成都駿創(chuàng)科技有限公司 李有亮 周 亮 奉洛陽(yáng)

本文采用溶液共混法，制備了一種靜電吸附設(shè)備的高分子介電層，研究了在高分子環(huán)氧樹(shù)脂中摻雜不同質(zhì)量比的陶瓷粉（Al2O3）納米微粒（10～30 nm）對(duì)介電層吸附力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：高分子介電層的體電阻與陶瓷納米顆粒在環(huán)氧中的摻雜比成反比關(guān)系，并且當(dāng)摻雜比為30%時(shí)，所制作得到的高分子介電層靜電吸附力滿足吸附要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果解決了靜電吸附設(shè)備中采用高分子作為介電層的組分配比，為國(guó)內(nèi)靜電吸附設(shè)備的研發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論研究。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)在國(guó)內(nèi)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)品模組貼合工藝是產(chǎn)品整體出貨良率的最關(guān)鍵一環(huán)，尤其是隨著面板顯示行業(yè)進(jìn)入OLED（有機(jī)發(fā)光顯示）時(shí)代，柔性O(shè)LED顯示面板的可隨意彎折性為顯示終端產(chǎn)品的形態(tài)帶來(lái)各種各樣的可能，然而在柔性產(chǎn)品模組貼合工藝中柔性貼合的困難則愈發(fā)突出，傳統(tǒng)地貼合技術(shù)，多采用機(jī)械加持、真空吸附和3D貼合技術(shù)。但是傳統(tǒng)地貼合技術(shù)在進(jìn)行柔性貼合時(shí)總伴隨有機(jī)械劃傷、吸附氣泡和表面缺陷等各種不良，造成產(chǎn)品出貨良率低。

靜電吸附技術(shù)已在芯片制造過(guò)程中得到廣泛的應(yīng)用，其制作流程多采用高純度的陶瓷粉漿在SPS（等離子體高溫?zé)Y(jié)技術(shù)）中整體燒結(jié)成型，其產(chǎn)生高壓靜電的介電層采用陶瓷粉體，陶瓷的表面打磨以后可滿足晶圓制造搬送過(guò)程中對(duì)表面的平坦度的要求（要求10 um以下），然而這種靜電吸盤(pán)由于制作工藝難度很高，造假昂貴，維修困難。故國(guó)外在柔性貼合的過(guò)程中，開(kāi)始研發(fā)使用一種新的靜電吸附設(shè)備，此技術(shù)的介電層采用高分子環(huán)氧膠，制作工藝方便，便于保養(yǎng)，易于維修。且產(chǎn)生的靜電吸附力均勻，在保證與產(chǎn)品接觸面平坦度情況下，不會(huì)產(chǎn)生被吸附產(chǎn)品的表面不良，是替代傳統(tǒng)吸附技術(shù)的主要手段。國(guó)外已有設(shè)備使用于柔性貼合，且其技術(shù)被壟斷。對(duì)于高分子環(huán)氧介電層的配比組分和制作工藝目前國(guó)內(nèi)的研究仍是空白，在國(guó)際期刊上，由于技術(shù)保密，對(duì)其相關(guān)的報(bào)道也寥寥無(wú)幾。

鑒于此，本文通過(guò)溶液共混法，制的了采用環(huán)氧樹(shù)脂摻雜陶瓷粉納米微粒的高分子介電層，通過(guò)對(duì)不同組份高分子介電層在高壓下產(chǎn)生的靜電吸附力的研究，結(jié)果表明陶瓷粉摻雜比為30%時(shí)，得到的高分子介電層靜電吸附力滿足吸附要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果解決了靜電吸附設(shè)備中采用高分子作為介電層的組分配比，得出了高分子介電層制作的工藝流程，為國(guó)內(nèi)靜電吸附設(shè)備的研發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

雙酚環(huán)氧A、B清水膠，其中A為主體膠，B為固化劑，Al2O3納米陶瓷粉顆粒，粒徑10～20 nm，純度99.99%；硅烷偶聯(lián)劑KH560；99.99%酒精；PTFE銅濕刻電極。

1.2 高分子介電層樣品制備

（1）濕法改性納米Al2O3。稱取一定量的納米Al2O3粉體，按照硅烷偶聯(lián)劑占比納米Al2O3粉體的質(zhì)量0.5%計(jì)算出硅烷偶聯(lián)劑的用量，將納米Al2O3粉體放入三口燒瓶中，倒入一定量的無(wú)水乙醇，充分搖勻后，用試劑管吸取定量的硅烷偶聯(lián)劑滴入三口燒瓶，充分搖勻后，將混和液體倒入超聲波攪拌機(jī)振蕩反應(yīng)1hr，得到濕法改性的納米Al2O3粉體溶液。

（2）制備Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂的混合液。在三口燒瓶中加入一定量的環(huán)氧清水A膠，在將一定量的濕法改性后的Al2O3粉體溶液加入三口燒瓶，將所得混合液在超聲波攪拌機(jī)中混合攪拌1hr。

（3）制備高分子介電層。制備高分子介電層前，需對(duì)PTFE的銅濕刻電極表面進(jìn)行清洗，采用無(wú)水乙醇進(jìn)行擦拭干凈后，在高溫爐中烘烤2 hr，除去表面的吸附的水分，然后在真空腔中抽真空至10-2 pa，持續(xù)兩個(gè)小時(shí)，徹底將電極表面的異物和水分去除干凈，防止在后續(xù)的通電過(guò)程中，由于異物和水分導(dǎo)致的正負(fù)電極間高壓擊穿。在制備得到的Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂的混合液中加入清水環(huán)氧B膠（固化劑）后在超聲波攪拌機(jī)中攪拌1 hr，將所得到的液體在真空腔室中抽真空1 hr，真空度10-2 pa。用除濕機(jī)將室內(nèi)濕度維持在30%以下。將抽真空完成后的混合液體均勻的涂敷在PTFE銅電極上，在干燥的環(huán)境中固化48hr后，得到邊長(zhǎng)為5mm的正方形靜電吸附片，稱固化在電極上的涂層為高分子介電層，其是在高電壓下產(chǎn)生靜電吸附的主要部件。

2 性能測(cè)試

測(cè)試條件：電極輸入高壓1000 V，測(cè)試環(huán)境：大氣，濕度30%，溫度：室溫。測(cè)試裝置主要是由三部分阻成：1）高壓供電裝置；2）靜電吸附片承載機(jī)臺(tái)；3）吸附力測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)將靜電吸附片放置在承載機(jī)臺(tái)上，通過(guò)高壓供電裝置輸入1000V直流高壓到靜電吸附片，通過(guò)機(jī)械臂控制CG蓋板（一種柔性屏保護(hù)蓋板）的上下運(yùn)動(dòng)。靜電吸附模型是在靜電吸附片上，靜電吸附片中介電層在外加高電場(chǎng)作用下，自由電荷在表面聚集。被吸附物體與介電層相接觸的表面形成電性相反的感應(yīng)電荷，形成正負(fù)電荷的表面吸引，產(chǎn)生靜電吸附力。將CG蓋板壓在介電層表面后，靜電吸附力將CG吸附在介電層表面，通過(guò)機(jī)械臂將CG提升的過(guò)程中，拉力感應(yīng)傳感器會(huì)測(cè)出靜電吸附力的大小。

3 結(jié)果與討論

3.1 高分子介電層的體電組率

環(huán)氧樹(shù)脂中摻雜陶瓷粉顆粒形成復(fù)合材料國(guó)內(nèi)外已研究多年，復(fù)合的體電阻隨著陶瓷摻雜比的升高而降低，表1是不同Al2O3摻雜比下的Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂高分子介電層的體積電阻率，可以看出滿足隨著摻雜組份的比例升高體電阻率下降的關(guān)系，其原理是：摻雜的陶瓷顆粒形成島嶼，并向外形成輻射的導(dǎo)電通道，多個(gè)島嶼的導(dǎo)電通道相連，形成了高分子介電層中電子的移動(dòng)路徑，導(dǎo)致體電阻降低。

根據(jù)靜電吸附理論，靜電吸附力主要分為庫(kù)侖力（Coulomb）和J-R力，庫(kù)侖力模型認(rèn)為電介質(zhì)層為理想的絕緣體，其內(nèi)沒(méi)有可以自由移動(dòng)的自由電荷，形成吸附力的主要原因是在表面形成的束縛電荷。實(shí)際情況下，電解質(zhì)層表面與被吸附物體的背面都不是理想的平面，有不同的粗糙度，在通直流高壓后，許多帶電的雜質(zhì)離子會(huì)聚集在電介質(zhì)層的表面體電阻值越小，加壓時(shí)間越長(zhǎng)，帶電粒子遷移得越快。這樣在非接觸面的小空洞里面形成了很強(qiáng)的電場(chǎng)，電介質(zhì)的體電阻值越大，其可自由移動(dòng)的帶電粒子越少，庫(kù)侖力越明顯；反之，J-R力越明顯。庫(kù)侖力由于非常小難以在實(shí)際中穩(wěn)定使用，故目前的靜電吸盤(pán)設(shè)計(jì)考慮J-R力，所以體電阻越小，電介質(zhì)層產(chǎn)生的靜電吸附力越大。但體電阻越小，電介質(zhì)層能夠承受的擊穿電壓越小，在1000 V高壓下容易造成介質(zhì)擊穿。工業(yè)上以0.01 mA的漏電流作為靜電吸盤(pán)擊穿的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)純電阻電路理論：I=U/R，當(dāng)電壓U=1000 V時(shí)，若要求電流低于0.01 mA，則R需大于108Ω以上，考慮環(huán)境的水分和粉塵會(huì)使電介質(zhì)層的電阻變小，故實(shí)際體電阻的設(shè)計(jì)值應(yīng)大于109 Ω。

表1 不同摻雜比下的介電層體電阻率

表2 不同摻雜比下的介電層吸附力

如表1所示：環(huán)氧中不摻雜陶瓷粉顆粒時(shí)，純環(huán)氧固化后的體電阻為5.2×1014 Ω，在陶瓷粉摻雜比較低時(shí)（＜30%）時(shí)，介電層的體電組隨著摻雜比的增多出現(xiàn)兩個(gè)數(shù)量級(jí)的減小，摻雜比繼續(xù)增大，體電阻對(duì)摻雜比的敏感性減弱，且30%的陶瓷粉摻雜比使得高分子電解質(zhì)層的體電阻為5.1×109 Ω，滿足實(shí)際使用需求。

3.2 介電層吸附力測(cè)試

如表2所示：陶瓷粉摻雜在環(huán)氧中制作而成的高分子電介質(zhì)層的吸附力與摻雜比成正比關(guān)系，不摻雜陶瓷粉的純環(huán)氧作為電介質(zhì)層時(shí)，其產(chǎn)生的吸附力主要是純庫(kù)侖力，吸附力很弱。隨著摻雜比不斷的上升，吸附力由庫(kù)侖力向J-R力轉(zhuǎn)變，吸附力不斷增強(qiáng)。當(dāng)Al2O3摻雜比到50%時(shí)，高分子的環(huán)氧介電層被靜電擊穿，出現(xiàn)0.02 mA的漏電流，符合純電阻電路的電流定律。

綜上所述：

由以上測(cè)試可以看出：隨摻雜比的增大，吸附力的大小隨之增大。將所得的結(jié)果與J-R力模型的模擬值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示，在定性分析上，理論值和實(shí)測(cè)值的趨勢(shì)完全吻合。

4 結(jié)論

（1）在環(huán)氧中摻雜Al2O3納米顆粒形成的高分子復(fù)合材料，可以作為靜電吸附設(shè)備的電介質(zhì)層，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法詳細(xì)論述了電介質(zhì)層的制作工藝，為靜電吸附設(shè)備的關(guān)鍵部件提供制作方向和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

（2）陶瓷粉摻雜在環(huán)氧中制作而成的高分子電介質(zhì)層的吸附力與摻雜比成正比關(guān)系，隨著摻雜比不斷的上升，吸附力由庫(kù)侖力向J-R力轉(zhuǎn)變，吸附力不斷增強(qiáng)。當(dāng)Al2O3摻雜比到50%時(shí)，高分子的環(huán)氧介電層被靜電擊穿，出現(xiàn)0.02 mA的漏電流，符合純電阻電路的電流定律。

（3）適量的納米Al2O3摻雜可以提高環(huán)氧高分子介電層的吸附力，其中在納米Al2O3摻雜質(zhì)量比為30%，復(fù)合高分子電介質(zhì)層的吸附力已滿足實(shí)際工業(yè)的使用要求，且在1000 V的高直流電壓下不會(huì)產(chǎn)生靜電擊穿。