室温粘接Room Temperature Bonding

将单晶和陶瓷粘在一起
～不需要加热，不需要粘合剂～

概述 什么是室温粘接？

要粘合的物体的表面被抛光，在它们上面沉积一层薄薄的金属膜，当这些表面对齐时，它们可以在瞬间被粘合在一起。该粘合过程可用于粘合金属、半导体、玻璃、 陶瓷和其他任何材料，无论其材料如何。 它被称为 "室温粘合"，因为它可以在室温下进行，而无需提高被粘合材料的温度。
下面的视频显示了石英玻璃片（直径为2，厚度为1毫米）被粘合在一起。只需用镊子轻轻地压住晶圆的中心，晶圆的颜色就会立即向外变化。 这表明沉积在晶圆上的金属薄膜已经集成，晶圆在瞬间就被粘合在一起了。

室温粘结的原理

这一点用前面提到的石英玻璃的例子来解释。首先，在真空中通过溅射将具有良好附着力的钛作为基膜沉积在石英玻璃上， 然后将金沉积在其上面。然后将石英玻璃拿到大气中，让金的表面相互接触。金原子扩散并重新排列成一块，完成了结合过程。

常温键合在键合技术中的地位

如下图所示，接合技术可分为以下几类：熔融接合（焊接），即把物体熔化在一起；液固反应接合，即利用液体和固体之间的反应；固相接合， 即在固体状态下的接合；气相-固体接合，即在气态和固态下的接合。其中，室温结合被定位为固相结合工艺之一。

室温结合的特点

室温粘合在将物体粘合在一起时不需要施加热量。 与传统的热连接方法（如钎焊）相比较。 如下图（a）所示，在钎焊中，将钎料放在材料A和B之间，并加热到钎料熔化的温度。 当材料被冷却到室温时，应力仍留在材料内部。 这是由于材料A和B的线性膨胀系数不同， 而且A和B在加热过程中的膨胀程度和粘合后冷却过程中的收缩程度也不同。 这可能会导致材料的翘曲和开裂。
另一方面，在室温粘接中，如图（b）所示，材料的表面被抛光，在真空室中沉积了一层厚度为纳米级的金属薄膜。 最后，施加定位和压力来完成粘合过程。 由于不需要以这种方式进行加热，接合后的应力极低，从而提高了接合的质量和可靠性。 它通常用于半导体设备的晶圆到晶圆的粘结和光学元件的粘结。

我们室温键合的特点

多年来，我们一直在加工和抛光工业宝石和陶瓷，如红宝石、 蓝宝石、钻石、氧化铝、氧化锆、和石榴石。 例如，在传统产品的组装中，它们被用粘合剂粘合在塑料上，或被钎焊在金属上。 当然，这些粘合方法在某些情况下可能是足够的，但对于某些应用来说，它们可能是有问题的。 比如说、

• 操作温度太高，不能使用粘合剂，因为它们会融化
• 不能使用粘合剂，因为它们是在暴露于高压或化学品的环境中使用的
• 尺寸精度要求极为严格，不能用粘合剂或钎焊来实现
• 嵌入人体，不能使用钎焊，因为钎焊材料对人体有害。

工业珠宝和陶瓷具有非常独特的性能，如出色的耐热、耐压和耐化学性以及生物相容性。 然而，与金属和其他材料不同，组装方法往往是一个令人头痛的问题。
为了解决这个问题，我们与东北大学电气通信研究所的Takehito Shimazu教授进行了联合研究，并引进了最新的室温粘合技术。 这项技术可以通过对要粘合的物体表面进行抛光，在这些表面上沉积一层纳米级厚度的金属薄膜，并将粘合物体的表面重叠起来，从而实现物体的粘合。 我们早就有抛光蓝宝石晶圆的技术。 薄的晶圆可以在一定程度上翘曲，因此只需用镊子按压晶圆，就可以在很小的压力下将其粘合。 另一方面，需要抗压的厚蓝宝石，除了表面抛光技术外，还需要将整体形状压平的技术。 这是因为厚蓝宝石在粘合时不能像晶圆一样被翘起。 通过建立新的压平和抛光技术，我们已经成功地以最小的压力粘接了甚至很厚的蓝宝石。 关于抛光的细节，请参见合同抛光。

室温粘结的优点

常温粘接有许多优点。 比如说、

• 只要保证表面粗糙度和平整度，任何材料都可以接合。
• 具有不同线膨胀系数的不同材料可以被连接。
• 由于不使用粘合剂、O型环、螺钉等，部件的数量可以大大减少。
• 大大增加了设计的自由度、简单性和紧凑性。
• 可以与不能承受高温的材料连接。
• 即使在恶劣的环境下，也有可能创造出一个没有变质部件的结构。
• 在连接前后没有温度变化，所以没有因加热而留下的应力。
• 可以在空气中精确定位和连接。
• 与粘合剂和钎焊材料相比，使用化学性质更稳定的金、钛等材料，具有优越的耐腐蚀性。
• 接合界面是一体化的，没有空隙，具有良好的气密性。
• 可用于真空容器、物理和化学设备等领域，在这些领域中，粘合剂成分的洗脱可能是一个问题。
• 粘合后可使用有机溶剂进行清洗。

还有很多潜在的优势是我们还没有想到的。

预期的应用

各种视窗 法兰式蓝宝石视窗 紫外线和红外线透射窗
传感器盖 观察单元 水晶阵列 珠宝、高端手表和其他各种外部零件

此外，使用薄膜的新功能部件和积极使用金属薄膜的新光学部件也值得期待。 我们可以处理从原型开始的一切，所以请随时与我们联系。 为什么不给你的想法以形状？

案例研究

使用蓝宝石管观察液体

通过在室温下粘合不锈钢和蓝宝石 ，我们开发了一种高压电池，可以在压力下观察液体和气体的流动。

传统的

• 设计复杂，有许多部件，由不锈钢部件、蓝宝石管、O型环、螺栓和不锈钢与蓝宝石之间的连接部件组成。
• 蓝宝石管和不锈钢之间的缝隙会改变流量，使其无法观察到管道中流体的原始状态。

改进实例

• 通过与耐压玻璃工业有限公司的合作，利用特殊技术开发了一种能够观察液体、气体和其他物质在压力下流动的高压电池。 通过在室温下直接连接观察部分和管道而不使用O型环进行密封，实现了不干扰流动的紧凑的管道可视化组件。 咬合规格使其能够安装在现有管道中。
• 可见部分使用具有良好的耐化学性的蓝宝石，使其能够用于观察各种液体和气体。
• 不锈钢配件和蓝宝石可见部分的连接。
• 最大工作压力：20兆帕。
• 最高工作温度：100℃。
• 外部尺寸：20毫米（外径）×120毫米（长度）。
• 蓝宝石管尺寸：外径Φ20 mm x 内径Φ4 mm*。
• 可见尺寸：长度20毫米**。
• 材料：蓝宝石，SUS316

*蓝宝石管内径请咨询我们。
**可见的长度可以生产到50毫米。

接合事例

サファイア＋金属

(a) サファイア直径φ15mm-厚さ6mm、ステンレス外径φ24mm-内径φ5mm-厚さ4mm
(b) サファイア直径φ15mm-厚さ6mm、タンタル直径φ20mm-厚さ3mm

サファイア＋アルミニウム

金属薄膜の成分調整により、色合いを変化させられます。サファイア30mm□-厚さ0.4mm, アルミニウム30mm□-厚さ0.5mm。(b)のみサファイア厚さ0.04mmです。アルミニウムに貼り付けたまま、サファイアを極薄に研磨しています。 アルミニウムに貼り付けることでサファイアを補強し、極薄の研磨が可能となります。

サファイア＋ジルコニア

セラミックス同士の接合も可能です。サファイア直径φ33mm-厚さ0.5mm, ジルコニア直径φ20mm-厚さ0.7mm。

蓝宝石镜片+超级英瓦

蓝宝石视窗+不锈钢管件

蓝宝石视窗+蓝宝石

也可连接成奇特的形状。板材直径φ36毫米-厚度1.2毫米，环形外径φ32毫米-内径φ29.5毫米-厚度2毫米。

显微结构

粘合特性

粘合界面的横断面观察

原有的金-金界面（原始表面）已经被粘合过程消除了，可以看到金是一体化的。 虽然钛被沉积为基膜，但蓝宝石、钛、金和不锈钢界面之间没有缝隙，表明粘合状态良好。

参考文献：M. Ishii, H. Kon, M. Uomoto, T. Nakaya, and T. Shimatsu, "Room Temperature Bonding of Sapphire with Sapphire or Metal Substrates in Air using Au Films 使用Au薄膜"，第四届 IEEE国际三维集成低温键合研讨会（2014）。

粘合界面的横截面观察

制作了一个真空设备的视窗，其蓝宝石视窗粘结在铝制法兰上，并对其气密性进行了评估 ；在开始喷氦之后，泄漏量没有增加，并保持在1.3 x 10-11 Pa-m3/sec的参考值以下，从而确保了良好的气密性。
参考文献：Ishii, Ima, Uomoto, Nakatani, Shimazu, "Formation of sapphire viewports for ultra-high vacuum by room temperature bonding technique in air using Au thin film", Proceedings of the 29th Spring Conference of the Institute of Electronics Packaging, pp.197-198（2015）。