（光学工程专业论文）室温红外探测阵列的真空封装研究.pdf

室温红外探测阵列的真空 学科：光学工程 研究生签字：夺尊锋 指导教师签字： 于两晏 室温红外探测器阵列的真空封装是制作红外探测器的重要环节和关键技术，它也是红 外探测器研究的难点和热点。 本文主要对室温红外探测器阵列的真空封装和封装后腔体真空度测量两方面内容作 了研究。 首先，介绍了m e m s 真空封装的发展现状，提出了真空封装结构和实现方案。对实 现真空封装的几种常用键合方法进行了分析比较，选取了使用非光敏苯并环丁烯( b c b ) 的粘接剂键合实现真空封装，并根据粘接剂键合的一般工艺流程，对b c b 旋涂厚度、b c b 图形化、b c b 固化温度曲线及键合时施加的压力进行了详细的研究。 、 其次，在m e m s 器件真空封装内部真空度测试中，提出了以晶振作为传感器对封装 腔体内部真空度进行测量，并设计了一套基于晶振传感的真空度测量系统。该系统根据音 叉型石英晶振谐振时阻抗与周围压强的关系制作而成。将音叉型石英晶振作为陪片直接封 装在m e m s 真空封装的壳体中，采用直接数字频率合成器( d d s ) 作为信号源激励石英品 振，利用相位幅度比较电路比较石英晶体两端信号的相位差和幅度比并输出相应的电压信 号，经过a d 转换后送至单片机，经过处理和标定后用于测量和监控m e m s 封装内部的 真空度。 通过研究，解决了室温红外探测阵列的封装问题，完成了石英晶振真空计的测量电路 设计与标定，该真空计可实现2 1 0 0 p a 压强范围的测量，测量精度约为1 0 。能满足全 自动、实时的在线测量要求。 关键词：真空封装；键合；苯并环丁烯；石英晶振；直接数字频率合成技术； r e s e a r c ho nv a c u u mp a c k a g i n gf o rr o o mt e m p e r a t u r e i n f r a r e dd e t e c t o r d i s c i p l i n e ：o p t i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 办“删奄棚 a b s t r a c t v a c u u m p a c k a g i n gf o rr o o mt e m p e r a t u r ei n f r a r e dd e t e c t o ri sa l li m p o r t a n ta s p e c t a n da k e yt e c h n o l o g yo f i n f r a r e dd e t e c t o r sm a n u f a c t u r e ，a l s oi ti st h ed i f f i c u l ta n dh o t p o i n to fr e s e a r c h t h et h e s i sf o c u s e so nv a c u u mp a c k a g i n go fr o o mt e m p e r a t u r ei n f r a r e dd e t e c t o r a n dm e a s u r e m e n to fv a c u u md e g r e ea f t e rp a c k a g i n g f i r s to fa l l ，d e v e l o p m e n to fm e m sv a c u u mp a c k a g i n gw a si n t r o d u c e d ，v a c u u m p a c k a g i n gs t r u c t u r ea n di t sr e a l i z a t i o nw e r ep u tf o r w a r d b a s i cb o n d i n gm e t h o d su s e d i nv a c u u mp a c k a g i n gw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a n du l t i m a t e l ya d h e s i v eb o n d i n g u s i n gn o n p h o t o c o n d u c t i v eb e n z o - c y c l o b u t e n ep o l y m e r ( b c b ) w a ss e l e c t e d t o r e a l i z ev a c u u mp a c k a g i n g b c bs p i n c o a t i n gt h i c k n e s s ，b c bg r a p h i c a l ，b c bc u r i n g t e m p e r a t u r ec u r v ea n dp r e s s u r ef o r c e di nb o n d i n gw e r es t u d i e d s e c o n d l y , i no r d e rt om e a s u r et h ev a c u u md e g r e eo fv a c u u mp a c k a g e dm e m s d e v i c e s ，c r y s t a lo s c i l l a t o rh a sb e e nu s e da st h es e n s o rt om e a s u r et h ev a c u u md e g r e e t h i ss y s t e mi sb a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei m p e d a n c eo ft u n i n gf o r kt y p e q u a r t zc r y s t a lr e s o n a t o ra n dt h ep r e s s u r e at u n i n gf o r kq u a r t zc r y s t a lw a sa d o p ta sa s e n s o rf o rv a c u u md e g r e em e a s u r e m e n t ，w h i c hi si n t e g r a t e di n t ot h ei n t e r n a lv a c u u m c a v i t yo fm e m sp a c k a g ea n di se x c i t e db yas o u r c et h a ti sc o m p o s e do fd i r e c td i g i t a l s y n t h e s i z e r ( d d s ) p h a s ea n da m p l i t u d ec o m p a r i s o nc i r c u i t sa r eu s e dt oc o m p a r et h e p h a s ea n da m p l i t u d eo ft h es i g n a lf r o mb o t he n d so ft h eq u a r t zc r y s t a la n do u t p u t c o r r e s p o n d i n gv o l t a g es i g n a l t h e nt h es i g n a li ss e n tt oas i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r a f t e ra dc o n v e r s i o n ，w h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r ea n dm o n i t o rt h ev a c u u md e g r e e o ft h ei n t e r n a lc a v i t yo ft h em e m sp a c k a g ea f t e rp r o c e s s i n ga n dc a l i b r a t i o n t h r o u g hr e s e a r c h , v a c u u mp a c k a g i n gf o rr o o mt e m p e r a t u r ei n f r a r e dd e t e c t i o n a r r a yw a ss o l v e d aq u a r t zc r y s t a lo s c i l l a t o rv a c u u mg a u g ew a sd e s i g n e da n d c a l i b r a t e d t h ev a c u u m g a u g e c a l lr e a l i z et h e s c o p eo f2 1o o p ap r e s s u r e m e a s u r e m e n t ，i t sm e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sa b o u t10 t h i ss y s t e mi sa b l et om e e t f u l l ya u t o m a t e d ，r e a l t i m eo n l i n em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：v a c u u mp a c k a g i n 舀b o n d i n g ，b e n z o c y c l o b u t e n e ，d i r e c td i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i s ，q u a r t zc r y s t a l 2 2 1 石英晶振真空检测原理1 1 2 2 2 真空度检测系统13 2 3 本章小结1 5 3 封装工艺研究1 6 3 1b c b 旋涂厚度1 7 3 2b c b 胶的图形化1 8 3 3b c b 固化曲线1 9 3 4 键合强度表征1 9 3 5 硅片的通孔腐蚀2 0 3 6m g o 掩模层的制备2 3 3 7 本章小结2 4 4 硬件电路设计2 5 4 1 控制单元2 5 4 2 直接数字频率合成器2 6 4 2 1d d s 原理2 6 4 2 2d d s 芯片a d 9 8 5 0 2 7 4 2 3 低通滤波器3 0 4 3 幅值相位检测3 0 4 3 1 幅值检测电路31 4 3 2a d 转换电路3 3 4 4 稳压电源设计3 3 4 5 晶振的标定及系统测量误差3 5 4 6 本章小结3 6 5 软件设计3 7 5 1 频率控制字传输程序3 7 5 2 读取a d 转换程序3 8 5 3 比较子程序3 8 6 结论3 9 参考文献4 1 攻读硕士学位期间发表的论文一4 4 致谢4 5 学位论文知识产权声明4 6 学位论文独创性声明4 7 1 绪论 1 绪论 1 1m e m s 概述 m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 即微电子机械系统【l 】，是采用微机械n - ) - 技术批量地制作集微结构、微传感器、微执行器及信号处理电路、接口、通信等于一体的 微器件或系统。它可以完成物理信号和电学信号之间的相互转换，实现信号的取样、处理 和执行的集成。m e m s 是微电子、机械、材料、传感器、化学等多学科交叉的产物。 m e m s 的快速发展与相关的微加工制造技术的进步是密不可分的。m e m s 微加工技 术是在基于硅的微) ) h - r 方法上发展起来的，它除了运用传统i c 二维结构制作技术外，还 使用复杂的微) ) h - r 技术，选择性的腐蚀掉部分硅片或加入新结构层，形成三维结构。现在 比较成熟的微加工工艺主要有以下四种：( 1 ) 体微机械加工，其中的关键技术包括各向同 性和各向异性刻蚀；( 2 ) 表面微机械加工，主要工艺包括干法刻蚀、湿法刻蚀和薄膜沉积 工艺；( 3 ) 晶片键合技术；( 4 ) 高深宽比微加工技术，主要包括l i g a 技术、反应离子刻 蚀等。这些先进的微加工技术极大推动了m e m s 技术的的飞速发展。 预计在2 1 世纪初期，m e m s 技术将会得到更大的发展，各种新型的结构和功能性器 件将不断涌现出来。m e m s 将会对人类社会的发展产生深远的影响。 1 2m e m s 封装技术 经过数十年的研究发展，m e m s 的设计与制造工艺已逐步成熟，但大量m e m s 器件 仍未能走出实验室，实现市场化、产业化，充分发挥其潜在的应用，其主要原因在于m e m s 封装技术 2 】没有得到有效的解决。即使对于已经成功投入到市场的m e m s 器件，较高的 封装成本也限制了整个产品成本的降低和市场拓宽。 据国外统计表明，m e m s 的封装成本【3 】约占整个m e m s 产品成本的7 0 - 9 0 ，之 所以会出现这种情况，主要原因在于m e m s 器件的复杂性。不同与已形成标准封装规范 的i c 封装，m e m s 系统是由多种材料组成，含有三维结构和可动组件，并且常常要应用 于各种恶劣环境下，这些复杂的结构和应用环境对封装技术提出了很高的要求【4 j 。 1 ) 真空封装。m e m s 通常包括可动部分，如微型泵、微型阀、微电机、微齿轮等等， 为了保证这些可动组件的运动自如，需要采用真空封装【5 1 ，从而减小摩擦，降低运动过程 中的能量消耗，保证可动部件能够长期有效的工作。 2 ) 有效保护。m e m s 器件通常为一种易损器件，为了避免器件在存储、运输和工作 时由于振动、灰尘、热和机械冲击等物理损坏，常常需要制作机械支撑来保护器件。另外 对于一些具有特殊功能的m e m s 器件需要有用于定位的机械支撑点，如加速度传感器。 m e m s 中的敏感元件和一些核心元件需要与外界环境接触，这会在设计和封装时引入新 两安t 业人学工程硕十学位论文 的技术问题。例如，用于探测气体的微传感器是要暴露在高温、腐蚀性的环境中，这要求 对芯片要进行恰当的保护；用于人体的微生物传感器要求封装材料除了不受人体环境的影 响外，还不能对人体细胞有伤害。 3 ) 合适的i o 接口。m e m s 器件种类多样，功能各异，如光学传感器，生物传感器， 微流体器件等等，这要求针对不同m e m s 器件的功能和应用设计合适的i o 接口实现与 外界的通信。 4 ) 高气密性。一些m e m s 器件，如陀螺仪，只有在稳定的气密性条件下才能长期有 效的工作。为了解决稳定气密性的要求，通常采用高气密性封装来实现。有的m e m s 器 件要求封装气密性达到1 1 0 - 1 2 p a m 3 s 。 5 ) 低应力。较高的应力会损坏m e m s 器件中微纳米尺寸级的部件，如：、深槽、悬 臂梁、微镜等，因此要求后续封装工艺引入的应力应尽可能的小。 最近几年，国外m e m s 封装技术发展迅速【6 】，出现了多种新颖的封装方法。大多数 研究都集中在特殊应用的不同封装工艺上，但也开发了一些较通用、完善的封装设计。按 照封装层次的不同，这些封装方法可分为三个封装级别。 圆片级封装【7 】， 8 】( w a f 打l e v e lp a c k a g i n g ) ：通过键合带有微结构的晶片与另一经腐蚀 形成空腔的晶片实现封装，这可以避免微结构在划片时的损坏，并且可以实现器件的真空 或气密性封装，有效的减少器件的磨损，显著地提高器件的性能。 单芯片级封装【9 】( s i n g l ec h i pp a c k a g i n g ) ：对一集成有微结构和微电路的衬底衬底进 行密封，使其成为一可供实际应用的完整系统，尺寸小，内部互连长度短，电气特性好， 输入输出接点密度高。 多芯片模块封装( m u l t i c h i pp a c k a g i n g ) 和系统级封装( s y s t e mp a c k a g i n g ) ：将许多 不同的器件与电子器件封装在一个模块中，成为一个小型智能系统。 目前，国内m e m s 封装技术还比较落后，跟不上m e m s 芯片研究，因此必须重视 和积极发展m e m s 封装技术，尽快开发低成本、高性能的封装方法，否则它将制约m e m s 的产业化发展和价值链形成。 1 2 1m e m s 气密性封装中的键合技术 m e m s 技术作为制造技术的前沿，具有划时代的地位和意义。但当前m e m s 器件多 是由多种材料组成，含有三维结构和可动组件，并且常常要应用于高温、腐蚀性的环境下， 所以m e m s 器件往往需要工作在密闭环境中，这要求对器件进行气密性封装。气密性封 装可以显著提高可动组件的长期可靠性以及整个m e m s 系统的性能。 真空密封好坏对器件性能有重要的影响，甚至决定着器件能否正常工作。例如：红外 传感器中，封装的高真空有利于减小气体热传导，提高探测器的敏感度；真空电容压力传 感器中真空腔【1 0 】的真空度决定了它的灵敏度，提高真空度，可有效减少空气阻尼，增加 传感器的动态响应；谐振传感器在高真空下，由于空气阻尼的减小，可以得到较高的品质 因子【1 1 】；对于真空场发射传感器，封装真空条件对其起着决定性的作用。我们主要从两 2 1 绪论 个方面判断真空密封的好坏：一是封装后腔体的真空度；二是泄漏速度。同时由于真空封 装占m e m s 器件成本的大部分，因此在进行封装时应在保证器件性能的前提下，应尽可 能的简化结构，降低成本，提高封装工艺的可靠性。 随着m e m s 加工技术的不断发展，各种m e m s 器件不断涌现，键合技术在m e m s 中得到了广泛的应用。键合技术是指把相同或不同的衬底，相同或不同的元件及衬底和元 件通过机械作用( 有时通过电作用) 永久的连结成一体。键合技术在m e m s 器件中有着重 要的作用，一方面可以对微结构的起到支撑作用，另一方面可以实现不同功能结构的连接。 如图1 1 所示，按照是否使用中间介质层材料，键合技术可分为无介质层的键合技术和有 介质层的键合技术。前者主要包括阳极键合技术和硅硅直接键合技术，后者主要包括粘结 剂键合技术、共晶键合技术和玻璃浆料键合技术等。随着键合技术的发展成熟，键合技术 已被广泛的应用于众多的m e m s 器件中。下面将对各种键合技术做简略介绍。 图1 1 圆片键合技术的分类 1 ) 硅硅键合技术 硅硅键合即硅熔融键合( s f b ) 1 2 】，它可以在没有辅助玻璃层的情况下实现两个硅片的 键合。硅硅键合是通过范德华力或化学键使两硅片相互吸引达到键合要求，这要求两个两 硅片待键合表面非常平坦、清洁，并且晶片表面需紧密接触。一般的硅硅键合需在1 1 0 0 1 2 0 0 。c 的条件下才能完成，并且需加压。作为一种化学键合，表面处理对键合起着关 键作用，清洁的室内环境非常重要，直径为l u m 的颗粒物就可以产生l c m 的不黏结区域， 只有表面粗糙度在纳米级的磨光晶片才能形成可靠的晶片黏结。 2 ) 阳极键合技术 阳极键合技术又叫静电键合技术【1 3 】，该技术是w a l l i s 和p o m e r a n t z 在9 6 9 发明的。静 电键合具有键合工艺简单、键合强度高、残余应力小，键合界面具有良好的气密性和长期 稳定性等优点，广泛应用于微电子技术和m e m s 技术等领域。 键合基本工艺为：将清洗过的平整硅片与玻璃片叠放在一起，将其加热至3 0 0 , - - 4 0 0 。c ， 并通过探针施加5 0 0 。1 0 0 0 v 的静电偏压，数分钟后即可实现紧密键合。硅一玻璃阳极键合 3 西安工业大学工程硕士学位论文 主要通过外加一定的温度和电场，使玻璃中的钠离子在强电场的作用向负极方向移动，从 而在玻璃靠近硅的一面形成带负电的耗尽层，玻璃和硅片之间的静电引力将它们紧密地吸 合在了一起。并且在高的温度下，紧密接触的硅、玻璃界面将会发生化学反应，形成牢固 的化学键，如s i o 键，使硅、玻璃界面形成良好的结合。这种方法要求键合表面粗糙度 应低于5 0 n m ，而且硅片和玻璃片的厚度也将对键合质量产生很大的影响，厚度越大，键 合强度就越差。为了能形成可靠的黏结，要求两个键合表面有比较匹配的平整度和热膨胀 系数。 硅玻璃阳极键合作为一种有效的键合方式也存在其不足，首先键合过程是在高电压 下进行的，这可能造成m e m s 器件中的可动组件粘到玻璃上，导致器件失效；同时高温 高电压会改变半导体材料的特性( 硅的导电性在1 2 5 以上时随温度逐渐增强) ，从而影响 整个器件的性能。 3 ) 共晶键合技术 共晶键合【1 4 】，【1 5 】是利用共晶合金的熔融温度较低的特点( 如a u ( 8 1 ) s i ( 1 9 ) 合金共 晶温度为3 6 3 ，比纯硅或纯金得熔点低得多) ，将其作为中间介质层，在较低的加热温 度下，通过合金的熔融完成共晶键合。两种能形成合金的金属在共晶温度时相互接触，经 过相互扩散后便可在两金属界面间形成液相合金，随着时问的延长，液相层的厚度会不断 增加，在冷却时，液相层会交替地析出两种金属，每种金属以自己的原始固相为基础长大、 结晶析出，在两金属间形成共晶合金，两种金属通过共晶合金紧密的结合在一起。为了实 现稳定可靠的键合，需要防止键合时键合面的污染和氧化，所以共晶键合一般在惰性气体 或真空环境中进行。常用的共晶键合【1 6 】包括a u s i 、a u s n 、s n b i 、p b s n 、s n i n 等。 4 ) 粘结剂键合技术 粘结剂键合【17 】， 他l q - 艺已被广泛地应用于微电子和m e m s 封装领域，相较于其他键合 工艺，粘结剂键合工艺具有以下优点：键合工艺简单，键合温度低，残余应力小，键合强 度高，可实现不同材料之间的键合，成本低。 粘结剂的键合机理比较复杂，它依赖于粘合剂的种类。一般来说，键合主要是通过高 分子之间的范德华力实现的。较低的键合温度和残余应力是粘结剂键合的主要优点，其处 理温度大约为1 5 0 。该键合的一般工艺为：先在衬底上均匀地涂覆粘结剂，在键合机上 实现两待键合晶片的对准、接触，并施加一定的压力，再利用热处理或紫外线处理实现粘 结剂的固化，完成键合。 但是由于粘结剂一般为有机材料，其水汽渗透率比较高，无法得到高气密性的键合， 所以多用于无气密性要求的m e m s 封装中。并且，随着环境湿度、温度的变化和时间的 推移，粘合剂的性能会随之发生变化，其键合强度会逐渐降低，这种比较差的热稳定性会 引起器件性能发生漂移，这大大地限制了它在m e m s 中的应用。 目前常用的粘结剂都是有机粘结剂，其中聚合物b c b 1 9 】应用最广泛，聚合物b c b 在 键合过程中不会释放气体，键合强度高，对酸碱有较好抗腐蚀性，聚合物b c b 还可通过 4 i 绪论 光刻或干法刻蚀实现图形化，满足光学器件及r f 器件的封装要求。a j o r d a n i 等使用b c b 作为键合材料，成功地实现了测辐射热计的气密性封装。 5 ) 玻璃浆料键合技术 玻璃浆料【2 0 】， 2 1 】由多种元素的氧化物组成，最初的玻璃浆料主要用于金属或陶瓷外壳 与衬底间的连接，目前已被广泛地应用到m e m s 真空封装中，其封装原理如图1 2 所示。 通常所采用的玻璃浆料的主要成分为b 2 0 3 、z n o 和p b o ，p b o 和b 2 0 3 的共晶熔融温度在 4 9 0 。c ( 8 7 5 p b o 1 2 5 b 2 0 3 ) ，通过加入z n o ，a 1 2 0 3 及s i o 等，可以使熔融温度降到 4 5 0 以下。 匿圈口- 盖板玻璃浆料衬底 图1 2 玻璃浆料封装原理图 玻璃浆料键合时，首先通过丝网印刷将玻璃浆料印刷到衬底硅片上，制作出密封图形， 然后放入炉中在4 0 0 。c 左右进行预烧结，其目的是使玻璃浆料中的有机溶剂得到充分的挥 发；最后升高炉内温度至4 5 0 ，保持1 0 分钟，并施加一定的压力进行烧结。根据不同 的玻璃浆料成分、印刷线宽、厚度等条件，需要对烧结温度和时间进行调节。 玻璃浆料与硅片间可以实现高强度键合和良好的密封性。但为了获得好的键合效果， 要求键合区的宽度在2 0 0 um 以上，而且使用丝网印刷也无法继续减小键合区的宽度，这 大大提高了封装成本。如何达到两者间的平衡，已成为制约玻璃浆料键合发展的一个重要 因素。 1 2 2 真空封装 m e m s 是在传统i c 上发展起来的，所以m e m s 封装技术是和i c 封装紧密相关的， 但是由于m e m s 器件结构、功能的多样性及使用环境的复杂性，他又与i c 封装有这非常 大的区别，常常采用特殊的封装技术和工艺。m e m s 真空封装就是其中一种重要的封装 方式，它是通过封装形成高气密性真空环境的密封腔体的封装技术，使m e m s 器件中的 可动组件工作于真空环境下，极大地提高了这些m e m s 器件的品质因子【2 2 】。如m e m s 谐振器，在大气环境下其品质因子约为2 0 4 0 ，但是当将它置于1 0 。5 p a 的高真空环境下时， 5 西安工业大学t 程硕士学位论文 其品质因子可达到5 0 0 0 。随着m e m s 技术的不断发展，需要进行真空封装的m e m s 器 件将越来越多，如微陀螺仪、微谐振器、薄膜压力传感器、真空场发射器、射频m e m s 元件以及红外探测器等机械、电子和光学传感器。 传统的真空封装技术最早出现于在电子技术革命的早期，如电子真空灯泡。但是在 m e m s 封装中很难直接利用传统的真空封装技术。m e m s 真空封装面临的主要困难在于 结构的微型化、材料特性的微小变化以及微小的泄露等。这些将对m e m s 器件的性能产 生严重的影响。 目前，国内外都积极发展研究m e m s 真空封装技术，许多研究人员都提出了他们针 对特定m e m s 器件的真空封装工艺，列举如下： y ut c h e n g 、w a nt a ih s u 等提出了一种基于a u s i 与玻璃在真空条件下通过局部加热 方式实现键合的封装方法，封装后微谐振器的品质因子q 值可达到2 5 0 0 ，腔体内的真空 度为3 3 3 p a ，可保持6 9 周。 y it a o 、a j a ye m a l s h e 、w i l l i a md b r o w n 等采用激光回流焊的方式，在真空度为o 1 p a 时，使用金一锡作为焊料成功实现了硅片焊料硅片的焊接。这种方法可以在较低的温度下 实现真空封装，可用于器件级和圆片级的真空封装。 b y e u n 哲e u ll e e 、s e o n h os e o k l 、k u 均i nc h u n l 采用硅玻璃阳极键合实现了真空封装， 并在真空腔体中加入t i 吸气剂来保持真空度。 c s p r e m a c h a n d r a n 、s cc h o n g 、c h a it c 、m ki y e r 采用焊料焊接完成取热辐射计与 g e 窗间的键合，完成了瓜热辐射计的真空封装，并使用了吸气剂。 b r i a nh s t a r k 、k h a l i ln a a f 提出了一种通过电镀n i 进行圆片级封装的真空封装方法， 电镀n i 层的厚度为5 0 um ，密封腔体的真空度能够达到2 0 0 p a 。密封腔体较小，横截面 为8 0 0um x8 0 0 | lm 。 a j o r d a i 等使用b c b ( 粘接剂键合) 作为键合材料，成功地实现了测辐射热仪的气密 性封装。 d o u 西a sr s p a r k s 、s m a s s o u d a n s a r i 、n a d e rn a j a f 进行了器件级的真空封装研究试验， 他们采用圆片键合技术对微谐振器实现了真空封装，并使用纳米吸气剂有效的保持腔体内 的真空度，使微谐振器的品质因子达到2 1 0 0 0 。 上海微系统所程许薇、朱锐、迎军等人应用真空物理和气体吸附脱附等的相关理论， 结合典型m e m s 真空封装工艺，建立了封装腔体的真空度与气体吸附和解吸、气体的渗 透、材料的蒸汽压、气体通过小孔的流动等的数学模型，确定了其数值模拟算法，并对一 具体的封装工艺进行了计算。实现了对m e m s 器件真空封装工艺的参数化建模与模拟。 中国电子科技集团第十三研究所邵崇俭、李军、张丽华等经过对m e m s 封装技术的 攻关研究，实现了发挥微机械陀螺仪器件性能所需的真空封帽技术及真空度检测技术的突 破，使器件的品质因子提高了近1 0 倍。 m e m s 的真空封装受到越来越多的重视，各种封装方法不断涌现，采用键合的方法 6 1 绪论 不仅可得到较高的腔体真空度和较高的键合强度，还可以实现器件级和圆片级的真空封 装，并且通过使用吸气荆2 3 1 可以获得长时间的保真空能力。因此，目前主要将键合方法 作为研究的重点。但是，由于键合过程所带来的高温、应力等问题，加上m e m s 芯片本 身十分柔弱，使得整个封装工艺变得非常复杂。目前，在国内外，m e m s 真空封装的理 论、工艺和设备等都还不成熟，存在诸多不足，如何进一步地提高真空封装的可靠性、降 低封装成本、形成比较可行的工艺规范，还需要进行更进一步的研究。 1 3 本文研究的意义 热电探测器是将辐射能转换为热能，然后再将热能转换为电能的器件2 4 1 。显然，输 出的形成先后需要经历两个阶段：第一阶段是将辐射能转换为热能( 即入射辐射所引起的 温升) ，这是每个热电探测器都要经历的阶段，这是共性。第二阶段是将热能转换为电能， 这是个性，随不同器件而异。 设入射辐射的功率为形= p 脚，则探测器件吸收辐射后每秒产生的热量为口p 似， 其中口为吸收率。探测器吸收辐射后，其温度发生变化t = t o + t ，由热传导辐射引起 的单位时间减少的热量为一g t ( 即外界热变换的损失率) ，其中g 为热导。由于热探 测器的热能变化率为单位施加热能的产生率( 即单位时间热敏材料内能的增加量) 加上外 界热变换的损失率，则 c n d ( a t ) + g a t ：口wp 脚(11)o 式中c o 为热容，g 为热导，热导主要包括三部分：由辐射变换引起的热导、探测器 通过支撑腿耦合给临近热沉的热传导和气体传导损失引起的热导。 若热电探测器封装在压力为p 的管壳中，则由气体引起的热传导【2 5 】为： g g a $ = 等+ 等卜 2 ， 其中， 蜓= 纠篇( 警+ p 1 3 ) 式中，d 为分子直径；l 为器件单元至所考虑表面的距离；n a 为阿伏加德罗常数；m 为相对分子量；l s 为器件至芯片的距离；l w 为器件至窗口距离。图1 3 所示为气压对热 传导的影响。 7 西安t 业人学工程硕十学位论文 l o ， 1 ， 一 澎 乓 曲 气压1 3 3 p a 图1 3 气压对热传导的影响 由上述分析可知，为了有效地减小气体热导g 鼬 最好将器件封装在真空管壳内。 对探测器进行真空封装，可有效地降低探测单元由于气体热传导引起的热损失，提 高探测器的响应。 目前，在m e m s 器件真空封装内部真空度测试中 2 6 ， 2 7 1 ，还没有实时、有效的的测量 方法对真空封装腔体的封装真空度进行检测，为此，我们开发了一种以石英晶振作为压强 敏感单元测量腔体内真空度的硬件电路和相关软件。根据音叉型石英晶振谐振时阻抗与周 围压强的对应关系，我们将石英晶振作为贴片直接放入真空封装腔体中对封装腔体真空度 进行检测，通过测量电路检测晶振的谐振阻抗实现对真空度的实时测量，该系统可实现全 自动、实时的真空测量要求。 1 4 本文主要的研究工作 室温红外探测器阵列的真空封装是制作红外探测器的重要环节和关键技术，它也是 红外探测器研究的难点和热点。 本文主要对室温红外探测器阵列的真空封装和封装后腔体真空度测量两方面内容作 了研究。 首先，介绍了m e m s 真空封装的发展现状，提出了真空封装结构和实现方案。对实 现真空封装的几种常用键合方法进行了分析比较，选取了非光敏苯并环丁烯( b c b ) 的粘 结剂键合实现真空封装【2 引，并根据粘接剂键合的一般工艺流程，对b c b 旋涂厚度、b c b 图形化、b c b 固化温度曲线及键合时施加的压力进行了详细的研究。 其次，在m e m s 器件真空封装内部真空度测试中，提出了以晶振作为传感器对封装 腔体内部真空度进行测量，并设计了基于晶振传感的真空度测量硬件电路和相关软件。 8 2 1 封装方法 2 系统总体方案设计 2 1 1 键合方法选取 键合是实现真空封装的主要方法【2 9 1 ，用于真空密封的键合技术有：阳极键合( 静电 键合) 、直接键合、共晶键合、玻璃浆料键合和粘结剂键合。它们各有优缺点。表2 1 是 对不同键合方法的比较3 0 1 。 表2 1 几种成熟的键合技术性能指标 在进行键合方法和工艺选取时，应在满足封装要求、实现低成本封装和现有条件的基 础上，还应考虑以下几点： ( 1 ) 键合温度要低，键合工艺要与m e m s 器件的制造工艺兼容； ( 2 ) 要有足够的键合强度和高的气密性。 ( 3 ) 键合过程不能损坏m e m s 器件结构。 本课题选用非光敏苯并环丁烯【3 1 1 ( b e n z o c y c l o b u t e n e ，简称b c b ) 作为介质层实现对红 外探测器的真空封装。b c b 是一种目前较常用的圆片级有机粘结材料，通常用于集成电 路的重布线，最近开始应用于m e m s 器件中的键合工艺( 与i c 工艺相兼容) ，它具有低 的介电常数，出色的化学、热学和力学稳定性，用于圆片级键合时，其优点如下： ( 1 ) 高度的平整化能力；采用b c b 进行键合时对硅片的表面粗糟度要求比较低，对 于表面已经镀有金属导线等微结构具有很好的平整能力。 ( 2 ) 固化温度较低，固化过程不需要催化剂、没有副产品，不会释放出气体，固化 过程中的收缩率很低，可以忽略；b c b 的标准固化温度为2 5 0 。c ，此温度可以和大部分 微加工工艺兼容，同时由于固化温度低，所以在键合过程总由热膨胀系数和温度引起的热 应力非常小，可以适用于多种材料的封装。 ( 3 ) 良好的粘结性能；键合后界面具有高的抗拉强度和剪切强度，并且在键合时可 以使用增粘剂a p 3 0 0 0 增加其粘接强度。 ( 4 ) b c b 还可以通过光刻或干法刻蚀，实现图形化，进行选择性粘结；b c b 可以分 9 西安工业大学1 二程硕士学位论文 为光敏型和非光敏型，对于非光敏b c b 可以通过在其上旋涂光刻胶和刻蚀等一系列工艺 使其图形化。 ( 5 ) 固化的b c b 对可见光透明，可用于光学器件。 ( 6 ) 固化的b c b 能抵抗多种酸、碱和溶剂的侵蚀。 ( 7 ) 吸水率很低，对气密封装有利；由于聚合物键合后的水气释放对真空封装腔体 的真空度有很大的影响，而b c b 低的吸水率和气体释放可以保证键合后腔体真空度的长 期稳定性。 ( 8 ) 介电常数比较低。可以用作绝缘材料，对表面有导线等结构的晶圆进行键合。 2 1 2 封装结构 本课题的任务是实现对单芯片红外探测阵列的真空封装，并通过晶振对封装后结构的 真空度进行检测，检验封装是否满足要求。封装结构如图2 1 所示。 由于腔体中探测阵列和石英晶振的高度，我们采用两环形硅片进行挚高。并且为保证 探测器的红外特性，我们选用镀有红外高透膜锗片作为红外窗口。各个晃面间用b c b 胶粘 接在一起。 石英品振 2 2 真空度检测系统设计 图2 1 封装结构图 界面层 b c b 胶 形硅片 片 近十年来，随着m e m s 封装及真空封装等领域的不断发展，对真空度传感器件的体积 等方面提出了更高的要求，例如：微加速度传感器和微陀螺仪要求采用真空封装，且封装 内部的真空度对系统的性能指标有这决定性的作用，这需要对其真空度进行监控，传统的 真空度传感器因体积过大而无法实现封装内部真空度的测量。此时，石英晶体凭借其小的 体积，在进行m e m s 封装真空时测量时无疑是一种很好的选择。同时，集成电路和信号处 理等方面的发展为石英晶体真空计激励信号的合成及控制、信号处理系统的低功耗、微型 化的实现提供了技术途径，真空封装内部植入体积较小的石英晶体，通过2 根引线与外部 1 0 2 系统总体方案设计 激励信号和信号处理电路相连，从而实现封装内部真空度的监测。 日本的k o k u b u nk ，h i r a t am ，t o d ay 和0 n om 等首先提出使用石英晶振作为真空传 感器进行真空度测量，浙江大学也作过这方面的研究。上述研究都是在待测对象上安装真 空计接口，将石英晶振安装在接口上作为真空计的传感元件来测量。而m e m s 器件真空封 装内部是封闭，无法采用上述的方式。 为此，提出了一种采用传统音叉型石英晶振作为压强敏感单元测量真空封装腔体内真 空度的方法【3 2 。即将上述真空计的传感单元一晶振单独移出来，将晶振与m e m s 器件一起 封装在真空腔体内，通过真空壳体上的引脚实现信号与外界测量电路的互连。当音叉型石 英晶振周围气体压强变化时，其谐振阻抗会发生相应变化，它们之间具有一一对应的关系， 通过测量谐振阻抗的变化，即可监测m e m s 器件真空封装的真空度。 2 2 1 石英晶振真空检测原理 石英晶体振荡器是利用石英晶体( 二氧化硅的结晶体) 的压电效应制成的一种谐振器 件。若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两 侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果 在晶片的两极上加交变电场，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变 电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅都非常微小，但当外加交变 电压的频率为某一特定值时，振幅会明显加大，比在其他频率下的振幅大得多，这种现象 称为压电谐振。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。 石英晶体的等效电科3 3 1 如图2 2 a 所示。当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电 容c 。，称为静态电容；其值取决于晶片的几何尺寸和电极面积，一般约为几到几十皮法。 当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感l ，其值约为几毫亨。晶片的弹性等效为 电容c ，其值约为0 0 1 到0 1 p f ，因此，c c 。晶片的磨擦损耗等效为电阻r ，其值约 为1 0 0q ，理想情况下r - - 0 。 j l ： a - ：f p 厂犀 a 晶振等效电路b 晶振频率特性 图2 2 石英晶振等效电路即频率特性 虫毕 西安工业大学1 ：程硕十学位论文 如图2 2 ( b ) 所示，当等效电路中的l 、c 、r 支路产生串联谐振时，该支路呈纯阻 性，等效电阻为尼谐振频率 正= 荔丽i ( 2 1 ) 谐振频率下整个网络的电抗等于r 并联c 。的容抗，因r ( i ) 。c 。，故可近似认为石英晶 体也呈纯阻性，等效电阻为r 。 当f f s 时，l 、c 、r 支路呈感性，当f = f 。时，l 、c 、r 支路将与c 。产生并联谐振， 石英晶体又呈纯阻性，谐振频率由于c c o ，所以f p f 。 2 礓1 2 五雁 ( 2 2 ) 当音叉型石英晶振工作于弯曲振荡模式时，晶振的谐振阻抗随气压变化较大【3 4 1 。晶 体在空气中的振荡可以理解为一种受气体磨擦力作用的阻尼振荡，我们可将音