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硕- i ：论文 微机电系统品网级玻璃焊料密封的工艺研究及热应力分析 摘要 采用玻璃焊料作为密封材料印刷在晶圆上，通过低温键合对多个芯片同时密封，得 到的产品不但气密性好、成本低而且键合强度高、可靠性好。本文通过实验和有限元分 析两种方法相结合，对微机电系统晶圆级玻璃焊料的密封工艺及热应力进行研究，制定 出较好的封装工艺，为批量工业化生产提供参考。 通过有限元法对键合热应力进行分析，得到热应力最大值位于玻璃焊料与硅片接触 面的外拐角处，其次是玻璃焊料内外边缘处；采用较小热膨胀系数和弹性模量的密封材 料可以降低热应力；玻璃焊料线宽对热应力影响不大，厚度和键合温度越大热应力越大。 经过丝网印刷、预烧结和键合过程的实验研究并结合有限元分析，确定较合适的封装工 艺参数为：印刷用的丝网线宽为0 3 m m ，采用压力为4 0 n 的橡胶刮刀印刷，脱模速度为 2 m m s ；预烧结峰值温度为4 4 0 。c 且保温1 0 m i n ；键合温度4 4 0 ，键合压力3 0 k p a ，键 合后降温速率1 0 m i n ，焊料厚度为0 0 0 5 m m - - 0 0 1 m m 。对键合后封装单元进行剪切强 度测试发现失效主要位于玻璃焊料中。 针对键合后玻璃焊料线宽过大的现象进行改进，采用刻蚀槽法得到了形貌较好的玻 璃焊料环，刻蚀槽线宽为0 4 r a m 或0 5 m m 、深度为0 0 1 r a m 时较好；有槽键合后得到玻 璃焊料的热应力小于无槽键合时的热应力。对工艺改进后的封装单元进行检测，气密性 测试合格率为9 0 ，可靠性测试合格率为8 5 ，剪切强度测试合格率为1 0 0 。结果表 明，工艺优化后得到了符合标准且性能优异的产品。 关键词：微机电系统，晶圆级封装，玻璃焊料，热应力，有限元分析 a b s t r a c t 硕十论文 a b s t r a c t g l a s ss o l d e ri sp r i n t e do nt h ew a f e ra ss e a l i n gm a t e r i a l m a n ym e m sd e v i c e sa r es e a l e d b yl o w - t e m p e r a t u r eb o n d i n g w ec a l lg e tt h ep r o d u c t sw i t hg o o da i rt i g h t n e s s ，l o wc o s t ，h i g h b o n d i n gs t r e n g t ha n dg o o dr e l i a b i l i t yb yt h i sw a y i nt h i sp a p e rt h ew a f e rl e v e lg l a s ss o l d e r e n c a p s u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rm e m sa n dt h e r m a ls t r e s sa r es t u d i e db yt h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d si no r d e rt of i n dt h e b e t t e rp a c k a g i n gp r o c e s s e sa n d p r o v i d er e f e r e n c ef o ri n d u s t r i a lm a s sp r o d u c t i o n t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss h o w st h a tt h em a x i m u mt h e r m a ls t r e s si si nt h eo u t s i d e c o m e r so ft h eg l a s ss o l d e r t h et h e r m a ls t r e s si nt h ee d g e so fg l a s ss o l d e ri sa l s oh i g h t h e l e s st h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n dy o u n g sm o d u l u so fs e a l i n gm a t e r i a lc a na v a i l a b l y r e d u c et h e r m a ls t r e s s t h e r ei so n l yas m a l li n f l u e n c eo ft h eb o n df r a m ew i d t ho fg l a s ss o l d e r o nt h et h e r m a ls t r e s s t h et h e r m a ls t r e s si n c r e a s e s 、析t ht h ei n c r e a s eo fg l a s ss o l d e r st h i c k n e s s a n db o n d i n gt e m p e r a t u r e b yt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha b o u t s c r e e np r i n t i n g ，p r e s i n t e r i n ga n db o n d i n gt h ep a p e rg e t st h eb e t t e rp a c k a g ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r s t h ef r a m ew i d t ho fs c r e e ni s0 3 m m ，t h ep r e s s u r eo fr u b b e rs c r a p e ri s4 0 n ，t h e s e p a r a t i n gs p e e do fw a f e ra n ds c r e e ni s2 m m s t h ep r e - s i n t e r i n gp e a kt e m p e r a t u r ei s4 4 0 c 诵t l l10 m i n t h eb o n d i n gt e m p e r a t u r ei s4 4 0 c ，t h eb o n d i n gp r e s s u r ei s3 0 k p aa n dt h e c o o l i n gr a t ea f t e rb o n d i n gi s1 0 。c m i n t h et h i c k n e s so fg l a s ss o l d e ri so 0 0 5 m m - - o o l m m f a i l u r e so c c u rf r e q u e n t l yi ng l a s ss o l d e ra b o u ts h e a rs t r e n g t ht e s t t h ef r a m ew i d t ho fg l a s ss o l d e ra f t e rb o n d i n gi si n c r e a s e de x c e s s i v e l y t os o l v et h i s p r o b l e mw ee t c hg r o o v et ol i m i tt h ef r a m ew i d t ho fg l a s ss o l d e ra f t e rb o n d i n ga n dg e tb e t t e r s h a p eo ft h eg l a s ss o l d e r t h eb e t t e rf r a m ew i d t ho fg r o o v ei s0 4 r a mo r0 5 m ma n dt h e d e e p n e s si so olm m t h et h e r m a ls t r e s si sl o w e rw i t hg r o o v et h a nt h a tw i t h o u tg r o o v e a f t e r p r o c e s so p t i m i z a t i o n ，w ec a r r yo nas e r i e so ft e s t st ot h es e a l e du n i t s t h eq u a l i f i e dr a t ei s 9 0 i nt h el e a k a g et e s t ，8 5 i nt h et h e r m a lr e l i a b i l i t yt e s t ，a n d10 0 i nt h es h e a rs t r e n g t ht e s t t h er e s u l t ss h o wt h a tw eg e tt h eh i g hp e r f o r m a n c ep r o d u c t sa f t e rp r o c e s so p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：m i c r o - e l e c t r o n i c - m e c h a n i c a ls y s t e m ，w a f e rl e v e lp a c k a g i n g ，g l a s ss o l d e r , t h e r m a ls t r e s s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕七论t 微机电系统圆缀玻璃焊料密封的工兰研究及热应力分析 i 绪论 1 1 微机电系统封装概述 1 1 1 微机电系统简介 在信息技术飞速发展的今天，微系统器件作为信息技术的基础扮演着越来越重要的 角色，已经走进我们生活的方方面面中。微机电系统( m i c r o - e l e e l a o n i c m e c h a n i c a ls y s t e n x m e m s ) 是继微电子技术后的又一次技术浪潮，它把硅微细加工与微机械加工技术结合起 来，集微型机械、微型执行器、微型传感嚣、信号处理和控制电路等器件于一体- l l 。微 机电系统概念最早出现在1 9 8 9 年的微机械加工技术国际学术会议上，后来被美国国防 部视为急需发展的新技术。微机电系统涉及微机械学、微电子学、物理学、化学、材料 以及自动控制等多个学科。由于它有尺寸小、精度高、重量轻、性能好等一系列优点， 在生物、信息、国防、农业、工业、航空航天等领域有广泛应用吲。 微机电系统分为硅基微机电系统和非硅基微机电系统。硅基微机电系统是在硅晶圆 片上制作精细尺寸图形。图1l 就是一个硅基微机电系统器件的局部放大图，从图中可 以看到在不到两毫米的硅片面积上刻蚀了许多精细的图形，由此可见，微机电系统制作 技术是一种非常精细的微加工技术。目前，比头发还细的微机电系统器件已经制作出来 了。微机电系统器件以硅为主要材料，出于硅具有较高的强度、硬度、热导率以及热膨 胀系数，密度与铝相近，所以具有优良的机械和电气性能，同时硅对很多效应非常敏感， 是制作传感器的最佳材料，因此硅基微机电系统已经占据主导地位】。 囝1 1 微机电系统器件局部放火图 微机电系统虽然是在集成电路的摹础上发展起来的，但是它与集成电路之间存在很 l 绪论硕十论文 大差别，主要表现在以下方面： 表1 1 微机电系统和集成电路的比较【4 】 集成电路 微机电系统 平面结构三维结构 器件不具有活动性 器件具有活动性 封装技术成熟封装技术不成熟 包含元器件较少包含元器件较多 有成熟的设计方法和标准在设计、封装和测试中尚无标准 满足电功能即可功能多样性 对环境不敏感 对环境敏感 表面加工工艺多种加工工艺 半导体材料材料多样 电信号机械、电、光等信号 微机电系统已经渗透到各个领域，各种各样的器件已经被研制出来，如微加速度计、 微陀螺仪、力敏传感器、表面贴装麦克风、数字微镜器件、m e m s 光开关、r f m e m s 、 血管微机器人以及打印喷墨头等1 5 j 。但是，不同的微机电系统器件需要不同的封装方法， 由此引出许多亟待解决的封装问题。 1 1 2 微机电系统封装技术 微机电系统器件制作出来并不能直接应用，因为这些器件包括很多微小的可动部 分，极易受到外界环境的干扰，从而造成器件失效。比如r f m e m s 中的机械结构在不 加保护的情况下容易受到外界灰尘、水汽等的干扰，导致引线损坏，从而与可动部件粘 连在一起，使得器件失效。所以微机电系统器件一定要经过封装才能使用。尽管目前微 机电系统技术已经很成熟了，但是很多器件并没有得到实际应用，仍然停留在实验室阶 段，原因是没有解决封装问题。微机电系统的封装成本可以占到总成本的5 0 至9 5 ， 所以封装问题已成为微机电系统广泛应用的瓶颈。因此，研究微机电系统封装意义重大， 它甚至会带来微电子行业的重大变革。 微机电系统封装与一般的微电子封装存在很大差异，微机电系统封装成本远远高于 一般微电子的封装成本；微机电系统封装的元器件数量多于一般微电子封装所用的元器 件；微机电系统封装所用材料的种类多于一般微电子封装所用的材料；微机电系统封装 为立体结构的封装，复杂程度远远大于一般微电子的平面封装。因此，微机电系统封装 的功能多样性远远大于一般的微电子封装。同时，微机电系统封装技术的成熟度不如一 般微电子封装技术成熟，并且没有相关工业标准。 2 硕一l ：论文微机电系统品圆级玻璃焊料密封的t 艺研究及热应力分析 微机电系统封装涉及机械学、电工电子以及材料科学等方面的技术，因此是典型的 多学科相互交叉的领域，对研究人员和工程师提出了很高的要求。机械学方面涉及应力 的产生与消除；电学方面涉及信号的传输与分配；材料学方面涉及材料的力学性能，导 电、导热性能，密封性能等【6 1 。微机电系统封装有以下几种分类m 】： 1 ) 按封装层次分为：晶圆级封装、芯片级封装和系统级封装； 2 ) 按密封性分为：非气密封装和气密封装； 3 ) 按封装材料分为：金属封装、陶瓷封装和塑料封装。 微机电系统封装有应力低、封装强度高、气密性好和真空度高等一系列要求，因此 对封装技术的要求非常高，目前主要有以下封装技术【9 , 1 0 ： 1 ) 键合技术，它指引线键合和表面键合。引线键合是利用热能、压力能、超声能 提供能量的相互连接技术；表面键合包括阳极键合、硅硅直接键合以及低温表面键合。 键合过程要求温度较低，有足够高的键合强度，气密性好。同时，键合中不能损坏微机 电系统的器件。 2 ) 倒装芯片技术，它包括柔顺凸点技术、焊柱凸点技术、焊膏倒装芯片组装技术 等，具有尺寸小、功能强、性能高和成本低的优点，缺点是检测和返修等比较困难。 3 ) 多芯片封装技术，是把多个集成电路芯片封装于同一个基板上，因此具有性能 高、小型化、可靠性高和适应性强等优点。 未来微机电系统封装将会朝着更加微型化、多样化和低成本方向发展。封装中一直 很难克服的问题就是低成本，每年的微机电系统封装会议都会激烈讨论这个问题。因此， 晶圆级封装成为人们关注的焦点，越来越多的晶圆生产工厂也开始涉足微机电系统领 域，他们拥有封装所需要的资源，从而推动了晶圆级封装的发展。实践证明，晶圆级封 装能够在保持封装性能的基础上大大降低封装成本。所以随着技术的发展，微机电系统 封装朝向晶圆级发展已经成为主流。 1 2 微机电系统晶圆级封装 1 2 1 晶圆级封装技术 随着i o ( 输入输出端口) 距离的不断减小，引线键合技术已经不能适应，晶圆级 封装( w a f e rl e v e lp a c k a g e ，w l p ) 应运而生。w l p 不像传统的芯片封装工艺那样，先 将晶圆切割成一个个单独的芯片，然后再分别封装。w l p 直接在晶圆上对众多的芯片 一起封装，把芯片的制作、封装与老化、测试融为一体，改变了传统工艺中芯片制作与 封装相互分离的状况，大幅度提高了封装效率，降低了封装成本，从而发展为颇具潜力 的新封装技术【l 。晶圆片可以是单晶、多晶或者无定形硅，晶圆片上芯片的数量越多， 封装的成本就越低。封装好的晶圆片经过划片得到单个芯片，之后就可以进行直接贴装。 3 绪论碰i 。论女 图l2 就是封装后的晶圆片，可以看到上面有许多独立的封装单元。 圈l2 封装后的晶嘲片 品圆级封装采用了薄膜再分布技术和凸点技术【1 2 1 ，薄膜再分布技术改变了在晶圆上 将i 0 铅焊区经过薄膜再布线的传统工艺，使之变成在整个芯片卜按阵列分布的焊区并 形成焊料凸点。它具有成本低、大批量生产和可靠性高等优点。凸点技术主要通过三种 方法柬制作球栅阵列，分别是丝网印刷、预制焊球、电镀。晶网级封装是表面贴装技术， 要求焊料高度有好的一致性，焊料成分均匀。田此，如何把焊料制作的均匀一致己经成 为研究热点。 晶圆级封装结合了球栅阵列式封装和芯片尺寸封装的优势，因此具有以下优点【l ： 1 ) 具有轻、薄、小、短的优点： 2 ) 封装效率高，可以同时对众多芯片进行封装，大大提高了效率； 3 ) 设备投资较低，可以利用芯片的制作设各，不必另行投资封装生产线，降低了 生产成本； 4 ) 晶圆级封装的引线比较短故能得到更好的电学性能： 5 ) 可以同时兼顾芯片设计与封装设计，提高了设计效率，降低了费用： 6 ) 与传统工艺相比，制作周期太为缩短制作成本降低； 7 ) 可以通过增大晶圆面积封装更多芯片，从而使单个芯片的成本降低。 但是这种封装方法也存在一些缺点，由于封装时是同时对众多芯片进行封装，就会 造成好的芯片和坏的芯片一起封装，当成品宰相对较低时就会使封装成本提高；另一个 缺点是在切割成单个芯片时，可能会对一些布线造成损坏。封装的材料也可能黏在切割 刀锋上。虽然品厕红封装存在这些缺点，可是它的优点还是根明显的，所以现在越来 越多的厂家投资晶圆级封装。 晶圆级越装中最重要的就是气密性要好，所以键台质量就成为封装的关键。所谓晶 圆键台就是通过化学或物理的方法将两片晶圆结合在一起，以达到密封效果。图13 就 硕上论文微机 乜系统品网级玻璃焊料密封的t 艺研究及热应力分析 是一种典型的晶圆级封装结构示意图。所有器件通过晶圆键合可以一次性完成封装，故 而可以有效减少封装过程中对器件造成的损坏。 焊料 硅盖板 硅基板 芯片- d 万 图1 3 典型的晶圆级封装示意图 晶圆级封装键合要求键合温度低，有足够键合强度，气密性好，键合过程不能损坏 微机电系统器件。晶圆级键合技术可以分为有中间层键合技术和无中间层键合技术【l6 ， 有中间层键合技术又分为合金焊料键合、粘合剂键合、玻璃焊料键合和具有玻璃夹层的 硅硅键合( 阳极键合) ；无中间层键合分为硅直接键合和阳极键合中的玻璃硅键合。下 面是几种常用的晶圆键合技术【17 j ： 1 ) 硅直接键合 这种方法又称为硅片熔融键合，属于无介质直接键合。l a s k y 等在1 9 8 5 年就发现了 这种技术，从此被广泛用于晶圆级键合中，目前已广泛投入商业化生产。键合过程是首 先把两片硅片抛光，然后将两片硅片在8 0 0 11 0 0 ( 2 i 憎j 下键合，温度越高键合强度越 大，气密性和稳定性越好。1 0 0 0 的键合温度可以得到1 0 2 0 m p a 的键合强度，原理是 利用了硅晶圆片表面羟基的高温相互链接【1 9 1 。因为两片硅片的热膨胀系数相同，所以键 合时几乎没有热应力，这也是硅硅直接键合的优点之一。但是由于键合温度较高，可 能对一些电路有损害，所以针对这个问题h i d e k it a k a g i 等人【2 0 】提出了一种低温键合方 法，首先通过心离子束对硅片表面进行处理，然后在真空气氛下实现室温硅一硅直接键 合，其封装强度与在高温键合下得到的封装强度差别不大。a b e r t h o l d 等人1 2 l j 在硅硅 键合中用二氧化硅作为中间介质，也使键合温度降低到1 2 0 。这种键合技术的另一缺 点是容易受到杂质污染的干扰，同时对表面粗糙度和平整度的冗余程度低，晶圆片没有 高的表面粗糙度。 2 ) 阳极键合 这种键合技术由p o m e r a n t z 2 2 1 等发明，至今已有四十多年历史了。这是一种将玻璃 与硅等半导体键合起来的技术。一般将硅片连接于阳极，玻璃连接于阴极，键合温度通 常在3 0 0 - 4 0 0 ，电压在5 0 0 1 0 0 0 v 2 3 】。该技术的原理是，当施加电压时，玻璃与硅片 中的正负离子发生扩散，玻璃中的n a + 向背离界面的方向扩散，自由的o 。从玻璃向界面 处扩散，在两种材料间形成很大的静电吸引，从而使两种材料结合到一起【2 4 】。太原理工 l 绪论硕i ：论文 大学的孟庆森【2 5 2 6 】等人发现在玻璃与硅的结合处形成了以二氧化硅为主的过渡层，氧、 钠、硅元素呈现梯度分布。键合必须在小的表面起伏上进行，粗糙度要求低于5 0 n m ，如 果粗糙度高了，就会影响键合质量，强度和气密性都会变差。键合质量与玻璃片和硅片 的厚度成反比。由于玻璃和硅的热膨胀系数相近，所以键合后的热应力较小。此方法的 工艺较简单，但是当大规模生产时成品率不能得到保证，同时此法键合时需要高的电压， 会对电路造成一定破坏。 3 ) 粘合剂键合 这是用高分子材料作为中间层的一种低温键合技术。般用环氧树脂在固化剂的作 用下通过高分子间的范德华力进行键合，由于键合温度很低( 1 5 0 左右) ，所以产生 的热应力比较小，但是封装气密性受外界环境影响很大。高分子材料长期暴露在高温高 湿的环境中极易老化，从而使键合强度降低，而大多数微机电系统都是在极其恶劣的环 境中工作，所以这种键合方法在微机电系统中的应用受到很大限制。 4 ) 合金焊料键合 合金焊料分为硬焊料和软焊料，硬焊料是液相线在3 1 5 4 2 5 之间的焊料 2 7 j ， a u s i - - 元合金就是其中的一种，在3 6 3 时发生共晶反应，所以在键合过程中，温度应 该高于共晶点，此时合金处于液态，当温度降到共晶点时，合金开始按照一定的成分比 例凝固，发生共晶键合。此种方法能够产生很强的键合强度，具有耐腐蚀、耐高温的优 点。但是此法难以获得完整的大面积键合，键合时还受到氧化物的干扰，焊接成本高。 软焊料是液相线低于3 1 5 的焊料1 2 引，主要的软焊料有p m n 、p b s n 、i n s n 等，其键合 温度比硬焊料低。因此，软焊料键合产生的热应力小于硬焊料键合。但是，由于软焊料 硬度低，耐高温性能差，容易发生疲劳失效，同时其使用过程中需要助焊剂，这会影响 到微机电系统器件的一些性能。软焊料和硬焊料各自有其优缺点，但是两者都不能实现 键合强度高、成本低且产生热应力小的理想键合，所以迫切需要一种结合两者优点的新 键合方法出现，而玻璃焊料就是一种比较优异的键合方法，它同时具有软焊料和硬焊料 的优点，是一种理想的键合材料。 5 ) 玻璃焊料键合 玻璃焊料由玻璃粉和有机溶剂组成，在预烧结过程中有机溶剂挥发，剩下熔融的玻 璃，其键合强度高，密封性能好，不受硅片粗糙度的影响。由于键合温度比较低，玻璃 焊料和硅片的热膨胀系数又比较相近，产生的热应力比较小，这种方法主要用在传感器 的气密封装中。本文要封装的微机电系统器件就是一个微型的传感器，所以选择玻璃焊 料气密封装，同时采用了晶圆级封装，提高了封装效率，降低了封装成本。 玻璃焊料成分组成是不同的，由于成分的差异其性能就有所不同，在选择封装用的 玻璃焊料时要充分考虑玻璃焊料与硅片热膨胀系数匹配性、玻璃化转变温度、颗粒的尺 寸分布、粘度和浸润性等陋1 。所以要根据物理化学性质，合理的选择成分及各成分间的 6 硕上论文微机电系统品网级玻璃焊料密封的t 艺研究及热臆力分析 配比，得到性能优异的玻璃焊料。 1 2 2 玻璃焊料封装基本工艺 玻璃焊料封装工艺参数的确定非常繁琐，涉及到丝网印刷中玻璃焊料的一系列印刷 工艺参数，预烧结时烧结温度曲线，键合时温度、压力、气氛以及降温速率等的确定。 其大体的封装流程是：首先将玻璃粉料溶解在有机溶剂中，有机溶剂与玻璃粉料的量要 搭配合理，确保其有一定粘度的同时又不能妨碍其流动性，有机溶剂要确保在玻璃粉料 的玻璃化转变温度以下充分挥发，从而不会在键合时造成气泡，影响键合质量。玻璃焊 料配好后要在刮刀和丝网的作用下流到硅片上，在上面形成所需要的图形。丝网印刷完 成后进行预烧结，将玻璃焊料中的水分和有机溶剂进一步挥发掉，同时使玻璃焊料达到 熔融。最后在一定的键合压力、键合温度和键合气氛下进行键合，键合后以一定的速率 冷却到室温，得到需要的封装器件。 玻璃焊料与硅片要有良好的浸润性，这样才能使玻璃焊料均匀的铺展在硅片上，在 高温的作用下玻璃焊料与硅片的接触面间形成薄薄的扩散层，从而达到高的键合强度。 玻璃焊料对硅片表面平整度没有高的要求，能够充分浸润就可以，不需要在印刷前对硅 片进行表面处理，因此提高了生产效率。 1 3 热应力及有限元分析概述 1 3 1 热应力概述 材料由于温度变化引起的热胀冷缩受到约束时就会产生应力，叫做热应力。这种应 力可以使材料断裂失效。其产生原因主要有以下三个方面【3 0 】： 1 ) 温度变化时，均质材料边界如果受到限制，会产生热应力。材料在受约束的情 况下，若发生膨胀，则产生压应力，发生收缩则产生拉应力。 2 ) 对于两种或两种以上材料，当它们结合在一起时，因为各自的热膨胀系数不同， 故在温度变化时产生热应力。此种热应力与外力无关，是各种材料热膨胀系数不同所致。 3 ) 在均质材料中，尽管没有外界约束，但因为材料内部存在温度梯度，也会产生 热应力。假设该材料是由一些小单元构成的，由于每个小单元的温度不同，产生的热胀 冷缩量也不同，但是其热胀冷缩会受到相邻单元的限制，此时就会在材料内产生热应力。 随着电子工业的迅速发展，为适应不断出现的超高速、高放热、多端子和高功率等 超小规模集成电路的发展，电子封装业面临着大的挑战。封装中一个很重要的问题是如 何保证封装的可靠性，这是电子产品整体可靠性的技术关键，也是国内外电子产业界的 共同目标【3 l 】。电子封装件是由不同材料构成的，由于材料热膨胀系数不同会在封装和服 役过程中产生热应力，当热应力超过材料的断裂极限时就会发生失效，所以对封装中热 应力的研究就变得非常重要。对于微机电系统封装要保证器件在冲击、震动以及恶劣的 7 l 绪论硕士论文 环境下正常工作，必须要减小热应力的影响。微机电系统对封装的热应力非常敏感，所 以在封装设计中迫切需要了解封装过程中热应力的变化以及可能引入的热应力。 本文中所用的玻璃焊料与硅片的热膨胀系数存在差异，故键合后降温过程中会产生 热应力。由于玻璃焊料的热膨胀系数大于硅片的热膨胀系数，降温过程中就会在玻璃焊 料中产生拉应力，而在硅片中产生压应力，拉应力的破坏性大于压应力的破坏性，所以 玻璃焊料是容易失效的地方。当应力大于玻璃焊料的强度限度时，封接处就会开裂，使 元器件漏气并失效。有些情况下，尽管短时间内没有开裂，随着时间的增长，玻璃焊料 经受不住应力的长期作用，也会逐渐产生微裂纹【3 2 1 。特别当封装元件受到震动或碰撞时， 微裂纹会迅速扩展，导致器件突然损坏，因此研究封装器件的热应力成为关键。 对微机电系统封装而言，热应力的研究方法主要有实验分析和有限元模拟。实验方 法需要特定制作的测试样品和高精度的实验设备，主要采用激光全息、应变计、光学测 试和光栅云纹等方法，但是这些测试技术只能进行平均或表面的测量，而且微机电系统 封装面积很小，应力应变复杂，所以用实验方法存在一定难度，所用的时间和费用也很 岁3 3 】。相比而言，有限元模拟就方便的多了，它不仅省去了制作样本所用的费用和时间， 而且可以对模拟对象进行全面和系统的分析，方便地得到全场及局部的变形、应力分布 及大小【3 4 1 ，大大缩短了产品的开发周期，节省了人力、物力和财力，成为研究微机电系 统封装可靠性的最有效手段。因此本文中用有限元模拟的方法来研究热应力大小和分 布，并不断改进工艺，尽可能减小热应力。 1 3 2 有限元技术简介 有限元法是随着计算机发展而产生的一种新的计算方法，它的基本思想是把连续的 体分割成有限个单元来进行计算。它首先在二十世纪四十年代提出，在五十年代时用于 飞行器的设计中，随后被广泛用于应力分析、传热学分析、流体力学和电磁学等复杂工 程问题中1 3 5 】。有限元理论的分析思想如下【3 6 】： ， 1 ) 将研究对象进行空间离散，形成有限单元，单元之间通过一个个节点相互连接： 2 ) 选择位移模式，此种方法优于有限元法中的力法和混合法； 3 ) 根据单元所属材料的物理性质、几何形状、尺寸大小、节点数目以及位置等， 找出单元节点处力或位移的关系式； 4 ) 计算等效节点力。连续体力的传递是从单元的公共边界传递到另一个单元中间； 而有限元中力的传递是通过节点从一个单元传递到另一个单元的，所以需要用等效的节 点力来替代所有作用在单元边界上的力； 5 ) 单元集成。利用力的平衡条件和边界条件把每个单元按照原来的结构重新连接 起来，形成整体的有限元方程； 6 ) 求解方程。 8 硕士论文微机电系统晶风级玻璃焊料密封的t 艺研究及热应力分析 有限元法在微电子封装中有着广泛应用，通过模拟可以发现设计上的缺陷，制定最 佳封装工艺。通过有限元模拟可以知道焊点的热应力分布、大小以及影响热应力的因素， 帮助不断改进封装结构和材料，还可以进行可靠性分析，快速找出失效原因1 3 。随着封 装业的发展，有限元法将会扮演越来越重要的角色，成为封装业不可缺少的研究手段。 用有限元法进行计算的软件很多，被广泛使用的有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、 m a r c 、a d i n a 和a l g o r 等1 3 引，其中a n s y s 软件成为佼佼者，得到广泛应用。 应用a n s y s 有限元分析软件进行微电子封装研究是近年来研究的热点，它拥有强 大且灵活的设计分析和优化功能，集结构、热、流体、声场、电磁场及耦合场于一体， 可以提供全面的有限元分析。从上世纪7 0 年代j o h ns w a n s o n 博士创建以来，a n s y s 已在全球发展为多用途分析软件。它广泛应用于航空航天、核工业、国防、石化、交通 运输、材料、能源、电子、机械、水电、医学等众多领域p 纠。a n s y s 是唯一能实现多 次耦合的软件，有着强大的非线性分析功能，可与大多数c a d 软件集成并有接口，有 良好的用户开发环境【4 0 j 。基于a n s y s 软件强大功能，能够解决微电子封装中大部分问 题，所以在封装业受到很大青睐，成为辅助实验的有效工具。 1 4 国内外研究现状 微机电系统晶圆级封装涉及到很多学科，目前国内外无论在理论、设备还是工艺方 面都还不成熟，对于如何提高封装可靠性、降低封装成本、形成统一的工艺规范还需要 进一步研究。到目前为止，国内外已经进行了一些这方面的研究，但是还没有形成统一 规范，所以对这方面研究还有很长的路要走。 1 4 1 国内研究现状 我国微电子封装的研究起步比较晚，随着电子技术重要性的升级，加大了对这方面 的研究。对封装技术研究比较多的有中科院上海微系统与信息技术研究所、中科院微电 子中心和中科院电子学研究所，此外一些大学也在积极从事这方面的研究，比如清华大 学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、上海交通大学、北京科技大学、大连理工大学、 中南大学、江南大学等。 中北大学的孙晓辉【4 l 】等对微机电系统封装中的关键技术进行了研究，分析了微机电 系统器件封装的难点所在，介绍了晶圆键合、晶圆级密封等微机电系统封装技术。苏州 大学的虞国平 4 2 】等对微机电系统器件在低温下使用玻璃浆料键合的工艺进行研究，证明 玻璃浆料封装的器件有较高的剪切强度和好的气密性。中科院上海微系统与信息技术研 究所的许薇1 4 3 等对玻璃浆料在低温下气密封装微机电系统器件的过程进行了研究，采用 预烧结温度为4 0 0 ，键合温度为5 0 0 ，键合压力为3 k p a ，得到较高键合强度和气密 性好的封装器件。河北工业大学的孙以材1 等研制了一种用于压力传感器芯片键合用的 9 l 绪论硕l 论文 低温玻璃焊料，封接温度为5 3 0 。c ，封接强度达到7 m p a 。上海大学的滕建勇【4 5 】等人对 芯片尺度封装中焊线的应力进行分析，表明焊线中的应力与封装材料的热膨胀系数、焊 点大小、焊线的粗细等有关。中科院上海微系统与信息技术研究所的徐步陆【4 6 j 等利用 a n s y s 软件进行三维实体有限元分析，总结出影响倒装焊封装可靠性的一些因素。娄 文忠 4 7 1 等对倒装芯片进行热应力有限元模拟，并对结构带来的可靠性影响进行分析。 目前我国正大力发展微电子封装事业，在国家“8 6 3 ”基金的资助下，展开了对真 空封装、晶圆级键合等工艺的研究并取得了很大进展。但是在国内利用有限元模拟和实 验手段相结合的方法研究微机电系统晶圆级玻璃焊料密封的问题还很少，所以加强这方 面的研究就变得非常有意义。 1 4 2 国外研究现状 国外对微电子封装的研究非常早，欧美发达国家在2 0 世纪8 0 年代就系统的推出了 微电子封装理论，在2 1 世纪初又推出微系统封装理论，在全球范围内建立了数十个顶 尖微系统封装研究中心。目前，在欧美发达国家中微机电系统已经形成庞大的产业链， 由于封装技术的发展使得微机电系统产品已经在这些国家成功且大量的应用在汽车、电 子、医学、生物工程及国防等领域。 y u t c h e n g 4 8 】等采用a l s i 与玻璃真空局部加热键合的封装方法，得到了高品质因 数和高真空度的封装器件。美国的c h a r l e s y a n g 4 9 j 等对微机电系统晶圆级气密封装做了 一系列研究，并对封装失效做了系统分析。德国的m a t t h i a se b e r t 5 0 】等通过a n s y s 有限 元模拟方法测定微机电系统玻璃焊料键合时的残余应力，指出残余应力会在键合冷却的 过程中产生，并且应力最大值在密封玻璃焊料表面上，玻璃焊料的线宽和厚度都对残余 应力有影响，但键合压力对残余应力的影响不大。d o u g l a sr s p a r k s 5 1 】等用圆片键合技 术对微谐振器进行真空密封，得到了高品质因数的封装器件。y it a o 、a j a ye m a l s h e 5 2 】 等在低温下实现了硅片焊料硅片的真空键合，真空度达到0 1 p a 以下。m e r c a d o 【5 3 j 等利 用有限元法对p b g a 封装体进行了可靠性分析，分析了硅片厚度、焊球高度等参数对热 应力的影响。k n 6 t z o l d l 5 4 】等对晶圆级玻璃焊料键合过程进行热应力分析，得到第一主 应力最大值位于玻璃焊料的边缘处且最大值为1 3 0 m p a 。 2 0 世纪电子封装有了很大变革，2 l 世纪，封装业又迎来了第四次发展浪潮一三维 系统封装，所以，封装技术面临着前所未有的机遇和挑战。随着国内外电子封装研究的 进行，将会有更多的微系统器件得到实际应用。 1 5 本文研究意义及主要研究内容 1 5 1 本文研究目的和意义 微机电系统器件非常脆弱，极易受到外界灰尘、水汽、震动等的影响，从而造成器 1 0 硕十论文微机电系统品网级玻璃焊料密封的工艺研究及热应力分析 件破坏。微机电系统是在硅片上刻蚀一些可动部件，硅片对水汽非常敏感，当水汽与硅 接触时会形成比硅脆很多的二氧化硅，二氧化硅的机械性能很差，非常容易磨损，当这 些被氧化了的机械部件运动时就有可能断裂。有的微机电系统器件需要在真空环境下工 作，所以也需要密封。微机电系统的密封是非常重要的一步，它直接决定着器件的可用 性。目前很多微机电系统器件已经制作出来，但是因为封装技术达不到，所以好多器件 都停留在实验室阶段，得不到实际应用。由此可见，封装已成为制约微机电系统广泛应 用的瓶颈。早在1 9 9 7 年，n r c 协会就指出封装已经成为微机电系统在商业和军事方面 应用的重大障碍。封装成本也是制约微机电系统发展的因素，有的器件封装成本可以占 到总制造成本的9 0 多，所以，发展低成本的封装技术非常必要。 微机电系统晶圆级玻璃焊料的气密封装应运而生，采用该技术能够得到键合强度和 气密性都非常好的产品，达到了高性能低成本的要求。在晶圆片上印刷玻璃焊料，通过 键合技术可以同时对众多的微机电系统器件进行气密封装，生产效率大大提高。本文的 研究一方面可以解决封装技术困难的问题，另一方面找到了一种低成本高效率的封装方 法，有利于微机电系统的商业化。所以研究微机电系统晶圆级玻璃焊料气密封装意义重 大，为微机电系统的封装开辟了一条新途径。本文中所用的微机电系统器件是在硅晶圆 片上加工完成的一种微型传感器件，主要用于汽车等的传感系统中。因为此传感器件非 常精密，容易受外界环境的影响，所以需要对其进行真空气密封装，以提供一个良好的 工作环境，提高传感性能。 目前国内外对微机电系统晶圆级玻璃焊料气密封装的研究不多，还没有一个系统规 范的研究方法，工艺参数也没有标准化，大大限制了工业化生产。本文研究的目的就是 通过有限元模拟和实验两种手段的结合，全面系统的研究丝网印刷、预烧结、键合的工 艺参数，制定出合适的封装工艺，为大批量工业化生产提供系统全面的参考，推动微机 电系统的商业化。 1 5 2 本文主要研究内容 本文在前人研究的基础上，通过实验和有限元模拟两种手段对微机电系统封装工艺 做进一步研究和改进，以达到更好的封装效果。本文的主要研究内容有g 1 ) 用有限元模拟的方法对封装热应力进行分析。分别研究了材料热膨胀系数、弹 性模量、玻璃焊料线宽与厚度、键合的温度与压力对封装热应力大小和分布的影响，找 出影响热应力的因素，确定合适的玻璃焊料线宽与厚度，以及较好的键合压力，为实验 提供指导，减少时间和资金的浪费，提高研究效率。 2 ) 通过实验的方法对玻璃焊料丝网印刷和键合工艺进行了研究。分别研究不同丝 网印刷线宽、刮刀类型、刮刀压力以及脱模速度对玻璃焊料形貌的影响，结合有限元模 拟结果确定合适的丝网印刷参数；在合适丝网印刷参数的指导下，研究键合温度和键合 l 绪论硕上论文 后降温速率对封装剪切强度的影响，找出较好的键合温度和降温速率；对剪切力测试中 的断裂原因进行分析，明确断裂失效位置并发现键合工艺存在的问题，以便进一步改进。 3 ) 在以上工作的基础上对键合工艺进行改进。针对键合工艺中出现的问题，首先 对硅盖板进行挖槽处理，然后利用有限元模拟对改进方案后的几何尺寸做进一步优化， 找出了合适的几何尺寸，对优化设计后的封装元件进行气密性测试、可靠性测试和剪切 强度测试。 尽管预烧结对整个工艺非常重要，但文中预烧结工艺的制定是在结合了前人的研究 和玻璃焊料生产厂商要求的基础上所做的微调，并得出预烧结曲线，所以并没有列入主 要研究内容之中。 1 2 硕七论文微机电系统品圆级玻璃焊料密封的t 艺研究及热麻力分析 2 玻璃焊料气密封装实验及有限元分析过程 2 1 玻璃焊料介绍 本文中最重要的材料就是玻璃焊料，我们使用了1 1 - 0 3 6 型玻璃焊料，这是由美国 f e r r o 公司生产的一种用于低热膨胀系数基板气密封装的非晶厚膜材料。这种玻璃焊料 的热膨胀系数在一定温度范围内和硅晶圆片的热膨胀系数相近，并且与硅晶圆片有良好 的浸润性，键合后产生的热应力较小，从而提高器件的可靠性，因此采用玻璃焊料对微 机电系统器件进行气密封装是一种既简单且封装性能好的方法。该焊料的制作过程是， 用有机溶剂松油醇及少量成膜助剂溶解玻璃粉料，制成具有一定粘度的浆状体。该种玻 璃焊料既具有一定的流动性，又具有触变性，能够充分满足丝网印刷工艺的要求。2 9 5 左右，有机溶剂可以燃尽，硅片与玻璃焊料在4 2 5 4 5 0 实现键合，键合温度大大低 于硅晶圆片的极限耐热温度。 本研究中所用玻璃焊料的成分为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、p b 0 2 、m g o 和少量z n o ，其具体组 成见表2 1 。较多a 1 2 0 3 能够大大降低玻璃焊料的热膨胀系数，提高玻璃焊料的稳定性， 同时氧化铝属于网络中间体，它形成的四面体与s i 0 4 四面体组成连续的结构网，增加 玻璃焊料固化后的机械强度和粘结强度。p b 0 2 的加入能够降低玻璃焊料的软化温度，从 而使键合温度降低。m g o 能有效控制玻璃焊料的硬化速度和析晶性能，改善玻璃焊料 的熔化性能，起到助熔作用。z n o 的加入也起到一定助熔作用，降低键合温度。这种玻 璃焊料的热膨胀系数是9 1 0 1 ，实验所用的硅晶圆片的热膨胀系数为2 6 1 0 1 ，由 于热膨胀系数的差别，键合过程中会产生热应力，大的热应力能够产生裂纹从而使器件 失效，所以需要在实验中不断优化工艺参数，寻找能够降低热应力的最佳工艺方法，从 而提高器件的可靠性，这也是本文研究的重点