激光透射连接硅与玻璃的工艺研究及数值模拟

摘要

在MEMS产品的应用过程中，硅与玻璃是最广泛的组合材料，二者间的局部连接和封装在MEMS制造过程中占据十分重要的地位。激光透射连接硅与玻璃作为一项新型连接技术，已经成为当前MEMS封装领域的一个研究热点。本文选择单晶硅硅片与高硼硅玻璃3.3作为连接实验材料。采用DOE实验设计进行科学实验并与有限元模拟相结合的方法，对激光透射连接525um单晶硅硅片与1mm高硼硅玻璃3.3玻璃片的连接工艺进行了系统的研究。
　　 首先，使用Nd∶YAG脉冲激光器通过实验对激光透射连接硅与玻璃的熔池进行了研究，研究了主要工艺参数（功率、扫描速度及离焦量）对熔池几何要素（熔深、熔宽及深宽比）的单因素及多因素交互式影响，分析了激光能量密度对激光透射连接硅与玻璃熔池成形的影响，并量化了激光能量密度与熔池几何要素之间的关系，得到了深宽比与剪切强度的匹配曲线。结果表明，当激光能量密度大于8J/mm时，深宽比趋于平稳，当深宽比达到0.25时，其剪切强度达到最大值，激光能量密度对熔池成形及连接质量有着较为显著的作用，激光透射连接硅与玻璃的熔池对连接质量有着重要的影响。
　　 其次，使用Nd∶YAG脉冲激光器对硅与玻璃进行了激光透射连接的工艺参数优化实验。通过对分法确定了激光透射连接硅与玻璃之间合理的工艺参数范围。采用旋转中心复合设计进行实验规划，使用响应曲面法建立了激光透射连接工艺参数与剪切强度、熔宽及熔深的数学模型，进行了方差分析、实验模型的验证，讨论了激光透射连接工艺参数对剪切强度、熔宽及熔深的交互影响趋势。运用满意度函数对工艺参数进行数值优化与图解优化，并对优化结果进行验证。结果表明，所建立的模型能够较好地反映各响应与工艺参数之间的关系，优化的预测结果与验证实验的结果较为吻合。这对提高连接质量和降低生产成本具有很好的指导意义。
　　 最后，采用有限元分析软件ANSYS建立了激光透射连接硅与玻璃的三维热传导模型，通过参数化程序设计语言(APDL)编程实现了超高斯热源的动态加载，获得了透射连接过程中温度场的分布，分析了主要工艺参数（功率、扫描速度及离焦量）对温度场的影响，分析得到不同工艺参数组合对熔宽及熔深的影响。将模拟结果与实验结果进行对比，发现二者趋势较为吻合，证明了ANSYS软件热分析模块应用于激光透射连接硅与玻璃温度场模拟的可靠性，为有限元法进行激光透射连接工艺参数优化奠定了良好的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 硅与玻璃的传统连接方法及优缺点

1．2．1 阳极键合硅与玻璃

1．2．2 热键合硅与玻璃

1．2．3 粘接键合硅与玻璃

1．3 激光透射连接硅与玻璃

1．3．1 激光透射连接的基本原理

1．3．2 激光透射连接硅与玻璃的基本原理

1．3．3 激光透射连接硅与玻璃的优缺点

1．4 国内外激光透射连接硅与玻璃的研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．4．3 存在的主要问题

1．5 课题研究意义及主要内容

1．5．1 课题研究意义

1．5．2 主要研究内容及方法

1．5．3 课题来源

第二章 实验设备与实验材料

2．1 实验设备

2．1．1 Nd：YAG固体脉冲激光焊接机

2．1．2 激光切割机

2．1．3 基恩士电子显微镜

2．1．4 微机控制电子万能试验机

2．1．5 数控超声波清洗器

2．1．6 自动金相镶嵌机

2．1．7 金相全自动试样切割

2．2 实验材料

2．2．1 材料特性

2．2．2 实验材料制备

2．2．3 实验材料清洗

2．3 本章小结

第三章 激光透射连接硅与玻璃的熔池研究

3．1 激光透射连接硅与玻璃熔池实验

3．1．1 实验装置与材料

3．1．2 连接过程

3．2 熔池成形与微观形貌

3．3 工艺参数对熔池成形的影响

3．4 激光能量密度及其对熔池成形的影响

3．4．1 激光能量密度

3．4．2 激光能量密度对熔池成形的影响

3．5 深宽比对剪切强度的影响

3．6 本章小结

第四章 激光透射连接硅与玻璃的工艺参数优化研究

4．1 连接工艺实验

4．1．1 实验设计方法

4．1．2 实验装置与材料

4．1．3 实验设计过程

4．1．4 实验结果与分析

4．2 基于DOE的连接工艺数学模型建立与分析

4．2．1 分析方法

4．2．2 连接工艺数学模型与分析

4．2．3 连接工艺数学模型的验证

4．2．4 工艺参数对连接质量的影响

4．3 工艺参数优化

4．3．1 工艺参数优化方法基础

4．3．2 数值优化

4．3．3 图解优化

4．3．4 优化结果验证

4．4 本章小结

第五章 激光透射连接硅与玻璃的温度场有限元模拟

5．1 激光透射连接温度场模拟有限元理论

5．1．1 有限元求解法

5．1．2 激光透射连接的有限元热传导理论

5．1．3 激光透射连接温度场热传导的有限元求解

5．2 ANSYS软件及激光透射连接硅与玻璃的温度场模拟过程

5．2．1 ANSYS及其热分析概述

5．2．2 前处理

5．2．3 分析计算

5．2．4 后处理

5．3 温度场的模拟结果与分析

5．3．1 温度场的变化规律

5．3．2 功率对温度场的影响

5．3．3 离焦量对温度场的影响

5．3．4 扫描速度对温度场的影响

5．3．5 温度场有限元模拟结果与实验结果对比分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢