MEMS器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究图文Word文件下载.docx
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低温封装
中图分类号:
TN305.99 文献标识码:
A 文章编号:
1000-9787(200601-0082-03
Studyoflowtemperatureeutecticbondingprocessfor
MEMShermeticpackage
ZHANGDong2mei,DINGGui2fu,WANGHong,JIANGZheng,YAOJin2yuan(NationalKeyLabofNano/MicroFabricationTechnology,KeyLabforThinFilmandMicrofabricationofMinistryofEducation,InstituteofMicroandNanoScienceandTechnology,ShanghaiJiaotong
University,Shanghai200030,China
Abstract:
AfluxlessbondingtechniqueusingeutecticPb2Snalloyasjointispresented.Cr/Ni/Cu/Pb2Sn
multilayeronsubstrateandchipiselectroplated,thenbondedat190℃and150Painvacuum.Thisfluxless
bondingprocesscanpreventmicrodevicebeingpolluted.Thisbondingprocessishermetic.Thethicknessofthe
jointisfoundtobeveryuniformalongtheentirecrosssection.Thestrengthofthejointishigh,itcanmeetthe
requirementofhermeticpackagingofelectronicdeviceandMEMSmovablepartsatlowtemperature.
Keywords:
microelectromechanicalsystems(MEMS;
hermeticpackage;
eutecticbonding;
lowtemperature
bonding
0 引 言
封装技术一直是困扰MEMS器件开发和实用化的关键技术之一,气密性封装尤其困难。
然而,许多包含高速运动结构器件的工作特性强烈依赖于密封腔室的真空度,因此,气密性好坏对这类器件的使用性能具有决定性作用。
如MEMS陀螺仪,真空封装能使其性能得以更好发挥,若真空度不足,腔体内气体将对运动部件产生阻尼,器件的响应灵敏度降低,整体性能严重受损[1]。
很多情况下,气密性封装不但能够显著提高可动部件的工作能力,而且,可以隔绝部分环境干扰,改善长期工作可靠性。
但是,如何长久维持气密封装的真空度一直是没有很好解决的困难问题之一,探索新的封装工艺和研究气密封装的基础工艺问题,受到广泛的重视。
收稿日期:
2005-06-19
3基金项目:
国家自然科学基金资助项目(10377009
目前,MEMS器件制备中,常用的气密性键合技术主要是高真空(<
10-2Pa环境下的阳极键合、共晶键合以及薄膜密封工艺等。
阳极键合一般只限于硅玻璃键合[2],键合温度为300~400℃,偏压为500~1000V,键合过程中的高温、高电压使其应用受到极大限制,特别是很难应用于非硅基材料结构上;
薄膜密封技术利用牺牲层方法刻蚀出空腔结构,通过空腔上的小孔和沉积薄膜时的真空环境,使空腔具有一定真空度,薄膜有选择地沉积在小孔密封处,完成真空封装,但空腔的真空度受薄膜沉积工艺限制,同时,沉积时的高温环境和后续封孔薄膜刻蚀工艺也会影响该方法在器件中的应用;
共晶键合是利用某些共晶合金熔融温度较低的特点,将它们作为中间介质层,在较低温度下,通过加热熔融实现共晶键合。
相对来讲,共晶键合的限制因素较少,
28
第1期 张东梅等:
MEMS器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究
可以选择的材料和工艺参数范围较大。
本文结合微继电器封装的需要,介绍了一种采用低熔点共晶合金作为中间层的多金属层结构键合封装工艺。
1 试验设计
为了实现低温键合,首先,在基底与锡铅合金之间形成Cr/Ni/Cu多金属层,如图1(a所示,Cr作为粘结层增强金属与基片的结合力;
Ni作为阻挡层,因为Ni与Sn形成金属间化合物的反应速率比通常所用的Cu与Sn的反应速度慢得多[3],可以防止Sn向芯片扩散,同时,也作为过渡层,Pb2Sn合金的热膨胀系数为25×
10-6/K,而硅为2.6×
10-6/K相差较大,利用Ni的弹性性能减少在加热和冷却过程中产生的热应力;
Cu作为可焊层,在加热过程中,Cu与Sn生成金属间化合物Cu
6
Sn5,根据Liu和Jang的研究[4,5],Pb/63Sn共晶合金、金属间化合物Cu6Sn5与Ni能形成稳定的粘结。
图1 芯片与基片上的多金属层结构
Fig1 Multilayerthin2filmstructureondieandsubstrate
Pb2Sn合金共晶点的成分为63%Sn,37%Pb,共晶温度为183℃,在高于183℃时,共晶合金转化为液相;
低于183℃时,液相转化为两固相,图1(b为键合后芯片与基片间的多金属层结构。
2 试验方法
根据图1设计的多金属层结构,首先,在基片和芯片上溅射Cr0.08μm,Ni0.08μm,再电镀Ni2μm,Cu0.1μm,Pb2Sn4μm。
将芯片和基片分别切成3mm×
3mm和5mm×
5mm。
Pb2Sn合金在空气中易氧化形成很薄的氧化层,它将阻止键合,因此,在放入真空室键合前,应去除自然生成的氧化层,采用等离子体清洗或稀酸清洗都可以去除氧化层,而电镀多金属层的镀液为强酸性,采用稀酸清洗与此工艺兼容,且十分简单。
用BGA2000精密对准系统将基片和芯片面对面对准后固定在一起,放入真空炉中加热到190℃,保温10min,冷却至室温,完成键合。
将键合好的试样切断,并抛光,用S-2150电子显微镜观察断口形貌。
再对试样进行拉伸试验,观察断裂区形貌。
为了测量键合的气密性,首先,利用单晶硅制作密封外壳,工艺流程如图2所示。
将硅外壳放在基片上,并施加一定压力,以使外壳与基片紧密接触,将样品放入真空炉中,进行加热至190℃,保温10min后,在真空炉中冷却至室温。
由于硅密封外壳内具有一定的真空度,且单晶硅具有很好的弹性性能,在受到外界大气的压力后,会发生弹性变形,用Veeco表面轮廓仪扫描密封表面的变形曲线,并用工程软件Ansys计算出密封外壳在受到大气压力下的变形曲线,两者对比可以得出键合是否具有气密性,并在一段时间后,观察其是否有漏气现象。
图2 封装外壳的制作工艺流程
Fig2 Flowchartoffabricationprocessofpackagecrust
3 结果与讨论
3.1 键合区结构测试
通过对键合区横截面的扫描电镜图像观测可以看出:
键合区合金均匀,无缝隙、气泡等脱焊区。
对键合区进行拉伸后,断裂部分沿Cr与Ni的接触区断开,证明键合区的强度超过了多金属层之间的粘结强度。
3.2 气密性测试
3.2.1 封装外壳变形的Ansys计算
由于键合好的密封外壳置于空气中,受到的大气压力是恒定的,因此,它的变形由内部压强决定。
用Ansys软件对具有不同内部压强的密封外壳的变形进行计算,单元类型为SOLID92四面体10节点,对长为9mm、宽为9mm、高为500μm、侧壁厚为1.5mm、顶部膜厚为140μm的密封外壳进行计算,由于侧壁厚度远远大于顶部薄膜厚度,因此,主要变形都集中在顶部薄膜上,根据模拟结果可知,最大变形位于膜的中心点处,顶部薄膜的平分线变形情况能够集中反映密封外壳的变形情况。
图3为内外压强差分别为101225,100000,70000,50000Pa的密封外壳顶部薄膜的平分线的变形曲线,其中,压强差Δp为101225Pa和100000Pa的变形曲线十分接近。
图3 Ansys计算封装外壳变形曲线
Fig3 DeformedcurveofpackagecrustcomputedbyAnsys
3.2.2 封装外壳实际测量变形与Ansys计算变形比较
38
传感器与微系统 第25卷
键合在内部压强为150Pa的真空炉中进行,键合时温
度为190℃,键合完成后,密封外壳内部气体与外部隔离,
冷却至室温后,内部压强将会降低,根据理想气体状态方
程
p1V1T1=
p2T2
T2
=nR,(1
式中 p
1
p2分别为键合时、室温下的密封外壳内部压强,Pa;
V1,V2分别为键合时、室温下的密封外壳内部体积,m3;
T1,T2分别为键合温度与室温,K;
n为密封外壳内部气体
的摩尔数,mol;
R为摩尔气体常量。
在室温T
2
=20℃时,由
于密封外壳的键合前后变形量很小,所以,V
1≈V
密封外
壳内部压强p
约为100Pa。
对键合好的试样用Veeco表面轮廓仪扫描顶部膜平分线的变形情况,如图4所示,膜的最大变形为3.7151μm。
图4 封装外壳表面实测变形曲线
Fig4 DeformedcurveofpackagecrustmeasuredbyVeeco 根据Ansys计算结果,内外压强差为101225Pa时,膜的最大变形为3.7179μm,对图4与图5变形曲线进行比较,两者的变化一致,计算结果与实际情况十分接近,说明这种封装方法具有较好的气密性。
对键合好的样品放置3,7,21d后,用Veeco表面轮廓仪对密封外壳顶部膜平分线再次进行扫描,表面变形未发生变化,证明键合区没有漏气现象,气密性可以维持。
4 结 论
通过以上试验表明:
采用Pb2Sn共晶合金作为中间层,在温度为190℃、压强为150Pa的真空下,进行的键合封装工艺具有较好的气密性,键合区合金均匀、无缝隙、无气泡等脱焊区,键合强度较高,且键合过程中不需使用助焊剂,避免了助焊剂对微器件的污染,能够满足电子元器件和MEMS可动部件低温气密性封装的要求。
参考文献:
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作者简介:
张东梅(1981-,女,辽宁葫芦岛人,硕士研究生,主要从事微型继电器的封装研究。
(上接第78页
表3 主要性能的比较
Tab3 Comparisonofmainperformance
校准状态
热零点漂移
(×
10-4/℃热灵敏度漂移(×
10-4/℃
传统补偿方法2.933.71
ZMD31020补偿0.240.49
利用传感器信号处理器ZMD31020,通过设定数字量修正值的方法,提高了校准的精度,具有较高的性价比,适合批量生产。
但它也存在某些不足,例如:
只有3个温度点,且在每个温度点上的压力测量点太少,造成对传感器的补偿缺乏更多的修正数据,因而,测量精度的提高也就受到了一定的限制。
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[4] ZMDCompany.ZMD31020ApplicationNote[EB/OL].http:
//
www.zmd.de,2002-07-25.
蒋小燕(1980-,女,江苏丹阳人,硕士研究生,主要从事信息获取与智能处理技术的研究。
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