（测试计量技术及仪器专业论文）mems芯片激光封装技术的研究.pdf

摘要 摘要 经过二十多年的发展，m e m s 芯片已经相当成熟，部分产品已经实现批量 生产，因此裸芯片的价格可望得到大幅度下降。但是，很多芯片没有得到实际 应用，其主要原因之一就是没有解决封装问题。 微型器件的发展目新月异，微型焊接、键合、封装的难度正在不断加大， 成本也在急剧上升，已经成为制约m e m s 产业化的瓶颈。 本论文首先分析了m e m s 封装的现状和面临的难题。传统的微系统键合、 封装技术由于其本身固有的缺点，限制了其应用范围。在众多的改进工艺中， 运用激光实现键合是颇具特色的一项工作，目前也是激光在封装研究领域的热 点之一，特别值得关注的一个方向是激光键合在生物m e m s 领域中的应用。由 于生物m e m s 的特殊性以及其广阔的市场前景，激光键合、封装在这个领域内 会大显身手，起到至关重要的作用。目前，国内利用激光封装m e m s 芯片的研 究非常少，在我们课题中提出了m e m s 芯片激光封装技术的研究。本研究的主 要工作如下： 1 研究了激光微焊接原理，包括脉冲激光焊接和连续激光焊接的机理，并 分析了激光焊接工艺及主要参数； 2 阐述了激光微焊接系统的构架，并详述各个组成部分：激光器系统、光 学系统、精密二维移动平台、辐射参数传感器、工艺介质输送系统和控 制系统的功能； 3 m e m s 芯片激光封装实验的系统设计，该系统是光、机，电一体化系统。 包括激光器的分析选择、光学系统的分析与设计，焊接控制系统的设计 等。 4 | 在m e m s 芯片激光封装的验证性实验中，通过激光脉冲能量、脉冲重复率 和脉冲数量的有效设置和数控，利用c 0 2 激光脉冲的局部、瞬时加热作 用，实现高精度的微焊接。并采用了图象处理的方法来检查焊接质量。 5 在论文最后提出了“激光光束整形”和“m e m s 芯片的精密定位”等 进步改善方案。 n e m s 芯片激光封装技术的硼f 究 本研究工作的主要特色： 1 建立了一套适用于m e m s 芯片封装的系统，为今后的产品化提供了理论 设计和关键参数的依据： 2 通过激光微焊接机理的研究，得出脉冲激光更适合m e m s 芯片的焊接封 装。脉冲激光焊必须选用恰当的脉冲能量( 几焦耳到十几焦耳) 和脉冲 宽度( 数毫秒) ，还应注意：把反射率低、传热好、厚度小的材料放在上 面： 3 采用可见光系统定位指示，解决了红外激光与可见光之间的同轴： 4 采用串口通信对激光器系统的远程控制以及精密二维平台的数控控制， 可实现高速度和高精度的微焊接和微键合。 5 。采用显微c c o 成像系统、图像处理技术，可实现焊接自动跟踪、定位。 m e m s 芯片激光封装的研究对激光封装m e m s 芯片的产：业化有着重要意 义。本项目得到福建省重大科技项目“数字化设计制造支持与服务”( 编号 2 0 0 2 h 1 0 2 ) 资助。 关键词：m e m s 封装：激光；焊接 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t h2 0y e a r s d e v e l o p m e n t ，m e m sc h i pi sa l r e a d yq u i t em a t u r e ，a n ds o m e h a v ea c h i e v e db a t c hp r o d u c i n g t h e r e f o r et h ep r i c eo fn a k e d c h i pm a yd r o ps h a r p l y i nt h es a m et i m e ，ag r e a tm a n yc h i p sa r eo u to fp r a c t i c a l i t yd u et oe n c a p s u l a t i o n a t p r e s e n t ，t h ed e v e l o p m e n to fm e m sc h i p sc h a n g e q u i c k l y a n dt h e d i f f i c u l t yo fj o i n t i n g ，b o n d i n ga n de n c a p s u l a t i o ni si n c r e a s i n g ；t h ec o s ti s a l s o s h a r p l yr i s i n g ，w h i c h i s b e c o m i n g t h eb o t t l e n e c k o f r e s t r i c t i n g m e m s i n d u s t r i a l i z a t i o n i nt h i s t h e s i s ，t h ed i f f i c u l t i e sa n d s t a t u so fm e m se n c a p s u l a t i o na r e s u m m m z e da n da n a l y z e d t h ei n h e r e n td i s a d v a n t a g e so fc o n v e n t i o n a lb o n d i n ga n d e n c a p s u l a t i o nt e c h n o l o g y r e s t r i c tt h er a n g eo fa p p l i c a t i o n a m o n gn u m e r o u s b e t t e r m e n tt e c h n i c s ，a p p l y i n gl a s e rf o rb o n d i n gi sac h a r a c t e r i s t i cw o r k ，a l s oi so n e o fp o pe n c a p s u l a t i o nr e s e a r c h e s ，i nw h i c hs h o u l dp a ym o r ea t t e n t i o nt oa p p l i c a t i o n i nb i o l o g ym e m s d u et op a r t i c u l a r i t ya n dw i d em a r k e tf u t u r e ，b o n d i n ga n d e n c a p s u l a t i o nu s i n gl a s e rw i l lp l a yas i g n i f i c a n tr o l ei nt h ea r e a a tp r e s e n t ，t h e r e s e a r c ho fm e m s e n c a p s u l a t i o nu s i n gl a s e ri sf e wa th o m e a n dt h er e s e a r c ho f m e m se n c a p s u l a t i o nu s i n gl a s e rw a s b r o u g h tf o r w a r di nt h i st h e s i s p r i m a r yr e s e a r c hw o r k si nt h i st h e s i sa l ea sf o l l o w s ： 1 p r i n c i p l eo fl a s e rw e l d i n gi n c l u d i n gm e c h a n i s mo fp u l s el a s e rw e l d i n ga n d s e r i e sl a s e rw e l d i n gw a ss t u d i e d t e c h n i q u e sa n df a c t o r sa f f e c t i n gl a s e r w e l d i n gw e r ea n a l y z e d 2 t r u s so fl a s e rw d d i n gs y s t e mw a se x p a t i a t e d m o r e o v e r , t h ef u n c t i o n so f e a c hp a r t ：l a s e rs y s t e m ，o p t i c ss y s t e m ，e x a c t i t u d et w o d i m e n s i o nm o t i o n p l a t f o r m ，r a d i a t i o ns e n s o r , t e c h n i q u em e d i u mf e e d i n gs y s t e m ，c r a f t w o r k s e n s o r , c o n t r o ls y s t e mw e r ei n t r o d u c e d 3 s y s t e md e s i g no fe x p e r i m e n to fm e m se n c a p s u l a t i o nu s i n gl a s e rw a sd o n e ， w h i c hi sas y s t e mc o n s i s t so fo p t i c s ，m a c h i n ea n de l e c t r i cp a r t s ，i n c l u d i n g a n a l y s i sa n dc h o i c eo fl a s e r , a n a l y s i sa n dd e s i g no fo p t i c ss y s t e m ，d e s i g no f w e l d i n gc o n t r o ls y s t e m ，e t c 1 1 i m e m s 芯片激光封装技术的研究 4 i nt h ev e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n to fm e m se n c a p s u l a t i o nb yl a s e r , w e l d i n go f h i g hp r e c i s i o nw a sa c h i e v e du t i l i z i n gl o c a la n di n s t a n t a n e o u sh e a t i n gb y s e t t i n ga n dn u m e r i c a lc o n t r o l l i n gl a s e rp u l s ee n e r g y ，p u l s er e p e a tf r e q u e n c y a n dp u l s en u m b e re f f e c t i v e l y ；a n di n s p e c t e dw e l d i n gq u a l i t yb ya d o p t i n g m e t h o do fi m a g e p r o c e s s 5 i nt h ee n d ，“s h a p i n gl a s e rb e a m a n d “e x a c t i t u d eo r i e n t a t i o no fm e m sc h i p e t ci m p r o v e m e n t sw e r e p u tf o r w a r d p r i m a r yf e a t u r ei nt h i st h e s i sa l ea sf o l l o w s ： 1 as y s t e ma d a p tt om e m se n c a p s u l a t i o nw a ss e tu pf o rt h es a k eo fg i s to f t h e o r yd e s i g na n dk e yp a r a m e t e rf o rm a n u f a c t u r e 2 t h em e c h a n i s mo fl a s e rj o i n t i n gw a ss t u d i e d ，a n dt h ec o n c l u s i o nt h a ti m p u l s e l a s e ri se v e nm o r et h es a m ew i t hm e m se n c a p s u l a t i o nw a sd u c e d i m p u l s e l a s e rj o i n t i n gh a st oc h o o s er i g h ti m p u l s ee n e r g ya n di m p u l s ew i d t h ，a n d s h o u l dp u tt h es t u f fo fl o wr e f l e c t i v i t y , g o o dd i a t h e r m a n c ya n dt h i no l lt o p 3 i nt h ee n c a p s u l a t i o ns y s t e m ，a d o p t i n gv i s i b l el i g h ts y s t e mf o ro r i e n t a t i o n s h o ww h i c hs o l v et h ec o a x i a li s s u eo fi n f r a r e dl a s e rw i t hv i s i b l el i g h t 4 l o n g d i s t a n c ec o n t r o lf o rl a s e rs y s t e ma d o p t e ds e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n ， a n dn u m e r i c a lc o n t r o lf o re x a c t i t u d et w o d i m e n s i o nm o t i o np l a t f o r mw h i c h i m p l e m e n tb o n d i n ga n d j o i n t i n gw i t hh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o n 5 m i c r o s c o p ec c di m a g i n gs y s t e ma n di m a g i n gt r a n s a c t i o nt e c h n o l o g yw h i c h i m p l e m e n ta u t o m a t i cf o l l o wa n do r i e n t a t i o nf o r j o i n t i n g t h er e s e a r c ho fm e m sc h i p se n c a p s u l a t i o nb yl a s e rb e a r ss i g n i f i c a n tf o r m e m si n d u s t r i a l i z a t i o n t h ei t e mw a si m b u r s e db yf u j i a np r o v i n c em a g n i t u d e s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi t e m “n u m e r i cd e s i g nm a n u f a c t u r es u s t a i na n ds e r v i c e ” ( n u m b e r ：2 0 0 2 h 1 0 2 ) ) k e yw o r d s ：m e m se n c a p s u l a t i o n ；w e l d i n g ；l a s e r i v n e m s 芯片激光封装技术的硼f 究 本研究工作的主要特色： 1 建立了一套适用于m e m s 芯片封装的系统，为今后的产品化提供了理论 设计和关键参数的依据： 2 通过激光微焊接机理的研究，得出脉冲激光更适合m e m s 芯片的焊接封 装。脉冲激光焊必须选用恰当的脉冲能量( 几焦耳到十几焦耳) 和脉冲 宽度( 数毫秒) ，还应注意：把反射率低、传热好、厚度小的材料放在上 面： 3 采用可见光系统定位指示，解决了红外激光与可见光之间的同轴： 4 采用串口通信对激光器系统的远程控制以及精密二维平台的数控控制， 可实现高速度和高精度的微焊接和微键合。 5 。采用显微c c o 成像系统、图像处理技术，可实现焊接自动跟踪、定位。 m e m s 芯片激光封装的研究对激光封装m e m s 芯片的产：业化有着重要意 义。本项目得到福建省重大科技项目“数字化设计制造支持与服务”( 编号 2 0 0 2 h 1 0 2 ) 资助。 关键词：m e m s 封装：激光；焊接 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：陈一毒每 口6 年f 月3 0 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其他指定机构送交论文的纸质版和 电子版，有权将学位论文用于非营利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检 索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密 后适应本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) 作者签名：际一梅 导师签名： 日期：d 6 年f 月歹d 口 日期：d6 年f 月) 口日 第l 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 微机械电子系统( 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 s ，m e m s ) ，主要由微传感 器、微执行器( 亦称微致动器) 以及驱动和控制电路为基本元器件三大部分组 成的，是一种获取、处理信息和执行机械操作的集成器件或系统。其特点是体 积小、质量轻、功耗低。它是微机械、微电子学、自动控制、物理学、化学、 生物学以及材料科学、高技术的边缘科学和交叉学科。 m e m s 兴于2 0 世纪8 0 年代后期。当前的m e m s 主要是元件或子系统产品， 这些产品的重点都在系统层次上。现有的m e m s 器件有加速度计、压力传感器、 化学流量传感器、微镜、陀螺仪、流体泵以及喷墨打印机头等；当前在电子和 光学系统中应用的m e m s 器件有r fm e m s 开关、全光网络以及热传感器： m e m s 在生物医学、汽车、生物分析、微型泵、微阀门中也有应用，此外，还 有更多的其他应用。 当前正在兴起以及将来会出现的m e m s 应用领域包括高分辨率的显示器， 高密度的数据存储器件，阀门以及化学微分析，医疗诊断和药物传输中使用的 流体管理和处理器件。现在的技术主要是涉及毫米量到微米量级的m e m s 器 件，将来会开发出尺寸在亚微米到纳米的器件，这些器件将在多项领域中应用。 由于m e m s 的特殊性、复杂性和m e m s 应用的广泛性，对封装的要求是 非常苛刻的。m e m s 封装的特殊性增加了m e m s 封装的难度和成本，m e m s 封装成本占整个成本的5 0 9 0 ，成为m e m s 发展的瓶颈。 1 2m e m s 的封装技术现状 m e m s 芯h 激光封装技术的研究 1 2 1 引言 经过二十多年的发展，m e m s 芯片已经相当成熟，部分产品已经实现批量 生产，因此裸芯片的价格可望得到大幅度下降。但是，很多芯片没有得到实际 应用，其主要原因之一就是没有解决封装问题。虽然m e m s 封装采用许多与微 电子封装相似的技术，但不能简单的将微电子封装技术直接用于m e m s 器件的 封装中去。m e m s 封装的功能包括了微电子封装的功能部分，即原先的电源分 配、信号分配和散热等。但由于m e m s 本身是一个系统，而不是一个器件，因 此它具有特殊性、复杂性和m e m s 应用的广泛性，对封装的要求是非常苛刻的， 封装的功能还应增加如下几点： 1 应力：在m e m s 器件中，微米和纳米尺度的零部件其精度高但十分脆弱， 因此，m e m s 封装应产生对器件最小的应力； 2 高真空：可动部件在“真空”中，就可以减小摩擦，达到长期可靠工作 的目标； 3 高气密性：一些m e m s 器件，如，微陀螺必须在稳定的气密条件下才能 可靠长期地工作，有的m e m s 封装气密性要达到1 0 _ 12 p a m 3 s ： 4 高隔离度：m e m s 常需要高的隔离度，对m e m s 射频开关就更为重要。 为了保证其他信号尽可能小，就要求对传感器的某些部位进行封装隔离。 否则，干扰信号叠加在所采样的有用信号上将使m e m s 的f 常功能难以 发挥； 5 特殊的封装环境和引出：某些m e m s 器件的工作环境是气体、液体或透 光的环境，m e m s 封装就必须构成稳定的环境，并能使气体、液体稳定 流动，使光纤输入低损耗，高精度对位的特性等。“。 目前，国内m e m s 封装技术比较落后，与国外相比，还存在着很大的差距， 必须给予重视，并积极发展m e m s 封装技术。 1 2 2m e m s 封装技术现状 第1 章绪论 m e m s 封装通常分为晶片级封装、芯片级封装、器件级封装和系统封装这 样多个层次。 1 晶片级封装 许多微机电器件需要进行晶片贴合，制作出电极紧凑的腔体。同时，晶片 键合还完成了一级封装。1 。几种成熟的键合技术比较如表卜1 。阳极键合技术已 经被广泛应用，可将硅与玻璃、金属及合金在静电作用下键合。当在极间施加 电压( 2 0 0 - 1 0 0 0 v ，视玻璃厚度而定) ，在键合温度( 1 8 0 ”5 0 0 。c ) 下，与玻璃 键合强度可达到玻璃或硅自身的强度量值甚至更高。硅一硅的互连也能用阳极实 现，但需中间夹层，在其中一个抛光的硅片表面上沉淀r 4 1 a m 7 7 4 0 4 玻璃膜， 电流密度保持在1 0 a m 2 ，温度稳定在4 5 0 5 5 0 即可实现良好的封接，键合强 度可达到硅或绝缘体自身的强度量级，且气密性能好。但直接键合的温度处理 难以控制。而在真空环境下采用a r 离子束对已经处理过的硅表面清洁，在室温， 真空条件下便能实现牢固的键合。玻璃封接键合是采用丝网印刷、喷镀。淀积 或挤压等技术将纯度高、含钠低的悬浮在酒精溶液中的超细玻璃粉置于一对键 合的界面而实现封接，封接后表面气密好，并有较高的机械强度。 表卜1 几种键合技术的比较 2 单芯片封装 在一块芯片上制作保护层，将易损坏的器件和电路屏蔽起来以避免环境随 其造成不利的影响，并制作出有源传感器n 动器部分的通路，并实现与外部的 m e m s 芯片激光封装技术的研究 电接触。 ( 1 ) 金属封装 金属封装通常是在多层r f 模数和综合电子线路中，因为金属封装有好的热 散性，能屏蔽电子辐射。金属外壳一般不能直接安装各种元器件，大多通过陶 瓷基板完成元器件的安装和互连，然后，将固定好的元器件的基板和底座粘接， 最后是封帽工艺。金属外壳的封帽具有特殊的重要性，因为要求高可靠性，封 装必须要求气密性，达到标准的水气含量。在封帽工艺中，封接材料的熔点必 须足够低或利用局部加热方法，使元器件及其焊点免受高温的影响。图卜l 是 金属封装的几种类型。 9 淤翰 ( a ) t o 形( b ) 平板形( c ) 蝶形( d ) 浅腔形 图卜l 金属封装的几种类型 ( 2 ) 陶瓷封装 陶瓷封装质量轻。可大量生产和成本低，可轻易做到气密封装，而且多层 陶瓷封装能使器件尺度变小，成本降低，同时，能集成m e m s 和其他元件的信 号。陶瓷封装的可靠性有几个问题：陶瓷会在烧结后“压缩”，这将使要求气密 性的器件失效。陶瓷和金属材料的粘结强度比陶瓷和陶瓷要弱；在高温烧结后， 包装器件的内部可能散开以致器件失效。 ( 3 ) 多薄膜封装 一般多薄膜封装有两种技术，一种是低温烧结陶瓷。大约2 5 u m 的薄聚合 物压叠在一起，只有丌端层需要烧结：另一种用的也是聚合物，用丝网印刷， 厚度为l 2 9 m 。聚合物的介电常数是2 8 3 2 。 ( 4 ) 塑料封装 塑料封装一般分为前铸模和后铸模，如阿卜2 、图卜3 所示。而前铸模又 分为注射铸模和转移铸模。有f l f l 楷的和真窄气密的m e m s 封装用的是注射铸 模，而普通的i c 封装用的足转移铸模。前铸模和后铸模的区别是后铸模有个空 d 第1 章绪论 腔，并在键合后密封上一个盖板来保护内部结构。运用塑料封装成本低、可靠 性高。但不能用在气密性密封场合，在高温和潮湿环境下，塑料封装会分层和 开裂嘲。 芯片 塑料封装 图卜3 塑料后铸模封装 上述4 种通常是采用标准预成型封装。封装过程是：首先，将芯片安装在 预成型封装中，用引线键合实现芯片和封装引线之间的电气连接，然后，填充 化合物材料和用特殊的盖板封装好，同时，保留有源芯片区。 3 多芯片封装( m c m ) m c m 技术提供一种诱人的集成和封装m e m s 器件的途径，其具有在同一 衬底上支持多种芯片的能力，而不需要改变m e m s 和电路的制造工艺，其性能 可以做到最优而且无需做出妥协”1 。根据衬底类型和芯片的互连方法的不同， m c m 有多种不同的形式。常用的衬底材料包括陶瓷、硅和作印刷板用的层压 板。芯片可粘附在衬底表面或嵌入衬底。芯片检互连是通过各种方法来实现的， 如，引线键合、凸点倒装焊或直接金属化。m c m 除明显得尺寸和质量优势外， 芯片之间距离的缩短使低噪声成为可能，从而改善系统性能。 b u t l e 等人采用高密度互连的m c m 封装技术，这种方法是芯片嵌入衬底的 腔体中，在元件顶部制作一个薄膜互连结构。m o r r i s s e y 等人演示了微系统多芯 片载体( p l c c ) 制造的叠层实现了微系统的三维封装。p l c c 是个带有墙的 m e m s 芯片激光封装技术的研究 腔体的芯片载体，芯片置于腔体中心的叶片上，引线键合完成互连，腔体填充 环氧密封材料以及保护及引线键合的引线，不同芯片之问的互连是通过表面镀 铜镍金，然后用准分子激光器光刻出互连图形来实现的。 4 模块式m e m s “” 模块式m e m s 是德国i z m 实验室r e i c h l 和g r o s s e r 这两人提出的概念。源 于c p s 和立体集成，最重要的微系统具有各种不同物理参数所需要的接口。模 块式m e m s ( m o m e m s ) 和传统的微系统不同的是建立了标准的批量生产、 降低成本缩短进入市场时间。 m o m e m s 设计依赖各种不同的微加工和精密工程。m o m e m s 要求微系统 尺寸紧凑，封装可以向三维自由扩展。m o m e m s 的“外壳”创新形式能完成 不同功能的同时实现尽可能高的封装精度。 5 倒装焊技术4 1 “ 近年来，出现了许多新型的封装技术，其中，比较有代表性的除了上面介 绍的多芯片封装和模块式封装，还有采用倒装焊( f c b ) 的m e m s 封装。倒芯 片封装是芯片和基板的直接安装。f c b 是芯片朝下，使芯片上的焊区和基板上 的焊区瓦连。它具有电性能好、芯片安装密度高、高i o 数和低成本的特点， 而且，大大简化了互连工艺，快速、省时，成为了m e m s 封装中一种简单和具 有成本效益的方法。香港科技大学已经用倒封装芯片( f o c b ) 技术封装压力传 感器，将激励电路倒装焊在同一块挠性基板上。p a t r i c k 等人用独特的倒装焊密 封了r fm e m s ，经过测试效果良好。 倒封装有个好处是芯片本身提供了m e m s 机构的封盖，大量的倒装焊是芯 片朝f ，很适合光电器件的封装。在光开关的微镜中对直光路需要精确放置和 对位，而采用倒芯片封装则能够成功的保证光路对准，x ，y z 三轴都能达至t j + - 1 1 t m 的后键合精度。而这+ - 1 1 t m 足够用来光路和波导对准。这种转换和放置方法降 低了装配的复杂性，加速了m o m e m s 器件的丌发周期。 6 激光封装技术 激光在硅一玻璃键合、硅一硅键合、硅一塑料键合以及塑料一塑料键合技 术中的应用，在国外已经有所研究。选择用于微系统封装应用的激光器要考虑 所要键合的材料在激光波k 的光学特性。表12 给出了常用的硅、玻璃和塑料 第1 章绪论 对不同激光波长的透明程度。 表卜2 微系统中三种常用材料对不同激光器波长的光学性能 激光器c 0 2 n d ：y a gd i o d e 材料 九= 1 0 6 t i n = 1 0 6 p m = 0 7 l l x m 硅透明不透明不透明 p y r e x 玻璃不透明透明透明 p m 【a 、p d m s不透明透明透明 ( 1 ) 激光在硅一玻璃键合技术中的应用 采用激光束进行硅一玻璃的键合原理及过程可以这样描述”“1 ：高能量的 窄激光束透过玻璃或硅片在硅与玻璃的界面处能量被吸收形成瞬时的局部高 温，使界面处的玻璃和硅片的原有的化学键断裂，并重新形成新的化学键，从 而达到硅和玻璃键合的目的。采用激光束进行硅一玻璃的键合装置示意图如图 卜4 所示。 图卜4 激光熔融键合示意图 要使健合反心仅仅发生在预键合的界面处，达到良好的键合强度，必须满 足以卜条件：( i ) 硅或玻璃有一种材料对激光有高的透过率；( 2 ) 光束要窄，否则 会影响非键台区材料的性能。所以在用激光进行键合的装置中，覆盖的玻璃板 7 瓶凇芯片激光封装技术的研究 以及激光透过的玻璃必须对对应波段的激光有高的透过率。 一般用n d ：y a g ( 波长为1 0 6 4 r i m ) 或c 0 2 ( 波长为1 0 6 0 0 a m ) 等常用的激 光加工光源。由于键合的硅片和玻璃厚度一般不超过l m m ，激光在m e m s 硅 一玻璃键合中一般所用的功率较小，为0 5 0 w ，作用的方式有连续和脉冲两 种，平均作用时问不超过1 0 s 。作用的功率密度要比通常的激光加工中用到的 小的多。在硅和玻璃的界面处镀上一层介质薄膜也可以达到良好的键合效果。 ( 2 ) 激光在硅一硅键合技术中的应用 由于金属钛、金等对激光加工中常用的激光有很强的吸收，而硅对激光吸 收很小，所以采用激光进行硅一硅键合时，其键合装置同图1 - 4 所示类似，激 光采用c 0 2 激光，将上方的7 7 4 0 玻璃换成硅片，并在硅片上溅射或蒸发t f f a u ， 保留需要键合位置的t f f a u ，光刻出去其它位置的w a u 即可。在激光键合的过 程中，要根据硅片和t u a u 的具体情况采用合适的激光工作模式( 脉冲、连续) 和光斑大小。 同以前的硅一硅键合的方法相比，采用激光可以在较低的温度下甚至常温 进行硅一硅的键合。尤其是以往的硅一硅键合都要长时问的高温处理，这极有 可能改变在键合前硅片的杂质分布以及由此带来的器件电学、光学和力学性能 的改变，从而导致器件性能的劣化。 ( 3 ) 激光在( 硅一塑料) 一塑料键合技术中的应用 在生物m e m s 中，一些塑料由于具有生化兼容和易于加工复制的特性而在 m e m s 生物芯片的器件到作和后期的封装中发挥重要的作用。这些塑料包括 p m m a ，p c , p v c 等，它们随着b i m e m s 的迅速发展而逐渐成为m e m s 中日益 重要的材料。 同大多数生物m e m s 工作的温度较低一样，这些材料一般熔点很低，不能 在较高的温度下进行制造或封装。利用激光加热的选择性和局部性以及快速性， 可以成功实现( 硅塑料) 一塑料键合，为m e m s 的制造尤其是封装开辟广阔 的前景。 通过激光脉冲能量、脉冲重复率和脉冲数量的有效设置和控制，可实现高 速度和高精度的微焊接和微键合。激光技术在m e m s 封装工艺中具有其他手段 不可比拟的优越性：( 1 ) 激光经过透镜聚焦，在焦点处的功率密度高达1 0 “l o “ 第l 章绪论 w c m 2 ，温度可达1 0 0 0 0 。c 以上：( 2 ) 由于激光是无接触加工，在生物芯片封装 方面具有绝对的优势，并且其能量和移动速度均可调：( 3 ) 可焊高熔点的材料 和异种金属，并且不需要添加材料；( 4 ) 激光焊接过程中，加工速度快，并且是 局部加热，其热影响区域小；( 5 ) 激光易于导向、聚焦，实现空间灵活移动”7 。 激光微焊接作为一种m e m s 封装中的微焊接是非常有效和实用的，它通过 具有较高能量密度的激光束加热被连接部位使之形成激光微焊点。激光束的光 斑直径仅有0 2 衄o 5 m m ，甚至可以更小，而且激光加热时间只有几百毫秒， 并且仅是小范围局部加热，所以对m e m s 芯片热影响极小，同时这种焊接方法 可以使m e m s 芯片基本上免受静电的影响。 目前国外利用固体y a g 激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。另外， 用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯 无影响，从而保证了集成电路管芯的质量。而使用脉冲红宝石激光已成功地焊接 了微电子领域的镀线磁存储装置。另外用脉冲c 0 2 激光器焊接密封了t o 一5 晶 体管“。 1 2 3m e m s 封装中存在的问题 目前m e m s 的封装技术主要有晶片级封装、单：岱片封装( 包括金属封装、 陶瓷封装、多薄膜封装和塑料封装) 、多：占片封装、模块式封装和倒装焊技术等 “。而m e m s 封装的手段有滴胶贴片、阳极键合、热压键合、超声键合封装等 现行生产线主流工艺，以及激光封装“3 。 传统的微系统键合技术由于其本身固有的缺点，限制了其应用范围“2 1 “。 这些方法都对需要键合的表面平整度要求较高，且要在高温下才能获得足够的 键合能。紫外光敏胶粘接和超卢键合虽然避免了温度问题，但是胶粘对粘接材 料的选择性及表面状况的依赖性很强，不具有通用性，而超声键合易于振坏微 系统的微器件。 m e m s 器件设计的初期若能考虑到封装和测试，其成本和开发时间都将大 大减少，同时，还能提高可靠性。下面阐述m e m s 封装将而对的技术问题： ( 1 ) 粘合 m e m s 芯片激光封装技术的研究 毛细作用、静电吸附和直接化学键合都是导致粘合的因素，像是在悬臂梁 和基底之间就会出现粘合。腐蚀牺牲层很便利，但这项技术也增加粘台和破裂 几率。 ( 2 ) 应力 在薄膜的工艺过程中，会出现残余应力，这种应力在高温退火能被释放出 来。c t e 的不同和工艺过程器件的压缩都会产生应力，而用低杨氏模量的材料 在有效降低残余应力的同时提高器件性能。 ( 3 ) 环境应力造成失效 m e m s 中机械运动部件容易因热循环、振动、摆动、潮湿、辐射等应力作 用而失效。 ( 4 ) 划片 在划片过程中，需冷却流沿着划分路线来冲洗微小颗粒杂物以避免表面划 伤。主要参数应考虑切速、切深、刀头的尺寸、冷却液的流速和角度方向等。 ( 5 ) 把持 在m e m s 中移动芯片需要用夹子夹住：占片的边缘然后放到确切的位置，所 以，确切定位仪器的设计将会增强工艺能力和m e m s 后封装工艺的可靠性。 ( 6 ) 圆片级封装 用于键合的移动仪器是圆片级封装的不良因素，如果考虑移动和污染应在 制作工艺外部制作一个防护罩。 ( 7 ) 除气 树脂封装会产生湿度和有机气体，将导致器件的粘结和腐蚀，应去除掉。 ( 8 ) 测试 测试是m e m s 封装的主要问题之一。在m e m s 加工工艺的开始就得考虑 每步工艺可能致命的失败，否则，成本将大大增加。 1 2 。4 未来发展趋势 m e m s 技术于2 0 世纪9 0 年代进入商业化时代，正显示强大的生命力的发 o 第1 章绪论 展势头。随着m e m s 的飞速发展，它的应用将更加广泛，但m e m s 封装形式 取决于很多因素，如，它的类别和用途等，但总体上，m e m s 封装的未来发展 趋势为： ( 1 ) m e m s 封装会更大程度上借鉴和引用微电子封装技术和开发出合适的 封装形式，这是降低成本的一个有效途径； ( 2 ) 微小型化是m e m s 封装发展的趋势，如，c s p ( 芯片规模封装体积小， 可容纳的引脚多、电性能和散热性能好、成本较低、c s p 能和s m d 工 艺兼容使系统更小型化； ( 3 ) m e m s 封装会向着集成化、标准化和低成本方向发展。如，m o m e m s 的前景比较看好，因为p l c c 采用的工艺相对比较简单、比较成熟。 m o m e m s 的发展将使封装可批量生产，缩短进入市场时间： ( 4 ) 基于激光的m e m s 工艺体系f 在形成，今后利用激光进行m e m s 键 合、封装以及后封装，将成为m e m s 封装的一大趋势。 1 2 5 结论 e m s 封装是m e m s 技术开发和批量生产的关键技术之一。在m e m s 产品 概念早期就应该考虑m e m s 封装问题，大力发展m e m s 封装技术的研究和开 发。 1 3 选题的背景及意义 目前m e m s 的封装技术主要有晶片级封装、单芯片封装( 包括金属封装、 陶瓷封装、多薄膜封装和塑料封装) 、多芯片封装、模块式封装和倒装焊技术等 “1 。而m e m s 封装的手段有滴胶蛄片、热压、超声键合封装等现行生产线主流 工艺，以及激光封装。“。 传统的微系统键合技术由于其本身固有的缺点，限制了其应用范围“2 1 。 因为这些方法对需要键合的表而平整度要求较高，且要在高温下才能获得足够 m e 雌。卷片激光割装技术的研究 的键合能。为此，人们对消除阳极键合工艺中的各种缺点进行了广泛的尝试“7 。另外两种方法，紫外光敏胶粘接和超声键合虽然避免了温度问题，但是胶粘 对粘接材料的选择性及表面状况的依赖性很强，不具有通用性，而超声键合易 于振坏微系统的微器件。在众多的改进工艺中，运用激光实现键合是颇具特色 的一项工作”“1 ，目前也是激光在封装研究领域的热点之一。 激光在硅一玻璃键合、硅一硅键合、硅一塑料键合以及塑料一塑料键合技 术中的应用，在国外已经有所研究。 激光工艺与微电子技术的结合，导致微电予技术出现新的发展。例如：激光 镀膜、激光氧化、激光扩散、掺杂、激光光刻、激光刻蚀、激光清洗、激光钻 孔、激光切割、激光焊接等工艺已经在集成电路工艺中得到成功的应用。从而 形成基于激光的微电子工艺体系和基于激光的m e m s 工艺体系。1 。 通过激光脉冲能量、脉冲重复率和脉冲数量的有效设置和控制，可实现高 速度和高精度的微焊接和微键合。从而为m e m s 封装生产线提供新的工艺方 法，以克服现有超声和热压等键合工艺的热损伤和残余应力问题。激光技术在 m e m s 封装工艺中具有其他手段不可比拟的优越性：( 1 ) 激光经过透镜聚焦， 在焦点处的功率密度高达1 0 5 1 0 ”w c m ，温度可达1 0 0 0 0 。c 以上；( 2 ) 由于激 光足无接触加工，在生物芯片封装方面具有绝对的优势，并且其能量和移动速 度均可调；( 3 ) 可焊高熔点的材料和异种金属，并且不需要添加材料；( 4 ) 激光 焊接过程中，加工速度快，并且是局部加热，其热影响区域小；( 5 ) 激光易于 导向、聚焦，实现空间灵活移动”7 1 。 激光微焊接作为一种m e m s 封装中的微焊接是非常有效和实用的，它通过 具有较高能量密度的激光束加热被连接部位使之形成激光微焊点。激光束的光 斑点径仅有0 2m m o 。5 m m ，甚至可以更小，而且激光加热时间只有几百毫秒， 并且仅是小范围局部加热，所以对m e m s 芯片热影h 向极小，同时这种焊接方法 可以使m e m s 芯片基本上免受静电的影响。 目前圉外利用固体y a g 激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。另外， 用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯 尤影响，从而保证了集成电路管芯的质量。而使用脉冲红宝石激光已成功地焊接 了微电子领域的镀线磁存储装置。另外用脉冲c 0 2 激光器焊接密封了t o 5 晶 第1 章绪论 体管”1 。 目前，国内利用激光封装m e m s 芯片的研究非常少，在我们课题中提出了 m e m s 芯片激光封装的研究。 1 4 本课题主要工作 本课题所研究的对象是激光封装m e m s 芯片，主要工作有： ( 1 ) 讨论现有的国内外m e m s 封装的技术和手段，进行系统、深入的理 论分析，获取科学的结论； ( 2 ) 阐述了激光微焊接系统的构架，并详述各个组成部分：激光器系统、 光学系统、精密二维移动平台、辐射参数传感器、工艺介质输送系统， 控制系统的功能； ( 3 ) 通过研究激光微焊接原理( 包括脉冲激光焊和连续激光焊) ，分析激 光焊接工艺以及主要参数，得出脉冲激光更适合m e m s 芯片的焊接 封装。 ( 4 ) m e m s 芯片激光封装实验的系统设计，该系统是光、机，电一体化 系统。包括对激光器的分析选择、光学系统的分析与设计，焊接控制 系统的设计等。为m e m s 芯片激光封装实验提供了理论依据和关键 参数。 ( 5 ) 在m e m s 芯片激光封装的验证性实验中，通过激光脉冲能量、脉冲重 复率和脉冲数量的有效设置和数控，利用c 0 2 激光脉冲的局部、瞬 时加热作用，实现高精度的微焊接。并采用了