（微电子学与固体电子学专业论文）低温玻璃浆料在mems气密封装中的应用研究.pdf

摘要 低温玻璃浆料在m e m s 气密封装中的应用研究 摘要 v d i m s 器件通常包含一些可动部分，这些可动部件很脆弱，极易受到划片和装 配过程中的灰尘、气流、水汽、机械等因素的影响，从而造成器件毁坏或整体性能的 下降，因而需要进行气密封装。本论文的目的是在保证封装气密性的前提下实现圆片 级的封装。 实验选用f e r r o 公司的1 1 - - 0 3 6 低温玻璃浆料作为封接材料对m e m s 器件进行气 密封装。以硅片或玻璃片为基板，通过玻璃浆料的分配与烧结，将基板与芯片圆片进 行键合，形成密封腔。随后通过对封装结构进行剪切强度测试，以及x r a y 和扫描 电镜对键合区域形貌的分析，得出了最佳工艺曲线( 包括键合温度、时间、气氛、压 力等) 。结果表明，采用预烧结温度4 0 0 c ，烧结温度4 5 0 。c 的工艺条件，键合区域颗 粒均匀，键合强度较大。预烧结在空气中进行，有利于有机溶剂的挥发与燃尽。烧结 过程是玻璃浆料的再结晶过程，气氛对键合强度影响不大。压力对键合质量的影响较 小，施加较小的压力即能得到较大的剪切强度。压力的大小直接影响到封装的外观质 量。在最优化的条件下，键合结构达到相关标准( 如m i l - - s t d - - 8 3 3 e ) 的要求。 对完成的封装结构进行气密性检测。在圆片级封装键合完成后将圆片划成单个封 装单元依次进行氦气精检和氟油粗检。实验表明，在选取的样品中，8 5 检测漏率 符合相关标准( 如m i l s t d - - 8 3 3 e ) 。 真空封装是气密封装的应用之一。选用带有自检功能的测壁压阻敏感加速度传感 器，由于空气阻尼变化的影响，该器件在真空中谐振时的品质因数q 值相对于大气 中有着数量级的变化。实验通过对q 值的测量来判定真空封装的质量，并可估算出 腔体的真空度。 关键词：玻璃浆料，圆片级键合，低温气密封装 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 s t u d y o i lt h ea p p l i c a t i o no fw a f e r - l e v e lh e r m e t i c p a c k a g eo fm e m s b yg l a s sf r i ta tl o wt e m p e r a t u r e a b s t r a c t w a f e rb o n d i n gi sa ne s s e n t i a lt e c h n o l o g i c a ls t e pf o rw a f e rl e v e l e n c a p s u l a t i o no f s e n s i t i v es t r u c t u r e sl i k ef r e e l ym o v e a b l em e m s i nt h el a s ty e a r s ，d i f f e r e n tw a f o rb o n d i n g t e c h n o l o g ye s t a b l i s h e di nr e s e a r c ha n di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s e s t h e s ew a f e r b o n d i n gs t e p sh a v et ob ea d a p t e dt ot h es p e c i a la p p l i c a t i o no rt h et e c h n o l o g ye n v i r o n m e n t t h e r e f o r ew ew e r el o o k i n gf o rab o n d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi su n i v e r s a l l yu s e a b l ef o ra w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，i n d e p e a a d e n to np r e c e d i n gp r o c e s ss t e p sa n dd e s i g nv a r i m i o n s g l a s sf r i tw a f e rb o n d i n gf u l f i l st h e s er e q u i r e m e n t sa n dp r o v i d e sf u r t h e m a o r eas a f ep r o c e s s w i t hh i 曲b o n d i n gy i e l d ，v e r yw e l ls u i t a b l ef o ri n d u s t 6 a lp r o d u c t i o n t h i sp a p e rr e p o r t so ng l a s sf r i tw a f e rb o n d i n g ac a pw a f c ri sb o n d e dt ot h ed e v i c e w a f o ru s i n gap r e r s o l i d i f i e df r i t g l a s sa sab o n d i n gm e d i u ms u c ht h a tt h ed e v i c e sa r e h e r m e t i c a l l ys e a l e di n s i d et h ec a v i t i e s ao p t i m i z e dp r o c e s sp r o f i l es u c ha st e m p e r a t u r ea n d p r e s sc a r lb eg e tf r o ms e r i e so fe x p e r i m e n t s s h e a rt e s ta n dl e a k a g et e s ta r ep e r f o r m e dt o i n v e s t i g a t et h eb o n d i n gs t r e n g t h o ft h es e a l i n gs t r u c t u r ea n dt h eh e r m i t i c i t yo ft h e e n c a p s u l a t i o n t h e r e s u l t s p r o v et h a tt h el e a k a g ea n db o n d i n gs t r e n g t hf u l f i l lt h e c o r r e s p o n d i n gm i l s t d 一8 8 3 es t a n d a r d v a c u u mp a c k a g ei s a n a p p l i c a t i o n o fh e r m e t i c p a c k a g e ah i g h - p e r f o m a a n c e i n - p l a n e 。s e n s i t i v es i d e w a l l 。p i e z o r e s i s t i v ea c c e l e r o m e t e ri su s e dt oi n v e s t i g a t et h ev a c u u m q u a l i t y w em e a s u r et h eq u a l i t yf a c t o rqo fd e v i c et os c a l et h ep r e s s u r eo ft h ec a v i t ya n d m o n i t o rt h ev a c u u ms i t u a t i o ni nal o n gt e r m k e yw o r d s ：g l a s sf r i t ，w a f o rl e v e l ，l o w t e m p e r a t u r eh e r m e t i cp a c k a g e 中国科学院上海微系统与信息拉术研究所硕士学位论文 低温玻璃浆料在m e m s 气密封装中的应用研究 第一章引言 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，是集微型结构、 微传感器、微执行器以及信号处理和控制电路，直至集接口，通信与电源于一体的微 机电系统，它可以将物理信号转换为电学信号或将电学信号转换为物理信号，实现从 信号取样、处理到执行的整体集成。它是微电子、材料、机械、化学、传感器、自动 控制等多学科交叉的产物 1 】。 随着m e m s 技术的发展，m e m s 器件经历了从最初的微零件到可以用于各种检 测的传感器，现在已经向多方面发展。用于检测物理、化学量如加速度传感器、角速 度传感器、温度传感器、气敏传感器等；用于信息处理，如光纤开关、滤波器等；用 于生物医学，如一次性注射用微型针、血管微机器人、d n a 电泳分离管等；应用于 办公自动化，如打印喷墨头、硬盘磁头、投影仪的d m d 等等。其应用领域不断拓展， 涉及到制造、汽车、航空航天、电子、通讯、医药、生物等各个方向，并且正不断尝 试着在更大范围内改变人类的生活【2 【3 1 。 m e m s 工艺是基于i c 制造工艺上发展起来的，与i c 芯片具有兼容性，但在某些 方面又具有其特殊性。i c 和m e m s 之间的关键差别是： i c 本质上是平面器件，m e m s 则为具有三维结构的器件。 i c 依赖于隐埋于i c 表面之下的效应，而m e m s 通常是表面效应器件 i c 无活动的零部件，而m e m s 是典型的含有活动部件的器件 i c 的制作工艺方式使得它在以大圆片形式流入l c 标准生产线之前对环境相对的 不敏感，而大圆片形式的m e m s 到它封装之前对环境都非常敏感。这就使得m e m s 制造的每道后工序划片、装架、引线制作、封装密封等都与i c 不同而且花费非 常昂贵。 1 2m e m s 封装技术 通常，m e m s 器件的封装应满足下列要求： 封装应对传感器芯片提供一个或多个环境通路( 接口) ； 封装对传感器芯片，尤其是那些对应力特别敏感的传感器带来的应力要尽可能的小 封装与封装材料不应对应用环境造成不良影； 中国科学院上海微系统与信息披术研究所硕士学位论文 第一章引言 封装应保护传感器及其电子器件免遭不利环境的影讯 封装必须提供与外界的通道，可通过电接触( 管脚或凸点) 或无线的方法。此外，多 数传感器和执行器等m e m s 器件还需要有电源。可采用内置电池、外部引线或无引线 的方法实现。 最近几年，国外m e m s 封装技术取得了很大进展，出现了众多的m e m s 封装技 术。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、较完 善的封装设计。尽管要区分出不同封装方法之间的细微差别十分困难，但通常可将其 分为三个基本的封装级别。 ( 1 ) 晶片级封装方法。例如，许多微机械器件需要进行晶片贴合，制作出电极与 或紧凑的腔体。同时晶片键合还完成了一级封装 ( 2 ) 单芯片封装。在一块芯片上制作保护层，将易损坏的结构和电路屏蔽起来以 避免环境对其造成不利影响，制作进出有源传感器致动部分的通路并实现与外部的 电接触： ( 3 ) 多芯片模块与微系统封装。将许多不同的器件如传感器、致动器与电子器件 封装在个小型模块中，构成一个智能化的小型化系统。 目前的m e m s 封装技术大多是从集成电路封装技术继承和发展而来的，但鉴于 m e m s 器件自身的一些特殊性，又不能简单地将集成电路的封装技术直接用于m e m s 器件的封装中去。这些m e m s 的特殊性包括：复杂的信号界面，m e m s 器件根据应用 的不同会有力、光、磁、热、化等种甚至多种信号的输入；三维结构，m e m s 芯片 的三维微结构，很容易因为接触而受损或者被玷污；特殊的外壳要求，要求外壳能 够保护m e m s 芯片，同时又不影响所需信号的传输；高可靠性要求，无论是被用于宇 航、军事或者民用产品，高可靠性都是影响m e m s 产品普及的重要因素。所有这些特 点，都向m e m s 封装技术提出了极大的挑战。另外，需要重视的一点是必须把封装作 为m e m s 设计的重要组成部分，在芯片设计阶段就予以充分考虑，只有这样才能有效 地降低封装成本，并提高产品的性能。 1 2 1m e m s 气密封装的实现方法与应用 目前，主要有两种实现气密封装的办法：整体封装方法和后封装方法。 1 整体封装方法( i n t e g r a t e de n c a p s u l a t i o n ) 中国科学院上海微系统与信包技术研究所硕士学住论文 低温玻璃浆料在m e m s 气密封装中的应用研究 s 协p 1 ：鹇口d 叩吲岫 舯d e v i c e f o rs a c r f f r c i a | m a r e a s | e g s t e p 2 ：p o d y s i t l o o no rs i 3 n 4d v m o s i t i o n 罩- p r 硝e e l i o nc a p 署_!_髑k一一 f e t c h i n gc h 踟删 s t e p 3 ：s t r u c t u r en d 4 e a s ea n dv - a 峨u u ms e a l i n g m e t a do r c v o p o h = i i i o o n , n i t r t d eo r 图1 1 整体封装工艺流程图 所谓整体封装即是在制作部件的同时完成封装。一种典型的整体封装工艺【5 。1 2 如 图l 一1 所示。首先在微机械部件上沉积一层2 3 1 1 i n 厚的p s g ( 磷硅玻璃) 或者掺杂 多晶硅层作为牺牲层，然后在牺牲层上沉积几个微米厚的多晶硅或者氮化硅层作为外 保护壳层，并通过光刻在其上刻出一个小孔，h f 酸通过小孔将结构释放，最后在保 护层上生长一层l p c v d ( 低压化学气相沉积) 层或者金属层将小孔密封。整体封装 方法通过晶圆级封装获得低压和高气密性，成本较低。但是，由于空腔压力受c v d 工艺的压力及涉及材料的限制，导致压力可控程度较为有限，是这种途径的最大局限。 另外，这种方法工艺特殊，并不适合于大部分m e m s 器件的封装。 2 后封装方法( p o s t p a c k a g i n ge n c a p s u l a t i o n ) 后封装方法是指封装工艺独立于整个器件工艺，包括微机械部件释放工艺，它对 于各种微系统器件具有很高的灵活性。图l 一2 所示为一种目前工业上常用的后封装 工艺，其采用双列直插式封装形式( d i p ) 1 13 1 。将一个裸芯片置放于陶瓷管壳中，通 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论支 第一章引言 过金丝球焊与管腿相连，其上的盖板由焊料或陶瓷封接与管壳相连，即完成了整个封 装过程。而封装完成后腔体内压力可通过改变封装过程中的环境压力进行调节。但由 于陶瓷管壳较为昂贵，而且此工艺的生产效率较低，因此其成本较高。 s e a l i n gl d 图1 2 工业用后封装工艺原理图 另一种后封装方法是基于圆片级键合技术发展起来的。器件通过上下基板键合实 现密封 ” ，如图1 3 所示。上下基板在不同的晶圆上制作，材料可以选用硅或者 玻璃。两块基板通过阳极键合、共晶键合等键合手段封接在一起。由于这种方法可以 实现晶圆级封装，所以其成本较低。在下一部分中，将对各种键合技术做简略的总结。 b o d l i n g 舳 图1 3 采用晶圆键合技术的后封装方法 1 2 2m e m s 封装中的键合技术 许多m e m s 元件需要芯片键合工艺来制作电极和空腔，目前已经发展了诸多键 合技术，详见图1 4 。下面将对各种键合技术做简略介绍。 4 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 低温玻璃浆料在m e m s 气密封装中的应用研究 图1 4 圆片键合技术 1 阳极键合技术 硅一玻璃键合通常采用阳极键合。阳极键合技术于1 9 6 9 年为w a l l i s 和p o m e r a n t z 所发明，目前已普遍用于传感器和执行器的制作过程中。将表面镜面抛光的硅片 和p y r e x 玻璃片紧密接触，置于一个平面上，升温至1 8 0 5 0 0 ，并在硅片与玻璃片 两端加8 0 0 v 左右的高压，几分钟后即可形成紧密键合。这种方法对于键合表面的粗 糙度要求较高，应低于5 0 n m ，而且硅片和玻璃片的厚度也将大大影响键合的质量， 厚度越大，键合强度越差。在硅玻键合中，键合强度和键合密封性是键合质量的主要 参数。在玻璃片上覆有预先设定厚度的一组平行金属线，在键合后通过目测法可以评 估键合的质量，是一种阳极键合质量判定的简易方法 1 ”。这些平行线在阳极键合的 过程中相互分离，但此距离与键合强度之间没有明显的相关性，但可以用于评估键合 的气密性和优化键合工艺，己在s i p y r e x 硅片与p s g 中介层阳极键合过程的优化中 得以成功运用。b s c h m i d t 等【2 0 通过高能离子束分析，研究了阳极键合过程中在热 驱动之下碱性离子的迁移规律。得到碱性离子的迁移活化能为0 9 7 0 1 4 e v ，而且 与电场强度无关。研究表明，近表面的o h 一基团的迁移至为关键：氧化层的厚度与迁 移时间呈指数关系。由于硅一玻璃键合的温度较高，有时采用键合中介层来降低键合 温度川。j a p l a z a 等人运用静电压力的方法研究了在阳极键合中s i 0 2 、s i 3 n 4 和 多晶硅作为键合介质对键合强度的影响。研究表明，当s i o z 层的厚度增加时，静电 压力下降；s i 3 n 4 作为键合介质时，没有明显的静电压力问题，但键合的均一性很差； 在s i 0 2 、s i 3 n 。上沉积一层多晶硅间+ 以提高静电压力，从而获得更好的键合质量。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 第一章引言 2 硅一硅直接键合 对于硅硅键合，一般包含以下几个基本的具体步骤l ：2 3 】： 1 ) 无论硅片是否包含空腔等结构，两片硅片都必须经过表面抛光加工处理。 2 ) 在室温空气中，在净化室内或“微净化室”内，将两片硅片相接触，以免硅片表 面粘上其它颗粒或异物。 3 ) 在室温连接后，两片硅片之间通过范德华力和氢键相连接，其大小比典型的共价 键低一到两个数量级。通过在较高温度下进行热处理，可使其键合强度大大加强。 4 ) 对于许多( 但并非全部) 情况下，根据应用要求通常将其中的个硅片减薄至1 0 0 n m 或几个微米。 硅硅键合是硅微加工工艺的重要技术。硅熔融键合并不需要中间层，因而简化了 器件的制作。硅圆片直接键合已经用于制造s o i 器件和压力传感器。但由于需要进 行高温下的长时间处理，使该技术不能应用于已经含有c m o s 电路的硅圆片。针对 键合温度较高的问题，h i d e k i t a k a g i 等人提出了一种在室温下实现键合的方法。即 使用心离子束对试样表面进行处理，然后在室温下真空硅硅键合，实现封装。强度 与传统的湿表面处理和高温键合而得封装强度相接近，无须预压和高真空。这种方法 可用于m e m s 的组装和封装。a b e r t h o l d 等人 2 5 , 2 6 在硅硅键合中采用s i 0 2 作为介质。 因为工艺温度较低( 1 2 0 。c ) ，键合前表面的化学处理对电路没有损害，所以可以键合 带有电路的硅片。 许多微机电器件需要对其空腔作密封封装，在空腔内需要获得真空环境，这可以 通过在真空条件下进行硅片直接键台( s d b ) 予以实现。器件的性能很大程度上决定 于空腔内残余气压的大d , $ 1 1 稳定性。s m a c k 等人【2 7 1 研究表明，在不同的真空度条件 下键合后的残余压力也不相同。来自外界环境的气体泄漏和在退火时键合界面上发生 气相化学反应的产物将使空腔内的气压剧烈增加。空腔内的气压主要决定于键合面 积。在退火后憎水基片键合较亲水基片键合能够得到低得多的残余压强。对于亲水基 片键合来说，空腔内的主要气体成分是氢化物和水；在退火后，需要一个较长的放置 时间气压方可达到稳定值。为了保证微机电压力传感器在制作过程中获得较低的残余 压力，应尽量使用憎水基片键合，并在设计时尽量减少键合时包围空腔的接触面积。 通过硅硅键合、薄膜中渗硼等工艺制作了用于测量血压的电容型传感元件2 8 1 ， 三维尺寸只有1 3 0 uy 1 x 1 3 0 u m 0 ，8 儿1 t i 。 中国科学院上海微系兢与信息技术研究所硕士学位论丈 低温玻璃浆料在m e m s 气密封装中的皿用研究 3 粘合剂键合技术 粘合剂主要包括四种成分：环氧树脂、填充剂、溶剂、增强剂如硬化剂等。粘合 剂的键合机理很复杂，它依赖于粘合剂的种类。一般来说，键合力的主要来源为高分 子之间的范德华力。低残余应力以及低处理温度是粘合剂键合的主要优点，其处理温 度只需大约1 5 0 。c 。a j o r d a i n 等【2 9 】采用b c b 为键合材料，成功实现了测辐射热仪的 气密封装。但由于粘合剂的性能会随着环境湿度与温度的变化而变化，其键合强度亦 将随着时间的增长而降低，这也限制了其在m e m s 封装中的应用。 4 焊料键台技术 焊料键合技术已经被广泛应用于微电子封装领域9 们。根据材料的不同，又可细 分为共晶键合( 硬焊料键合) 和软焊料键合两种。 硬焊料被定义为在相应于焊料成分的相图上，其液相线介于3 1 59 c 4 2 5 。c 之间的 焊料。a u s i 、a u s n 都是常用的共晶键合材料。a u s i 键合时，可在其中一片或两片 的表面上覆盖一层金。图1 - - 5 3 1 1 为a u s i 的二元合金相图。a u s i 共晶键合必要的工 艺温度( 4 0 0 。c ) 比a u s i 共晶温度( 3 6 3 v ) 高。当环境温度高于共晶点时，两相接 触区域将按共晶点处成分比形成液态合金。当温度降低时，合金凝固，即形成“共晶 键合”。金硅共晶键合中增加中间键合层，即增加中间粘结材料，则很有潜力来降低 键合温度。 图1 5a u s i 合金二元相图 通常不建议将会硅共晶键合用于集成化的传感器巾因为金可能会对c m o s 电 路造成重金属污染，这是不希望的。金硅共晶键合也有很大的缺陷：难以获得完整的 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 7 第一章引言 大面积键合，而自然氧化物的存在也会阻止键合的进行。 共晶键合具有很高的键合强度。例如，对于a u s i 二元系统，键合后的强度可达 2 4 5 m p a 3 2 】。同时键合结构具有较好的耐蚀性，并能承受较高的使用温度。但共晶键 合存在以下几个缺点：1 键合温度高，残余应力大；2 焊料本身硬度较高而不能如同 软焊料那样有效吸收键台结构中由于热失配导致的应力；3 焊接成本高，使用传统共 晶键合技术，升温时间较长，大约需要1 个小时才能达到所需温度，但目前l i w e il i n 开发出新工艺，采用局部加热方法，可以在5 分钟内完成封接【3 ”。除了a u s i 系统， t i s i ，a u s n s i ，a u g e s i ，c o s i 亦都被应用于m e m s 封装中3 4 _ 3 ”。 软焊料被定义为在相应于焊料成分的相图中，其液相线低于3 1 5 。c 的金属焊料 3 8 1 。软焊料的种类很多，如p b s n 、p b i n 、i n s n 焊料等。其主要优点为：1 键合温 度较低；2 提供较高的键合强度；3 硬度较硬焊料低，所以能够吸收由于温度变化产 生的热应力。其缺点为：1 与硬焊料相比塑性大，易产生疲劳失效：2 不耐高温；3 常需要助焊剂的使用，而对于很多光电器件的封装，助焊剂将严重影响器件的性能。 目前a s i n g h 等人成功的将此技术运用到了m e m s 封装中3 ”。他们使用i n 作为中介 层，将其电镀到c u 焊盘上，在两块硅片两端施加3 5 0 m p a 的压力并加热即可实现键 合，键合强度可达1 0 m p a 。 根据定义，软焊料和硬焊料的区别在于两者的使用温度不同。这一差别导致了两 种焊料的各自的优缺点，即硬焊料键合温度高，可在高温下使用，强度高；但冷却以 后残余热应力大。软焊料键合温度低，不耐高温，易发生疲劳，强度略低；但冷却后 残余应力较小，能吸收部分热应力。 5 玻璃粉料键合技术 玻璃粉料是一种无机材料，有机溶剂在工艺过程中耗尽，因此其可靠性优于有机 焊料，在长期的使用过程中不会释放有机气体。目前玻璃粉料通常用于传感器的封装 中，其工艺简单，成本低，并可实现圆片级的封装。 1 ) 封接材料的选择 玻璃粉料出多种元素的氧化物组成，最初的玻璃粉料仅用于金属或陶瓷外壳与陶 瓷衬底之间的连接。通常所采用的玻璃粉料主要为p b 0 、z n 0 、b 2 0 3 三元系易熔玻璃 4 0 1 ，p b o 和b 2 0 3 的共晶熔融温度在4 9 0 0 c ( 8 7 5 p b o 1 2 5 b 2 0 3 ) ，通过加入z n o ， 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 低温玻璃求料在m e m s 气密封装中的应用研究 s i 0 2 及a 1 2 0 3 等，可以使熔融温度降到4 5 0 。c 以下。它与硅片具有很高的键合强度， 而且其密封性能也要优于粘合剂封装。 玻璃焊料可根据器件的特点、要求及应用来选择成分配比，采用优化的工艺参数 可保证良好的气密性。玻 离焊料的典型特征如下： 玻璃类型 玻璃的热膨胀系数c t e 玻璃化转变温度t g 颗粒尺寸分布p s d 工艺温度下玻璃的流动性和浸润性 玻璃组分与其应用的兼容性 玻璃主要分两类：玻璃态和结晶态玻璃。玻璃态的玻璃是热塑性的，每次烧结时 在同一温度下产生流动。结晶态的玻璃是热固性的，在烧结过程中结晶，烧结的产物 与原来的玻璃具有不同性质。实际的结晶过程和结晶产物可根据烧结条件和颗粒尺寸 分布的不同而改变，以达到更大的强度，或允许更高的器件工作温度。 玻璃焊料也可以由好几种不同的玻璃合成，或者由玻璃与陶瓷填充料合成。这通 常用于满足某些特殊的要求，如单种玻璃不能提供的热膨胀和烧结温度。 玻璃焊料的热膨胀应该尽可能接近其衬底材料，以避免焊料与衬底之间产生应 力，导致破裂和失效，这就是通常所说的“匹配”。在一些特殊的结构中，“应力匹配” 可以通过在两种不同的材料中使用过渡层实现。 每种玻璃都有一个最高工作温度，它是在不会导致器件因玻璃剥落而失效的情况 下的器件的运行温度。通常它比玻璃化转变温度t g 稍低。结晶态玻璃在烧结后将会 有一个依赖于结晶相形成的最高工作温度，有时这个温度会大大高于原来的结晶温 度。 以颗粒尺寸的最大值d m a x 和平均值d 5 0 来衡量的p s d 或粉末类型应该足够小， 以达到期望的烧结厚度和线条清晰度。通常情况下，越好的粉末对工艺的要求也越高。 对结品态玻璃来说，p s d 的改变能够影响烧结的c t e ，流动性和浸润性，浓度和强 度。 2 ) 典型的封装工艺 玻璃粉料做为焊料应用于衬底与各部分之间焊接可采用如下技术：丝网印刷，旋 中国科学院上海微系统与信皂技术研究所硕士学位论文 第一章引言 转涂布，预成型等等。其中典型的应用方法就是将玻璃粉料与介质混合形成浆料。适 用于玻i 离粉料的介质通常由粘合剂充当，用于提供粘着力，强度和溶剂。粘合剂的溶 解量越大，强度就越大，介质的粘性也越强，也就是玻璃浆的粘性越强。粘合剂应选 择可分解的或在玻璃化转变温度t g 下可燃解的。 上述的各种焊料成型的方法都对应一个最佳的浆料粘稠度，应根据实验设备以及 玻璃焊料的应用特性来确定使用什么样的方法。玻璃浆料的粘度由玻璃粉料与介质的 比例确定，并与玻璃的颗粒尺寸分布有关。玻璃粉料性能越好，相同比例下浆料的粘 度就越高，粘合剂的挥发就越困难。 浆料成型完成以后，需要在空气中加热至1 2 5 。c 一1 5 0 。c 保持l o 一2 0 分钟让溶剂 挥发。粘合剂的挥发通常在一个单独的燃尽阶段完成，或在焊接的过程中完成。 粘合剂的分解在空气中和低于玻璃化转变温度下进行最为有效。未完全燃尽的粘 合剂会导致多孔的产生，还可能导致可还原重金属掺杂的还原反应，如玻璃焊料中的 p b 元素。热处理时间和温度取决于粘合剂的选择、玻璃焊料层的厚度、玻璃颗粒尺 寸分布。通常称这个挥发或燃尽的过程为预烧结。典型的工艺曲线如图1 6 所示。 产品说明中列出的烧结温度可作为实验的参考，针对不同的情况( 玻璃浆料的印 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学拉论文 低温玻璃浆料在m e m s 气密封装中的应用研究 刷厚度，线宽，设备情况和器件工作条件等) 应适当调整烧结温度和时间达到最优化。 大多数结晶态玻璃都需延长烧结时间以达到适当的结晶化程度。对这类玻璃来说，时 间和温度的变化能极大的改变其性能，尤其是c t e ，焊接情况和外观状况。 最终的烧结通常在空气中进行，若需保护易氧化金属，则烧结可以在保护气体的 环境中进行，如氮气和惰性气体。空气的减少会引起玻璃焊料中重金属元素的还原。 加热速度通常由模块尺寸、外形及其热导率决定，须保证衬底模块和玻璃处于 平衡状态，结晶态的玻璃对加热速度尤为敏感。 冷却速度和加热速度类似。但在玻璃退火范围内，烧结的样品在从退火点t a 到 应变点t s t 的冷却速度应尽可能慢，应低于5 r a i n ，大的样品应低于3 m i n ，否则 玻璃与衬底间会出现c t e 失配。典型的烧结曲线如图1 7 ，图1 8 所示。 图1 7 典型的烧结温度曲线( 未经过预烧结) 中国科学院上海微系统与信包技术研究所硕士学住论文 第一章引言 3 ) 玻璃浆料键合的机理【4 ” 要实现玻璃浆料键合即是加热玻璃浆料到达足够高的温度以降低其粘度，使玻璃 浆料与封接表面达到浸润。这里的浸润是指玻璃浆料完全覆盖在键合区域。图1 9 为浸润良好的玻璃浆料与硅片的表面，图中可以看出，浸润角很小，大约为7 0 。 图】一9 熔融的玻璃浆料的浸润角 如果玻璃浆料与硅片表面接触良好，硅片表面的原子层会扩散到玻璃浆制中，在 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 低温玻璃裳料在m e m s 气密封装中的应用研究 表面处出现一个很薄的混和层，这样在硅片跟玻璃浆料之间就能达到很大的键合强 度。图l 一1 0 为玻璃浆料与硅片的界面处的s e m 图片。 图1 1 0 玻璃浆料与硅片的界面形态 4 ) 封接表面的要求 几乎所有微加工技术用到的材料都能使用玻璃浆料进行键合，而且不需要任何特 殊的预处理，例如硅，二氧化硅，氮化硅，p y r e x 玻璃等等，都是可行的键合衬底材 料，并且在键合前不需要表面活化处理。 玻璃浆料还有一个优点就是对表面平整度没有太大要求，包括粗糙表面，只要在 玻璃浆料熔融状态时能有良好的浸润性均可。这一优点很重要，因为在很多时候需键 合的表面在经历了等离子刻蚀或者淀积之后都会使表面变得粗糙不平。 1 3 本论文的主要工作 目前玻璃粉料封接技术已运用到了m e m s 圆片级气密封装中【4 2 - 4 “。该工艺可实 现圆片级的封装，大大降低了封装成本。因此，在满足稳定性和可靠性的条件下，采 用低温玻璃键合具有客观的经济效益。目前国内对玻璃浆料的制备及荦个元件的气密 封装有一定研究1 4 4 舶】，但关于圆片级封装及具体工艺过程未见报道。本文系统地研究 了玻i 离浆料在低温下气密封皱m e m s 器件的过程，并就气密封装过程中参数的优化及 封装后的气密测试等进行详细阐述。 中国科学院上海微系统与信息拉术研咒所硕士学位论文 低温玻璃袋科在w e m s 气密封装中的应用研究 表面处出现个很薄的混和层，这样在硅片跟玻璃浆料之间就能达到很大的键台强 度。图1 1 0 为玻璃浆料与硅片的界面处的s e m 图片。 图】一】0 玻璃裳料与硅片的界面形态 4 ) 封接表面的要求 几乎所有微加工技术用到的材料都能使用玻璃浆料进行键舍，而且不需要任何特 殊的预处理，例如硅，二氧化硅，氮化硅，p y r e x 玻璃等等，都是可行的键合衬底材 料，并且在键台前不需要表面活化处理。 玻璃浆料还有一个优点就是对表面平整度没有太大要求，包括粗糙表面，只要在 玻璃浆料熔融状态时能有良好的浸润性均可。这优点很重要，因为在很多时候需键 台的表面在经历了等离子刻蚀或者淀积之后都会使表面变得粗糙不平。 1 3 本论文的主要工作 目前玻璃粉料封接技术已运用到了m e m s 圆片级气密封装中：4 2 4 ”。浚工艺可实 现圆片纽的封装，大大降低了封装成本。因此，在满足稳定性和可靠性的条件下，采 用低温玻璃键台具有客观的经济效益。目前国内对玻璃浆料的制备及单个元件的气密 封装有一定研究i 4 4 “ ，但关于圆片级封装及具体工艺过程未见报道。本文系统地研究 了玻璃浆剃在低温下气密封装m e m s 器件的过程，并就气密封装过稃中参数的优化及 封装后的气密测试等进行详细鲷述。 封装后的气密测试等进行详细鲷述。 中国斟学院上海微苹统与信包技# 研究所硕士学住论主 第一幸引言 论文第二章介绍了玻璃浆料封装的结构设计，分析了实验中使用的f e r r oh 一 0 3 6 密封玻璃浆利的材料特性，并对整个工艺过程进行了洋细阐述。 第三章是封装工艺参数的优化问题。封装工艺分为预烧结、烧结两个阶段，论文 分别就两个阶段的时间、温度、压力、气氛等方面进行不同参数的试验，并通过形貌 观察和剪切力测试对各项工艺进行评估。 第四章对封装后的腔体进行气密性检测。分别通过氦气精检和氟油粗检两步进行 气密性验证。 第五章是玻璃浆料气密封装的应用之一真空封装。实验以m e m s 谐振器为测 量真空度的传感器，用玻璃浆料将其于真空环境下密封在一个硅的密封腔里，通过对 器件谐振时的q 值的测量来衡量其腔体内的真空度和密封程度。 第六章对全文进行了总结。 4 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 低温破璃浆料在m e m $ 气密封裴中的应用研究 第二章密封结构的设计、制作与检测 2 1 密封结构的设计 含器件的晶圆通常在划片前进行圆片级封装。盖板圆片可预先通过印刷喝预烧结 形成玻璃浆料图形后，硅盖板与器件所在的晶圆经对准后键合，则器件被密封在玻璃 浆料和硅盖板围成的腔体中。在盖板上通常需要制作通孔以便实现器件与外部电路的 互连。 图2 1 密封结构示意图 密封结构的剖面图如图2 1 所示 46 1 。硅盖板上首先用钻孔或各向异性腐蚀的方 法制作电学互连的通孔。然后在此盖板上通过丝网印刷的方法形成一定厚度和线宽的 玻璃浆料图形，此图形的设计根据器件而定，使器件可被环绕在玻璃浆料当中。将盖 板与器件所在的硅衬底通过对准标记或者互连通孔对准后进行回流键合。玻璃浆料作 为键合材料，其中的有机溶剂在烧结过程中会挥发或燃尽。当达到一定温度后，浆料 中的颗粒熔融，将上下硅片连接在一起，实现键合。可以通过控制回流的气氛条件实 现不同器件的不同封装要求。例如，在真空环境下的回流可实现真空封装：若只是要 求气密封装，则可以在氮气或者惰性气体中进行( 不能在大气中进行，因为器件上的 金属布线通常为铝，在空气中升温易氧化) ，并且封装腔体的气压与封装环境中的气 压一致。 2 2 封接材料特性分析 本实验选用f e r r o 公司生产的0 3 6s e a l i n g g l a s s 。1 1 0 3 6 是一种专门用来密封低 热膨胀系数基板的非晶态厚膜玻璃，这里所指的低c t e 的基板包括s i ，铝土，以及 中国科学院上海微系统与信息扳术研究所硕士学位论文 第二章密封结构的设计与制作 s o d al i m e ( 碱石灰) 等。这些材料的c t e 与1 1 0 3 6 玻璃浆料的c t e 非常接近，粘合 后界面热应力比较小，可以很好的保证封装的可靠性。1 1 - 0 3 6 是玻璃粉料溶解在有机 溶剂中的浆状体，有机溶剂主要成分是松油醇，以及少量成膜助剂。在3 5 0 一3 7 5 温度范围内，其中的有机溶剂已经能够燃尽，在4 2 5 。c - - 4 5 0 的烧结过程中实现密 封键合。在实验中玻璃浆料都是通过丝网印刷在基板上的，烧结前要求在空气中1 0 0 一1 2 0 放置7 一l o 分钟以便溶剂的挥发。具体的1 卜0 3 6 一些典型指标由下表列出： 典型指标 v i s c o s i t 7 3 0 0 6 0 0 p o i s e r e c o m m e n d e ds c r e e nm e s h2 0 0 5 0 0 d r yp r i n tt h i c k n e s s 2 2 2 8u n l f i r e dp r i n tt h i c k n e s s1 1 1 4 u m l a r g e s tp a r t i c l e s 1 5 u m s o l i d sc o n t e n t 7 6 + 1 一 d r y i n gt e m p e r a t u r e 1 0 0 1 2 0 d r y i n gt i m e 7 10 m i n u t e s g l a z i n gc y c l e p e a kt e m p e r a t u r e 4 0 0 4 2 5 t i m ea t p e a k1 5 m i n u t e s t 0 t a lp r o f i l e 3 0 m i n u t e s s e a l i n gc y c l e p e a kt e m p e r a t u r e4 2 5 4 5 0 t i m e a t p e a k5 10 m i n u t e s t b t a lp r o f i l e3 0 m i n u t e s 以上数据是基于某一尺寸的参考值，实际实验中，出于印刷模板的不同，印刷图 形的线宽和印刷厚度也各不相同。因此，为了达到最佳的粘合效果，在实验中需要根 据实际情况调整烧结温度和时间，以使回流曲线最优化。 玻璃焊料的c t e 为9 0 x 1 0 _ 7 ，而所用的基板玻璃的c t e 为3 3 1 0 _ 。o c ， 盖板硅片的c t e 为2 6 x1 0 - 7 。在键合过程中会有热应力的存在，因此需要优化工 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 低温玻璃浆料在m e m s 气密封装中的应用研究 艺参数，如降低降温速率等，使热应力最小。 为了进一步了解f e r r o 公司的这种玻璃浆料，对该材料进行了一些物理分析。例 如，通过对玻璃浆料进行荧光分析，可得到e d x 能谱图，如图2 2 所示，并根据该 图计算出各组分的百分比( 均以氧化物形式表示，见表2 1 ) 。 图2 2 玻璃浆料e d x 能谱图 表2 一i 玻璃浆料成分组成 组分w t a t m g o 6 5 9 1 2 8 4 a 1 2 0 3 2 9 7 62 2 9 3 s i 0 2 4 3 6 75 7 1 0 p b 0 2 1 9 0 96 2 7 z n oo 8 8o 8 5 t o t a l1 0 0 0 01 0 0 o o 组分中的p b 0 2 ，z n o 有利于焊料在烧结时与基板的成核，增加粘结强度。 对玻璃浆料还进行了热分析( d s c ) ，观察它在加热和结晶过程中发生的变化。 f e r r o1 l - - 0 3 6 密封玻璃浆料的键合峰值温度为4 5 0 ，我们将玻璃浆料以1 0 。c m i n 的升温速率加热到7 0 0 ，观察其变化。实验曲线如图2 3 所示，蓝色为d s c 曲线， 绿色为t g 曲线。从图中可以看出，d s c 曲线在1 8 2 7 和3 3 93 出分别有两个较为 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学住论文 1 7 第二章密封结构的设计与制作 明显的放热峰，正好对应t g 曲线中两段的速率最大处，表明在这两个温度点附近， 玻璃浆料中的有机成分发生了比较剧烈的反应，有机溶剂氧化或者燃烧生成碳的氧化 物等等。t g 曲线明显下降，说明生成的物质为气态，反应后从玻璃浆料中释放出来 导致玻璃浆料质量的减少。从图中可以看出，在经历过1 8 2 7 的反应区后，到2 5 0 时，玻璃浆料的质量减少了1 2 5 。在3 3 9 ，9 的反应过后大约到3 6 0 时，玻璃 浆料的质量又减少4 5 3 。3 6 0 * ( 2 后再升温，t g 曲线表明其质量基本不变，而d s c 也仅在高温区有一些毛刺，分析后推断可能是金属离子的氧化一还原反应。此图充分 说明，在3 6 0 的烧结温度下，玻璃浆料中的有机溶剂能充分挥发或燃尽。 图2 3 玻璃浆料升温段的d s c - - t g 曲线 由于实验中玻璃浆料是预烧结后还要经过再次熔融烧结的，所以我们对玻璃浆料 结晶后再升温也进行了d s c - - t g 热分析，如图2 4 所示。将玻璃浆利以1 0 m i n 的速率从3 0 升温到4 5 0 。c ，再以1 0 。c m i n 的速率从4 5 0 下降到3 5 ，随后再以 1 0 。c r a i n 的速率从3 5 升温到4 5 0 ，观察其热重及热容变化。对3 0 到4 5 0 的升 温过程分析如上段所述，有机