MEMS器件的真空封裝范文

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1鍵合工藝流程

首先使用SRO702設(shè)備在200℃通甲酸回流去除Sn表面氧化層;再使用SUSSMA6/BA6設(shè)備的背面對準(zhǔn)功能將封蓋圓片的背面標(biāo)記與器件圓片的正面標(biāo)記對準(zhǔn)，從而間接實現(xiàn)兩圓片正面的鍵合環(huán)對準(zhǔn)，并通過鍵合夾具固定;最后放入SUSSCB6L設(shè)備進行真空鍵合。鍵合工藝曲線如圖2所示。先在50～60℃抽真空10min，再升溫至160℃并在0.01Pa真空環(huán)境中保持10min，以確保腔室保持較高的真空度。然后夾具的上半部分下降使兩圓片的鍵合環(huán)接觸，加壓至4MPa并繼續(xù)升溫至270℃，保溫保壓30min實現(xiàn)Cu－Sn鍵合。最后降溫降壓并取出樣片。

2測試分析

將完成W2W真空封裝的樣片依次進行表面掃描分析、X－Ray缺陷分析，然后用DAD340劃為單個芯片，再依次進行斷面觀察、剖面組分分析及剪切試驗分析。

2．1表面掃描分析圖3為使用VEECODEKTAK150進行鍵合環(huán)內(nèi)斜對角芯片表面13mm范圍內(nèi)連續(xù)掃描分析的圖片，由圖可見，芯片中心相對鍵合環(huán)邊沿向封裝腔內(nèi)凹約3.87μm，表明封裝腔室內(nèi)處于一定的真空狀態(tài)。

2．2X－Ray缺陷分析圖4和圖5為使用MetrisXTV160進行X－Ray缺陷分析的圖片，其中，圖4為單個芯片放大的細節(jié)檢測圖片，圖5為多個芯片的整體檢測圖片。由圖可見，鍵合區(qū)域沒有氣泡、孔洞等缺陷，鍵合環(huán)內(nèi)外兩側(cè)也基本無Sn溢出。

2．3斷面觀察和剖面組分分析用顯微鏡觀察鍵合結(jié)構(gòu)斷面(圖6為斷面觀察圖)，并使用EDS(能譜儀)測量鍵合區(qū)內(nèi)各元素的重量比(圖7為剖面組分分析圖)。結(jié)合斷面觀察圖和剖面組分分析圖可知，整個鍵合斷面大致分為5層:從上到下依次為Cu、Cu3Sn、Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu。其中兩側(cè)與襯底相鄰的為未消耗完的Cu，與Cu相鄰的中間大部分區(qū)域為Cu3Sn，最中心很薄的一層為Cu6Sn5。即鍵合已經(jīng)形成了以Cu3Sn為主、含極少量Cu6Sn5的金屬間化合物。此外，組分中氧含量較高，這與儲存和工藝過程中鍵合環(huán)氧化有關(guān)。這可以在鍵合前通過增加甲酸回流時間來加以解決。

2．4剪切試驗分析對單個芯片使用DAGE4000進行剪切破壞性試驗，圖8為鍵合面剪切力破壞性試驗圖片。芯片破環(huán)時，剪切力為49.287kgf，單個芯片鍵合面面積為15mm2，由此計算出鍵合面的剪切強度為32.20MPa。觀察破壞后的鍵合面，發(fā)現(xiàn)大部分?jǐn)嗔盐恢脼镾i襯底。由此可見Cu－Sn鍵合強度強于Si襯底強度。

3結(jié)論

(1)本文對基于W2W封裝工藝及Cu－Sn鍵合工藝的真空封裝進行了研究。通過電鍍制作Cu－Sn鍵合環(huán)，使用背面對準(zhǔn)方法使mems器件圓片和封蓋圓片上的Cu－Sn鍵合環(huán)對準(zhǔn)，在0.01Pa的真空環(huán)境中270℃及4MPa保持30min，成功地使Cu、Sn互溶擴散形成了剪切強度達32．20MPa的Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物，從而實現(xiàn)了一種簡易可靠的W2W圓片級真空封裝方法。(2)本文的圓片級真空封裝方法因鍵合溫度相對較低，可應(yīng)用于多種MEMS器件的真空封裝。

作者：董艷 單位：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所