旋转工作台式真空包装机设计（全套含CAD图纸）
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MEMS真空包装技术及应用JINYUFENG,ZHANGJIAXUN北京大学深圳研究生院，深圳，518055，中国中国的微/纳米加工技术国家重点实验室TEL861062752536,FAX861062751789,JINYFIMEPKUEDUCN摘要许多MEMS（微电子机械系统）装置必须要满足真空包装的要求。在真空包装中，渗漏和气体渗透，这两个将影响元件的正常功能，这是一个主要的问题。密封技术是一个最重要的、可靠的真空包装技术。在本文中，一些真空包装的密封技术将被提及，其中包括共晶键合，粘合连接，玻璃熔块粘接，硅玻璃静电键合。此外，笔者还将介绍两种方法来处理由于电密封装置引起表面密封不完善的情况，电密封装置是链接到MEMS传感器的小型腔内外部。此外，吸气剂也将被讨论到，为了设备内部的空腔保持真空环境，它是必不可少的，因为真空密封后，可能会释放气体。1用于MEMS真空包装的材料1在MEMS应用包装选择材料时，应该考虑真空包装的气体渗透的情况。同样的数量渗透气体,气体渗透压力引起的恶化情况，MEMS明显高于常规结构,这主要是由于MEMS体积较小的原因。此外，更薄的结构通常也用于MEMS真空包装。这将导致MEMS器件会有更严重的渗透问题。例如，当减少墙壁或隔膜的厚度从1MM至10UM时，渗透的气体将是百倍以上。在气体渗透的情况下，我们应该选择低渗透率的包装材料。图1是来比较水分子的渗透率或者水分子通过多种现代电子制造和包装的材料。其渗透率，范围为从。到SEC/M10SEC/10338图1通过非密封和密封的渗透物料具有较低的渗透率,例如玻璃，陶瓷，硅氮化物，金属，和一些纯粹的晶体是密封包装的首选材料。那些具有较高的渗透速率，则是作为非封闭的材料。在我们的工作中，玻璃，陶瓷，胶粘剂等低渗透率的材料被选为包装结构/材料。2密封MEMS结构对于许多微系统，密封包装起着重要的作用。在有害环境下，密封保护显著提高了它们的可靠性以及寿命。除了静电键合，其他连接技术也已用于密封包装，其中包括硅金共晶键合，玻璃熔块粘接，熔融键合，以及使用蒸发玻璃的粘接。这项研究工作的发展进程同样包括静电键合（或静电硅玻璃键合），共晶键合，玻璃熔块粘接。21焊接接合，共晶键合焊料粘接密封晶圆是基于焊料加入两个晶圆使之一起。其中，共晶键合被广泛应用于MEMS封装，它采用共晶合金的优势，以实现两个基板在一个较低的温度下实施。一个合适的焊锡之间的粘接面积的材料，可以形成一套基板封装和设备。提高温度，直到焊料流动，并创建一个静电来封住两个基板。在微电子领域，最明显的使用材料是那些使用标准的焊料，但是许多此类焊料材料含有杂质。这些在回流焊的过程中会造成重大出气。用这样真空包装的焊料，将成为一个重要的问题时。最近的发展研究表面，在新的无焊剂焊接材料可以克服这样的问题2。相比标准焊料，它也有可能使用不同的共晶焊料形式的合金材料的。其中最常见的材料套，是黄金和硅晶。硅金晶体是相当具有吸引力的，因为它是在温度为363C形成一个部分硅和四个部分黄金。这种材料是常用的MEMS制造。形成共晶时，通过放气问题来解决，而且形成的混合物提高温度和起始原料是纯的。在此外，温度足够低，是对于大多数应用的。一方面，虽然硅金共晶键合的共晶点是363C，但是键合温度必须要高。较高的温度可以促进扩散黄金和相互转化的硅，增加扩散层的厚度，此处的化学成分可以与共晶静电需要的所匹配。因此，较高的温度和较长的粘接时间，对于良好的粘接是非常有益的。另一方面，如果粘接温度过高，可能会导致黄金分子严重扩散到硅，这将降低硅器件的功能。图2显示密封晶圆的SAM照片，共晶合金在静电感应硅片和硅晶圆接合温度为400450。SAM的分析期间过程中，静电晶圆浸泡在去水离子中。观察发现无气泡，并没有水被吸入并进入腔内。这表明腔的密封良好。拉力试验也结果表明，静电强度超过5兆帕。图2密封晶圆的SAM照片22粘接粘接的优点是其低温度的过程以及可以加入不同的材料3。这种粘合技术是利用一个中间体加入两个不同属性的基板材料作为粘接层。粘合材料可以是环氧树脂或聚合物。环氧树脂有时候是用来填充气体MEMS器件。例如，环氧树脂用于微光学切换为光学元件组合在一起。然而，在光路的环氧树脂是不可取的，因为它的年龄，漂移或打击在激光功率水平可能满高。这会导致包装的问题，因为包装有保护设备的同时还提供访问环境，并与该设备的联系。因此，很多努力已经用来开发保护/封装MEMS的媒介。图三是粘接的应用实例微型光学开关。粘接的进程启动应用静电层，其次是联系晶圆和热固化成型静电，或紫外线（UV）图3微型光开关的粘合剂包装胶粘剂被广泛应用于MOEMS的包装，例如缝的填充和密封的精密结构，加入的陶瓷框架、玻璃盖和PCB基板形成一个密封封装。然而由于水分渗透导致湿度不敏感，这很难得到统一的密封粘接与真空级。我们可以选择低渗透率的粘合剂或防渗透材料，比如用层来解决这样的2SIO光纤玻璃盖璃盖陶瓷板1陶瓷板2胶粘剂基板问题。23玻璃熔块粘接玻璃熔块粘接的优点是能够产生良好的气密性密封。玻璃熔块的粘接工艺是使两者之间的玻璃层温度低于400C，通过静电键合来相结合各种材料，例如硅，陶瓷和金属，除了玻璃外的硅片它可能是静电键合晶片。此外，它可以用于陶瓷层之间的密封粘接。图4其应用的一个例子。硅胶盖玻璃熔块基板图4玻璃粉粘接包装原理这个过程可以描述如下。第一次合适的熔块通过丝网印刷基板，粘贴到MEMS芯片上。这个过程之后，熔块必须彻底保持干燥。这个可以用烘箱烘干来实现。然后提高温度至约400，熔块软化点，在温度降低前，到5保持10分钟。密封周期取决于密封界面的几何形状和大小。最重要的加热过程中的参数是起点实验，热温度，保温封温度，每一步的加热速度，所应遵循的熔块给定的规范。在腔内随时保持静电环境是必要的。24静电键合静电键合，可用于静电两种材料，例如玻璃和硅，硅和硅，陶瓷和金属，近年来，静电键合已广泛应用于MEMS真空包装。它是对于密封硅片玻璃硅片或石英基片一个可靠的，并且有效的过程。静电键合通常是恒定的温度和电压下进行。阴极接触玻璃基板，而静电连接到硅片。通过加热，在200500C和2001500伏直流电压晶圆堆叠，玻璃的正离子，钠离子这从分离，移动2NAO到阴极，离开非桥氧离子（氧离子静电只有一个硅原子）后面。因此，一种带负电荷的耗尽层相邻的形成静电。这种负一层和静电作用力静电周围产生的正电荷，使双方密切与对方联系。这股力量，使得相关玻璃的软化，密封表面之间的静电是不完善的。低温静电键合密封被开发。接口的完整性下观察扫描电子显微镜（SEM）。图5显示了一个典型保税硅和玻璃的横截面。它证明了硅和玻璃被密集粘合在一起。图5一个典型的保税硅和玻璃的横截面元素SI，O分布的测量和NA在SI和玻璃之间的接口也表明硅含量降低，而在硅片玻璃基板侧的一面O含量增加。被发现的NA无明显变化元素。原因是，我们在结合的过程中使用低温度。虽然钠离子可能迁移到阴极，但是迁移水平比高温低得多。25不完善表面密封粘接电气贯穿件，它链接到外部全密封结构，使基材表面不完善的。因此，电气密封包装密封装置是要考虑许多微系统5,6。一般的电气贯穿件需要连接微型传感器或执行元件外界的密封结构的内部。例如，电力需要提供的密封区和电气传感信号需要提取密封包装。金属导体的横向电气贯穿件常用于很长一段时间。在标准制造半导体产业的过程中，如电子电镀，气相沉积，磁控溅射，使横向的电气穿透技术非常方便。然而，厚重的金属硅片或玻璃基板界面上的涂料由于空气泄漏或粘接剥离接口，会导致在静电硅和玻璃之间的粘接失败。有两种方法来实现密封，通过厚的金属或者表面上的馈通静电键合硅玻璃7。它们的图案嵌入式电极，垂直通过电极法与MEMS器件的互连。图6一个流程嵌入式电极法嵌入式电极法的制造过程如图6。玻璃和硅片可在这一进程中获得。首先刻蚀浅沟SIO2成形金属电极制造由CMPMEMS结构准备接口抛光静电键合在晶体表面上蚀刻图案的浅沟。第二个硅片，额外薄膜的沉积，以形成一2SIO个保温层。在此之后，金属沉积形成的图案晶圆沟槽内嵌入厚的电极。进行化工机械抛光（CMP）工艺，开展形成一个光滑和水平的粘接面。最后，硅和玻璃晶圆粘合在一起静电粘接。试验结果表明，CMP后玻璃晶圆的粗糙度是13纳米，对于硅玻璃静电连接密封是足够的。嵌入式玻璃基板上的电极硅片已经成功地制作。电极可从20微米至80微米的制造，厚度从05微米到19微米。使用MEMS压力传感器的气密性进行调查，我们发现，平整、打磨的嵌入式电极的玻璃基板与硅片静电键合。另一种方法被称为垂直通过电极方法。通过标准的微结构制备MEMS工艺和静电静电。在蚀刻孔后，通过孔后形成垂直电极金属薄膜的沉积和图案。然后，金属通过应用过程中形成三维电互连。在同时，它也填充到孔的金属材料作为密封过程。最后工序，如填充聚合物绝缘（PI），沉积UBM和晶圆凸块，进行三维（3D）由通孔形成互连。图7显示了通过对硅片的电动显微镜。图7通过对硅片的电镜照片3MEMS封装的真空维护密封后，小规模的内壁腔可能释放气体，从而影响真空维护。随着吸附能力的优势，用商业非蒸散型吸气剂（NEG）已被勇于真空电子包装维修。它被准备成条状或片状并涂料吸气材料，通过机械切割或激光束削成理想的形状和大小。然后NEG被紧固在设备的结构的内表面上。然而，这是难以适用NEG保持较高的真空环境中微观尺度腔，以配合小型化MEMS器件。处理薄膜或厚膜吸气材料的方法是在内表面的微结构成为一个解决方案，以保持在微真空腔8,9。关键的工艺步骤的原理图8。由层面设计的前过程，使吸气剂混合粘SIK4贴，ZRVFE合金粉，石墨，MEMS芯片的制造。首先，吸气剂被粘贴在两面抛光过的PYREX7740玻璃基板表面形成一个模式。然后NEG被铺在厚膜表面上。经过在120C的条件下预烘半小时，含有MEMS结构的玻璃晶圆和硅晶片用来顶部电极ELECTRODE垂直互连顶部电极清理消除表面的颗粒和其他污染。玻璃晶体将被与硅片静电键合来形成密封。粘接工艺在压力为1托儿并且60分钟的1000伏特的直流电压下使用310EV501粘合机。粘接温度为450C。我们测试的吸收能力来研究吸气剂薄膜的性能。试验压力对时间的变化如图9。在65PAL/S的吸气的条件下测出具有良好的吸附能力为488PA610L/。2M图9NEG与厚膜的MEMS包装流图10吸附能力测试压力变化与时间闪动的吸气材料因为其吸引人的特点也被用于点MEMS封装的研究，如性能稳定，一致的吸气产量在蒸发过程中的材料和最小出气。通过蒸发，它可以在薄膜形式的微腔的内壁上很容易沉积。我们的研究是的吸气剂市售下的，贸易名称的BI5U1HFG21，含有钡，铝，镍，以及其有效成分合金。除了其高效率的在玻璃基板涂上厚的吸气剂薄膜MSMS结构制造晶圆粘合和吸气剂激活吸附性能，实验结果还表明，它具有良好的附着力薄膜。涂吸气剂薄膜的厚度晶圆是可以控制的范
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