接强度可靠性较低。阳极键合是在电场作用下，玻璃内部 O2-与金属反应成键，工艺简单，连接强度较高，但会在非键合面析出钠盐，影响多级晶片的连续键合。受阳极键合启发，本课题探索制备银离子导电玻璃替代阳极键合所使用的硅酸盐玻璃，在电场和温度场的复合作用下，采用与阳极键合相反的电路连接方式，在玻璃键合面形成银金属层，并利用析出银层与其他金属在温度场下发生类似共晶键合的冶金反应，实现玻璃与金属的欧姆连接。而本技术的关键在于探索制备高电导率的银离子导电玻璃，研究键合面Ag+在电场-温度场作用下的析出和生长机制。 本文采用熔融淬火技术，制备了银离子特种导电玻璃，研究银离子含量、成分及制备工艺对电离激活能和电导率的影响规律，明确了高电导率离子导电玻璃的组分及制备方法。通过电/热多物理场模拟与表面原位金属化实验结合的方式，探究了复合场作用下银离子在玻璃基体中的物质输运特征以及在玻璃表面的析出和原位生长机制，明确了温度和电场强度对离子传输及表面析出的影响规律。本文的主要研究内容如下： 采用熔融淬火法探索制备了不同掺硫元素的Ag+导电玻璃，对不同组分导电玻璃样品进行交流电导率分析，结果显示，Ge-Ga-S-AgI玻璃样品室温电导率最高，可达1.33 ×10-7 S/cm，拥有最低的活化能，为 0.41 ev。通过拉曼光谱分析玻璃内部结构特征，得知Ge-Ga-S-AgI玻璃内部的[GeInS4-n] (n=1,2,3)结构单元为 Ag+的高速传输构建了有效的离子通道，使其具备较高的离子电导率。 针对所制备的Ge-Ga-S-AgI玻璃进行表面原位金属化实验，研究“电场-温度场”复合效应下 Ag+输运；分析不同通电电压下的电流特征，建立电流随时间变化的数学模型；研究界面Ag+自由扩散、还原及银枝晶生长规律，观察玻璃表面Ag生长层的枝晶形貌特征和银枝晶“离散-茂盛-堆叠-成片出现”的分布规律，揭示玻璃表面原位金属化机制。 进一步开展导电玻璃表面原位金属化多场耦合数值模拟，得到玻璃在不同通电电压和电导率条件下的表面金属化演变规律。在整个金属化过程中，玻璃中的Ag+浓度分布呈现阳极侧最少，形成Ag+耗尽层，阴极侧积聚，形成Ag金属层的现象。
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