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硕士论文玻璃浆料在m e m s 圆片级气密封装中的应用研究 摘要 m e m s 器件通常包含一些可动部分，这些可动部件很脆弱，容易受到划片 和装配过程中的灰尘、水汽等因素的影响，造成器件毁坏或整体性能的下降，因 此需要进行气密封装。与其他圆片级键合技术相比，玻璃浆料低温键合技术具有 工艺简单、键合强度高、密封效果好、生产效率高等优点，是一种高产率、低成 本的封装技术。 玻璃浆料圆片级气密封装过程包括丝网印刷、预烧结、键合和后续测试。本 文采用先进的丝网印刷设备和精密印刷技术，对m e m s 器件玻璃浆料气密封装 技术进行了深入研究。在丝网印刷工艺中，m a r k 点采用干法刻蚀制作成直径为 2 m m 的圆形，可以提高玻璃浆料印刷的精准度。采用8 m m s 刮刀速度的二次印 刷工艺，可以提高玻璃浆料的均匀性。采用真空气氛、峰值温度4 5 0 0 c 、保温 1 5 2 0 m m 的预烧结工艺，可以提高玻璃浆料印刷的平整度。在键合工艺中，采 用键合峰值温度为4 5 0 0 c ，键合压力为3 0 0 m b a r 的真空封装工艺得到的封装样品， 其键合层致密，剪切强度较大。但是键合后部分样品的玻璃浆料线宽过大，导致 m e m s 器件失效。采用了带有刻蚀槽的改进工艺，阻止了玻璃浆料进一步变宽， 提高圆片级封装的成品率和可靠性。 对工艺改进后的封装样品进行测试。封装样品剪切强度很高，全部达到了美 国军用标准的要求。气密性检测的封装样品经过氦气精检和氟油粗检，合格率高 达9 5 。对真空封装前后的m e m s 器件进行了品质因数q 值的测量，真空封装 后的q 值升高近一倍，说明玻璃浆料圆片级真空封装m e m s 的工艺提高了 m e m s 器件自身的传感性能。 关键词：m e m s 器件；玻璃浆料；圆片级键合；气密封装 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w a f e rb o n d i n gi sa l le 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 re 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 e r b o n d i n gt e c h n o l o g yw e r ee s t a b l i s h e d i nr e s e a r c ha n di ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n p r o c e s s e s t h ew a f e rb 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 n o rt h e t 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 h i su n i v e r s a l l yu s e a b l ef o raw 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 n d e n to np r e c e d i n g p r o c e s ss t e p sa n dd e s i g nv a r i a t i o n s g l a s sf l 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 s a n dp r o v i d e sf u r t h e r m o r eas a f ep r o c e s s 晰mh i g hb 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 r i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e do nt h ep a c k a g ep r o c e s s ，f r o ms c r e e np r i n t i n g ，g l a s sf l i t f i r i n g t ow a f e rb o n d i n g t oi m p r o v eg l a s sf l i t p r i n t i n gu n i f o r m i t y , d e t a i lp r o c e s s c h a r a c t e r i z a t i o no fg l a s sf l i tp r i n t i n gb yu s i n gp r e c i s i o ns c r e e np r i n t i n gm a c h i n ea n d f i r i n gw e r ec a r r i e do na n dd i s c u s s e di nt h i sw o r k t or e a c hh i g ha c c u r a c yo fs c r e e n p r i n t i n g ，ad i a m e t e ro f2 m mo fc i r c l em a r k , w h i c hi s e t c h e db yd r ye t c h i n g ，w a s f a b r i c a t e d a n dt oi m p r o v eg l a s sf l i tu n i f o r m i t ya n ds m o o t h n e s s ，p r i n t i n gs p e e do f 8 m m sa n dt w ot i m e sp r i n t i n gw a su s e d ，a n dt h ef i r i n gp r o c e s so f15 - 2 0 m i nh o l d i n g t i m ea t4 5 0 0 ci nv a c u u ma t o m p h e r ew a sa d o p t e d i nt h eb o n d i n gs t e p ，4 5 0 0 co f b o n d i n gt e m p e r a t u r ea n d3 0 0 m b a ro fb o n d i n gp r e s s u r ew e r es e l e c t e d a f t e rb o n d i n g ， n ov o i db u tf e wo r g a n i cs o l v e n t sw e r eo b s e r v e dt h r o u g hp o l i s h e dc r o s s s e c t i o no f b o n d i n ga r e aa n dt h es t r e n g t ho fb o n d i n ga r e aw a sh i g h b u tt h ew i d t ho fg l a s sf l i t a f t e rb o n d i n gw a si n c r e a s e de x c e s s i v e l y t ol i m i tt h ew i d t ho fg l a s sf l i ta f t e r b o n d i n g ，e t c h e dc h a n n e l sw e r ef a b r i c a t e db e f o r e # n t i n gt oi m p r o v ep r o c e s sy i e l do f g l a s sf l i to fw a f e rb o n d i n g s h e a rt e s tr e s u l t so fi m p r o v e ds a m p l e sf u l f i l e dt h ec o r r e s p o n d i n gm i l s t d s t a n d a r d i nt h el e a k a g et e s t ，t h eq u a l i f i c a t i o nr a t er e a c h e dt oa sh i g ha s9 5 t h e q u a l i t yf a c t o rqo fd e v i c em e a s u r e da f t e rv a c u u mp a c k a g i n gr e a c h e dt o5 7 7 4 1 ， c o m p a r e dt o3 01 9 o fn ov a c u u mp a c k a g i n g a n dg l a s sf l i tw a f e rb o n d i n ga l l o w s h e r m e t i cs e a l i n ga n dah i g hp r o c e s sy i e l d k e y w o r d ：m e m sd e v i c e ；g l a s sf li t ；w a f e r - l e v e lb o n d i n g ；h e r m e t i cp a c k a g e i i 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： 1 “月尹 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： 加0 7 年月中 玻璃装# “m e m s 卿“t 带封装中的麻用研究 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 ) 即微电子机械系统是集微型结构、微 传感器、微执行器以及信号处理和控制电蹄，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_ = i j 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。m e m s 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，足一种全新的必须同时考虑多种物理场混台作用的研发领域， 相对于传统的器件，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米， 其厚度就更加微小。采用以硅为丰的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏 模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨，并采用与集成电路( i c ) 炎似的 生成技术，可人量利用i c 生产中的成熟技术、r 艺，进行大批量、低成本生产，使性 价比相对于传统机械制造技术太幅度提高。 完整的m e m s 是体化的微型器件系统，其目标是把信息的获取、处理和执行集 成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统 的自动化、智能化和可靠性水平吲。图】1 为m e m s 传感群的放人罔片中心单元为 m e m s 传感器，围绕中心单元的附加电路起到信号调理和放大的作用。 圈1 1m e m s 传感器内部结构剧 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。用于榆测物理、化学量如加速度传感器、角速度传 感器、温度传感器、气敏传感嚣等；用于信息处理，立u 光纤开关、滤波器等；用于生物 医学，如一次性沣射用微型针、血管微机器人等；用于办公自动化，如打印喷墨头、硬 1 绪论硕士论文 盘磁头、投影仪的d m d 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、生物等各个方面，并且正不尝试着在更大范围内改变人类的生活【3 卅。 m e m s 技术就是一项在普通硅基片上综合了机械单元、传感器、执行器和电子器件 ( 并使之协调工作) 的技术，即利用微加工处理，在半导体硅上可以刻蚀出梁、齿轮、 电容元件甚至微型电机的位置。m e m s 技术也可以用来在芯片上增加架设这些机械元件 的层。这意味着有可能在硅芯片上制造出整个系统来。迄今为止，比头发丝直径还要细 的微型电机和能夹起单细胞有机体的微型夹子已经制造出来。技术最早应用在汽车上的 压力传感器【5 1 ，在这种传感器中，在半导体硅上安装惠斯通电桥( 由四个电阻器菱形排 列) 采用的是常规i c 装配工艺，然后在硅上刻蚀出半球形的振动膜。在传感器中压力 变化时，膜片改变其形状，进而影响到其电阻值。这样电桥上就产生了不平衡，根据读 出传感器形状改变了多少就可以知道施加压力的多少。因此采用m e m s 技术的传感器 的架构要比以前的传感器复杂得多。 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 面又有其特殊性。i c 和m e m s 之间的关键差别在于： 1 i c 本质上是平面器件，而m e m s 则为三维结构的器件； 2 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； 3 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； 特别是i c 的制作工艺方式使得它在以大圆片形式流入i 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，即划片、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。 本实验所封装的m e m s 器件是中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感器国 家重点实验室设计的一种微型谐振器，该器件在晶圆硅片上加工制作完成，主要应用于 汽车的传感系统中。因为该谐振单元非常小以至于对表面细小颗粒和污染十分敏感，一 个单原子层的污染能使m e m s 谐振器的频率漂移到超出传统的石英振荡器规格。因此 必须对m e m s 谐振器进行真空封装，为器件提供一个真空环境下的工作腔体，以获得 高度灵敏的传感性能。 1 2m e m s 圆片级封装技术 1 2 1m 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： 1 封装应对传感器芯片提供一个或多个环境通路； 2 封装对传感器芯片，尤其对应力特别敏感的传感器的应力要尽可能的小； 2 硕士论文玻璃浆料在m e m s 圆片级气密封装中的应用研究 3 封装与封装材料不应对应用造成不良影响； 4 封装应保护传感器及其电子器件免遭不利环境的影响； 5 封装必须提供与外界的通道，可通过电接触或无线的方法。 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 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。 2 圆片级封装方法。例如，许多m e m s 需要进行晶片贴合，制作出电极或紧凑的腔 体。同时晶片键合还完成了一级封装，本课题采用的便是圆片级封装m e m s 器件。 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 在一个小型模块上，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、化等一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沾污；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。这些所有特点，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。 目前，主要有两种实现气密封装的办法：整体封装和后封装方法。所谓整体封装【6 - g 】 即是在制作部件的同时完成封装，但这种方法工艺特殊，并不适合于大部分m e m s 器 件的封装。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1 9 j 。圆片级键合技术是器件通过上下基板键合 实现密封，属于典型的后封装方法。在下一节部分中，将进一步解释圆片级封装技术。 1 2 2 圆片级封装技术 一般来说，i c 芯片与外部的电气连接是金属引线以键合的方式把芯片上的i o ( 输 入输出端口) 连至封装载体并经封装引脚来实现的。i c 芯片上的i o 通常分布在周边， 随着i c 芯片特征尺寸的减少和集成规模的扩大，i o 的间距不断减小、数量不断增大。 当i o 间距减小到7 0 岬以下时，引线键合技术就不再适用，必须寻找新的技术途径。 “l 沦立 蚓片级封装技术( w a f e r l e v e lp a c k a g e ，w l p ) 利用薄膜再分布工艺和凸点技术，使 u o 可以分巾在i c ，出片的牲个表面上而不再仅仅局限于窄小的i c 芯片的周边区域，从 而成功解决了上进高密度、细间距i o 芯片的电气互联问题i l o 】。传统封装挫术是以品圃 划片后的单个芯片为加工目标，封装过程在芯片生产线以外的封装j 。喇片级封装技术 截然小同，它是以晶圆片为加工对象，直接在晶圆片上同时对众多芯片封装、老化、测 试的仝过程都在网片生产厂内运用芯片的制造 i 各完成，图12 为已制作完成的图片级 芯片，整个晶圆中按规则排布若许多独赢的芯片。经过圃片级封装后，晶圆切割得到单 个i c 芯片，一，r 以直接贴装到基板或印刷电路上。由此t 见，圆片级封装技术是真正意 义上的批量生产芯片技术。并且圃片级封装足尺寸最小的低成本封装，它像其他封装一 样，为i c 芯片提供电气连接、散热通路、机械支撑和环境保护，并能满足表面贴裟的 要求。 酗i2 封装完成后的尉片级芯片 同片级封装主要采用薄膜再分柿技术、r ：= i 点技术等两大技术。前者用柬把沿芯片周 边分布的铅焊区转换为在芯片表面卜按平面6 乍列形式分布的凸点焊区，后者_ | = j 于在凸点 焊匣l 制作涂点，形成球栅阵列。i 一下基板在不同的品呵r 制作，随后两块基板通过阳 极键舍、共品键合等键合手段封接存一起。在下一节部分中将对各种键台技术做简略的 总结。 圆片绒封装技术是低成本的批量生产芯片封装技术，其独特的加工过程决定了它具 有下列优点： lw l p 封装效率高。因为w l p 是在整个品圆l 完成封装的，可对一个或几个晶圆 一时加工。在保证成品率的情况下品圆的矗径越大，加工效率越高，单个元器件的封 装成木就越低。 2w l p 具有倒装芯片封装和芯片尺寸封装所具有轻、薄、短、小的优点。封装外j 眵 硕士论文玻璃浆料在m e m s 圆片级气密封装中的应用研究 小，所占面积与芯片大小差不多；封装厚度薄，只有芯片厚度加上焊凸点高度；重量轻； 外引出线短，使整机的封装密度较高。 3 w l p 从芯片上的i o 焊盘到封装引出端的距离短，因此其引线电感、引线电阻等 寄生参数小，而引出端焊盘又在芯片下方，故w l p 的电热性能较好。 4 w l p 符合目前表面贴装技术( s m t ) 的潮流。可使用当前标准的s m t 进行二级 封装，易于被二级封装用户所接受。 圆片级封装技术是低成本的批量生产芯片封装技术。圆片级封装与芯片的尺寸相 同，是最小的微型表面贴装元件。由于大量便携式电子装置需求的需要，微电子技术向 纳米级和3 0 0 m m 大圆片发展的推动，w l p 又具有上述明显的优点，在移动电话、笔记 本电脑、电信网路设备、p d a 等现代电子装置中获得了日益广泛的应用，因此吸引了世 界许多著名半导体公司都去研究、开发各自的w l p 技术，使w l p 技术来有了长足的进 展。 1 2 3m 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，下面将对各种键合技术做简略介绍。 1 阳极键合技术 硅片玻璃键合通常采用阳极键合，阳极键合技术于19 6 9 年由w a l l i s 和p o m e m a z t 【1 1 j 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 x e 玻璃片紧密接触，置于一个平面上，升温至1 8 0 5 0 0 0 c ，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。在硅玻璃键合中，键合强度和键合密封性是键合质量的主要参数。在玻璃片 1 绪论 硕士论文 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 2 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，已在s i p y r x e 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 m h i d i 等【1 3 】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o 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 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【l4 1 。j a p l a z a 等【1 5 】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 0 2 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，但键合的均匀性很差；在s i 0 2 、s i 3 n 4 上沉积一层多晶硅可以提高静电压 力，从而获得更好的键合质量。 2 硅硅直接键合 硅硅直接键合的过程【1 6 】是将两片硅片经过表面抛光处理后，在净化室内将两片硅 片相接触，二者之间通过范德华力和氢键相连接，然后通过在较高温度下进行热处理， 可使其键合强度大大加强。 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。但是由于需要进行 高温下的长时间处理，使该技术不能应用与已经含有c m o s 电路的硅圆片【1 7 】。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合( 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 的大小和稳定性。s m a c k 1 8 】等人研究表明，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。 3 粘合剂键合 粘合剂主要包括四种成分：环氧树脂、填充剂、溶剂、增强剂等。一般来说，键合 力的主要来源为粘合剂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，其处理温度大约只需1 5 0 0 c 。a j o r d a i n t i 9 1 等采用b c b 作为键合材料， 成功实现了测辐射热仪的气密性封装。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 6 硕士论文玻璃浆料在m e m s 圆片级气密封装中的应用研究 应用。 4 焊料键合技术 焊料键合技术已经被广泛应用于微电子封装领域 2 0 1 。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，a u s i 、川s u 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 3 为a n s i 的二元合 金相图【2 1 1 。a w s i 共晶键合必要的工艺温度比刖s i 共晶温度高。等到环境温度高于共 晶点时，两相接触区域将按共晶处成分比形成液态合金。等到温度降低时，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 3a 1 1 s i 的二元合金相图 通常不建议将金硅共晶键合用于集成化的传感器中，因为金可能会使c m o s 电路 造成重金属污染。金硅共晶键合也有很大的缺陷，难以获得完整的大面积键合，而自 然氧化物的存在也会阻止键合的进行。 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 0 c 的金属焊料【2 2 j 。 软焊料的种类很多，如p b s n 、p b i n 、i n s n 焊料等【2 3 2 6 1 。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【27 】人成功的将此技术运用到了m e m s 封装中。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 。 7 1 绪论 硕士论文 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。 4 玻璃浆料键合 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， 与其他封装技术相比，玻璃浆料键合的优势在于其具有密封效果好、键合强度高、生产 效率高，并且对于封接基板的表面没有特殊要求，可实现圆片级的封装。本课题采用的 是玻璃浆料键合工艺，其过程包括了丝网印刷、预烧结和键合工艺等。 此外，玻璃浆料可以达到气密性封装的要求。气密性封装是集成电路芯片封装技术 的关键之一，所谓气密性封装是指完全能够防止污染物( 液体或固体) 的侵入和腐蚀的 封装，避免不适当的电、热、化学及机械等因素的破坏。在外来环境的侵害中，水汽是 引起芯片损坏最主要因素，由于芯片中导线的间距极小，在导体间很容易建立起一个强 大的电场，如果有水汽侵入，会引起芯片内发生电解等诸多反应，这些效应都将造成芯 片的短路、断路与破坏。气密性封装可以大幅度提高有源器件的可靠性，有源器件对很 多潜在的失效机理都很敏感，如腐蚀，可能受到水汽的侵蚀，会从钝化的氧化物中浸出 磷而形成磷酸，这样又会侵蚀铝键合焊盘。 1 3 玻璃浆料封装工艺 1 3 1 玻璃浆料材料的选择 玻璃粉料由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 o 、z n o 、b 2 0 3 三元系易熔玻璃【2 8 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 ，s i 0 2 及 a 1 2 0 3 等，可以使熔融温度降到4 5 0 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。 玻璃主要分为两类：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。具体方法是将玻璃粉用粘合剂混合，形成膏状混合物；粘合剂 完全分解的温度必须低于封接玻璃的玻璃化温度，以免产生污染和气泡。而结晶态的玻 璃是热固性的，在烧结过程中产生微晶，烧结的产物与原来的玻璃具有不同性质。 玻璃焊料的热膨胀系数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。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稍低。结晶态玻璃在烧 8 日 。论女玻璃浆抖枉m e m s 回片级6 誊封磐中的应用“究 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丁原来的结 晶温度。 以颗粒尺寸的是大值和平均值来衡量的粉术炎型应该足够小，以达到期望的烧结厚 度和线条清晰度。通常情钞6 下，越好的粉末对1 二艺的要求也越商。 1 3 2 典型的玻璃浆料封装工艺 玻璃浆料封装采用如下技术：丝网印刷、预烧结、键合等等。首先是将玻璃粉料与 介质混合形成浆料，适用丁玻璃粉料的介质通常用粘台剂充当，用于提供粘合力、强度 和溶剂。粘合剂的溶解量越大，强度就越大，介质的粘性就越强，也就是玻璃浆料的粘 性越强。粘台剂应选择可分解的或在玻璃化转变温度下可燃解的。随后通过丝网印刷工 艺，如图14 所示，玻璃浆料在刮刀的推动f 填入丝网板的网孔内，在硅片上形成了均 匀的图形。 幽i4 玻璃浆料丝阔印刷示意图 浆料经丝网印刷成型后，需要加热至一定温度保持1 0 - 2 0 m i n 让溶齐u 挥发。粘台剂 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。牯台剂的分解在空气 中和低于玻璃化转变温度下进行最为有效。未燃尽的粘合剂会导致多扎的产生，还可能 导致可还原重金属搀杂的还原反应，如破璃焊料中的p b 元素。然后再升至浆料熔点温 度附近保温，以使玻璃浆料熔融。通常把这个挥发、燃尽、熔融的过程称为预烧纬。 最后的键台通常在空气中进行，若需保护易氧化会属，则键合可以在保护气体的环 境中进行，如氮气或者真空气氛。空气的减少会引起玻璃浆料中重金属元素的还原。随 后的冷却过程中，在玻璃退火范围内烧结的样品在从退火点到应变点的冷却速度应尽 可能慢，应低1 ：8 0 c r a i n ，否则玻璃浆料与衬底材利训会出现c t e 失配问题。 1 3 3 玻璃浆科键合的机理 要实现玻璃浆抖键合既是加热玻璃浆料到达足够舟的温度以降低其柚度，使破璃浆 料与封接表同达到浸润。这罩的浸润是指玻璃浆料完全覆盖在键合区域。hl5 为浸润 良好的玻璃浆料与为7 0 陶i5 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敞到玻璃浆料叶 ，在表 面处出现1 层很薄的混合层，这样在硅片跟玻璃浆料之间就能达到很大的键合强度。几 乎所有微加工技术用到的材料都能使川玻璃浆料进行键合，而且不需要任何特殊的热处 理，例如硅、_ 二氧化辟、氯化砖、p y r e x 玻璃等等，都是可行的键合衬底材料，并日在 键合前不需要表面活性处理。 玻璃浆料i 有个优点就是对表叫平整度没有太大要求，包括粗糙表面，只要在玻 璃浆料熔融状卷时能有良直r 的浸涧性均。u 。这一优点f 分重要，因为在很多时候需要键 合的表而在经历了等离子刻蚀或者淀积之后都会使表面变得粗糙小平。 1 , 4 本论文的研究背景与研究内容 m e m s 器件的u t 动部件根脆弱，极易受到划h 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牡体性能下降。此外，密封腔内气体的可控性 ( 包括真空) 也是影响器件运行的个很重要的因素，需要气峦性封装以维持稳定的谐振 频率和气体阻尼系数。气密性封装迁可以降低水i 含量，防止m e m s 器件的粘性失效。 田此，高u j 靠的气密性以及腔体气体的可控性足保证器件运行稳定和低漂移的关键所 在。 硕士论文 玻璃浆料在m e m s 圆片级气密封装中的应用研究 目前，静电键合是国内外普遍使用的一种气密封装工艺，它具有键合强度高、重复 性好、气密性高等优点。但是该方法对键合面的清洁度和平整度要求很高，因此生产效 率较低、容易产生开裂、自动脱落等，总体成本较高。相比之下，玻璃浆料低温键合对 于芯片及基板表面无特殊要求，具有工艺简单、性能优良、键合强度高、密封效果好、 生产效率高等优点，并且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可观的经济效益。玻璃浆料键合作为一 种传统的键合技术，目前已广泛应用于世界各地的m e m s 产品制造，它的使用范围包 括三轴加速度计、陀螺仪和压力传感器等，这些已用在汽车、游戏和手机等生产工艺之 中，是一种可以实现圆片级键合、低成本和高产率的气密封装技术。 目前国内外对玻璃浆料圆片级气密封装有一定的初步研究【3 0 刁2 1 ，中国科学院先进电 子封装课题组在国内首次对玻璃浆料圆片级封装进行了探索【3 引，主要针对预烧结工艺和 键合工艺。台湾高雄先进半导体研究所c h i e n - y uc h e n ，c h e n g h u ih u n g 掣3 4 】在玻璃浆料 圆片级封装过程中采用了刻蚀腔体工艺以增大m e m s 器件的活动空间，并详细介绍了 对封装质量的检测方法。美国c h a r l e sy a n g ，a n t a ix u 等【3 5 】对玻璃浆料封装结构的应力分 布进行了有限元模拟，分析研究玻璃浆料封装体应力失效的原理和过程，对玻璃浆料 m e m s 圆片级气密封装工艺的进一步改进具有指导意义。 尽管如此，目前国内外对玻璃浆料圆片级封装的研究十分有限，并且这些研究限于 工艺参数控制的复杂性，其技术的标准化程度较低，而缺乏工艺流程上的详细资料p 引。 在m e m s 圆片级这种封装批量制备的过程中，如何能够保证晶圆中每个芯片封装后的 可靠性则是玻璃浆料封装技术的关键所在。特别是，如何保证玻璃浆料在晶圆上的平整 度和均匀性，以及如何控制键合后玻璃浆料的尺寸，这对封装成品率及可靠性的影响是 至关重要的。 因此，本论文在国内首次系统研究了玻璃浆料气密封装m e m s 器件的过程，以围 绕在丝网印刷和预烧结过程中如何保证玻璃浆料在晶圆上的平整度和均匀性和在键合 工艺中如何控制玻璃浆料的尺寸进行了深入研究，并就一系列工艺过程中实验参数的变 化及键合后的剪切强度、气密性检测和传感性能测试进行了详细研究，为封装批量的工 业化生产提供了重要参考与指导。 本论文共设六个章节：第二章介绍了玻璃浆料圆片级封装的全过程，介绍了丝网印 刷设备并分析了实验使用的f e r r o1 1 0 3 6 玻璃浆料的材料特性，重点对整个工艺过程， 包括丝网印刷、预烧结、烧结键合和封装测试等进行了详细阐述。 第三章以围绕如何获得高平整度和均匀性的玻璃浆料展开讨论，深入研究精密印刷 技术在玻璃浆料圆片级封装中的应用，优化丝网印刷工艺和预烧结工艺的实验参数，以 提高玻璃浆料的平整度和均匀性。 第四章对键合温度和键合压力进行优化并指出在键合过程中遇到的问题，通过设计 1 绪论硕士论文 改进方案，优化键合工艺加以解决。 第五章对工艺改进后的封装样品进行了后续测试，包括剪切强度测试、气密性测试、 可靠性测试和传感性能测试等。 第六章对全文进行了总结。 1 2 砸j 论文胜埔浆 nm e m s 囝h 镕气* 封般中的n 用日f 究 2 圆片级气密封装过程 2 1 印刷设备与封接材料的介绍 2 1 1 印刷设各的介绍 本实验使用d e k 公司h o r i z o n a p i 全自动丝网印刷设备，如图2i 所示，h o r i z o n a p 丝网e 刷机具各高水平的功能性，并提供少于1 0 秒的核心周期、少于1 0 分钟的殴置时 间，以及少于2 分钟的产品转换时间：可组装具备最新封装和外形的半导体器件，以及 外形尺可超小的无源器件；具有高效精准的h a w k e y e4 0 0 1 2 0 0 印刷验证系统。浚设备 精密化、自动化和标准化的印刷能力可提高玻璃浆料在晶圆上的印刷平整度和均匀性， 并且还可以实现在硅盖板晶剧上的高精度定位印刷，但需要分别在丝网扳和硅片上制作 相应的m a r k 点，印刷机通过识别m a r k 点以使丝网与硅盖板自动定位对准，从而在硅 盖板上进行精密的玻璃浆料印刷，大大提高了网片级气南封装的精准度。 蚓2 id e k 丝网印刷设备 2 1 2 封接材料的特性分析 本实验选用f e r r o 公司生产的1 1 - 0 3 6 型玻璃浆料，足一种专门用束密封低热膨胀系 数基板的非品态厚膜玻璃。晶圆硅片属丁低热膨胀系数材料其c t e ( 热膨胀系数) 与 1 i - 0 3 6 玻璃浆料的c t e 非常接近，粘台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 玻璃浆料的制作是将玻璃粉料事先溶解在有机溶剂中而彤成浆状体，以 具有定的粘性，可以实现在丝网印刷工艺中的应用。玻璃浆料中的有机溶剂主要成分 是松油醇和少量成膜助剂等。具体的1 i - 0 3 6 玻璃浆料的典型指标由表2i 列出。 13 2 圆片级气密封装过程 硕士论文 表2 1f e r r o li 0 3 6 型玻璃浆料的性能指标 t h e 咖a le x p a n s i o n 9 p p m v i s c o s i t y 5 5 0 8 5 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 5 0 3 2 5 d r yp r i n tt h i c k n e s s 2 2 - 2 8 u r n f i r e dp r i n tt h i c k n e s s 1 1 1 4 u m d 9 9p a r t i c l es i z e 1 5 u r n s o l i d sc o n t e n t7 6 d r y i n gt e m p e r a t u r e 1 0 0 1 2 0 0 c d r y i n gt i m e 7 1 0 m i n 预烧结过程： b i n d e r - b u r n o u tt e m p e r a t u r e2 9 5 0 c t i m ea tb b ot e m p e r a t u r e2 0 3 0 m i n g l a z et e m p e r a t u r e 4 0 0 4 5 0 0 c t i m ea tg l a z et e m p e r a t u r e 5 1 5 m i n 键合过程： 以上数据是f e r r o 公司提供的玻璃浆料参考指标。实际实验中，由于印刷模板的不 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温度曲线，以使回流曲线最优化。 表2 2 玻璃浆料成分组成 组分 w t a t m g o 6 5 91 2 8 4 a 1 2 0 3 2 9 7 62 2 9 3 s i o ，4 3 6 7 5 7 1 0 p b 0 2 1 9 0 96 2 7 z n 0o 8 8o 8 5 t o t a l 1 0 0 0 01 0 0 0 0 玻璃浆料中的成分包括了m g o 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 、p b 0 2 和z n o ，各组分的百分比见表 2 2 ，其中p b 0 2 和z n o 有利于焊料在烧结时与基板的成核，增加粘结强度。玻璃浆料的 c t e 为9 x 1 0 石o c ，实验所用的硅片的c t e 为2 6 x 1 0 6 。c ，玻璃圆片的c t e 为3 3 x 1 0 - 6 。c 。 在键合过程中会有热应力的存在，因此需要优化工艺参数，如降低降温速率等，使热应 力最小，以达到高可靠性、高质量的圆片级封装要求。 1 4 坝| 论立玻璃浆抖舟m e m s 网片级气甯* 装中的i 用研究 2 2 气密封装过程 玻璃浆料m e m s 气密封装工艺过程，包括玻璃浆料的丝网印刷、预烧结，晶圆键 合、划片与测试等。气密封装过程如图22 所示，具体操作