基于氣浮噴射的MEMS封裝中通孔的金屬互聯(lián)

呂文龍,占 瞻,虞凌科,杜曉輝,王凌云,孫道恒*

(1.廈門大學(xué)薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，2.廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院,福建 廈門 361005)

圓片級封裝(wafer level package,WLP)技術(shù)是以晶圓片為單位進(jìn)行封裝操作,在圓片前道工序完成后,直接對圓片進(jìn)行封裝、測試,然后切割分離成單個(gè)器件．WLP技術(shù)不僅提高了封裝密度,降低了封裝成本,提高了封裝效率,同時(shí)還提高了電路性能和品質(zhì),有效降低了I/O間的電感、電容和其他不希望的特性．隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)對封裝的尺寸、密度和成本等要求不斷提高,WLP已經(jīng)成為一種趨勢[1]．

由于MEMS器件自身的特殊性,感應(yīng)結(jié)構(gòu)比較敏感、脆弱,MEMS封裝一般都會為其提供一個(gè)腔體,該腔體在保護(hù)器件的同時(shí)為器件的正常工作提供一個(gè)良好的環(huán)境,如氣密、真空等．在WLP中為了給MEMS器件提供這樣的腔體,通常采用蓋板方式．蓋板工藝主要包括2個(gè)關(guān)鍵技術(shù):1) 圓片鍵合技術(shù),用于蓋板與芯片基板的鍵合;2) 通孔互連技術(shù),用于芯片與外界的電學(xué)連接．蓋板一般采用玻璃材料,以形成玻璃-硅-玻璃結(jié)構(gòu)或玻璃絕緣襯底上的硅(SOI)結(jié)構(gòu)[2]．

其中,激光刻蝕和噴砂工藝是在玻璃上刻蝕通孔的常用方法．然而,這2種工藝制作的通孔底部一般會產(chǎn)生脆性崩邊,導(dǎo)致硅和通孔之間形成5～40 μm的斷層,如圖1所示．這一缺陷極大降低了通孔金屬互聯(lián)的電學(xué)可靠性．針對這類普遍存在的工藝缺陷,通常采用增加沉積金屬厚度[3]或改變通孔底部結(jié)構(gòu)[4]兩類方法加以解決．

(a) 橫截面;(b) 通孔底部;(c) 破損細(xì)節(jié).圖1 破損通孔的SEM圖Fig.4 SEM of the breakage in the through-hole

氣浮沉積(AD)技術(shù)是一種新型按需噴印方法,在許多領(lǐng)域已進(jìn)行了探索性的研究,尤其在柔性電子制造、機(jī)電工程和表面修復(fù)等領(lǐng)域已經(jīng)取得了創(chuàng)新性的突破,國外研究小組已經(jīng)成功地將AD技術(shù)應(yīng)用于太陽能電池、薄膜晶體管、微傳感器、微執(zhí)行器等的制造[5-7]．AD(使用銀漿作為墨水)噴印得到的線寬在10～200 μm,噴頭與基板之間的距離可在1～5 mm內(nèi)調(diào)整．另外,它能噴印的墨水的黏度范圍更廣(0.7～2 500 mPa·s),這使它能加工金屬墨水、聚合物厚膜漿料、稀釋后的陶瓷粉末,甚至環(huán)氧樹脂．基于以上工藝特點(diǎn),本文提出了將AD技術(shù)應(yīng)用于制作通孔互聯(lián)結(jié)構(gòu)中,該方案具有以下優(yōu)點(diǎn):1) 按需噴印,節(jié)省金屬材料;2) 適應(yīng)于填充各種形狀的通孔[8-9]．

本文以玻璃-硅-玻璃封裝結(jié)構(gòu)為例,針對噴砂方法制作的通孔,提出一種高可靠性、低成本的結(jié)合AD技術(shù)的金屬互聯(lián)制作方法．制作工藝:首先在玻璃通孔圖案化濺射一層鋁膜,然后采用AD方法向通孔內(nèi)噴印納米銀漿,最后加熱蒸發(fā)掉銀漿中的有機(jī)成份,形成Ag/Al/Si的接觸結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)MEMS器件與外界的電學(xué)連接．

1 AD系統(tǒng)

Optomec公司AJTM300氣溶膠噴射系統(tǒng)主要包括霧化器、噴頭和XY運(yùn)動(dòng)平臺等,如圖2所示．沉積過程:霧化器使納米材料霧化,生成一層致密的顆粒蒸氣,該蒸氣被一股氣流從霧化器中帶出來,隨后這股氣流被鞘氣包裹形成同軸氣流,最后同軸氣流從噴頭噴射到位于XY運(yùn)動(dòng)平臺的收集板上．氣浮噴射的材料線寬范圍10～200 μm,噴頭到收集板的距離在1～5 mm之間[10]．

圖2 帶超聲霧化器的AD系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic of aerosol deposition system with ultrasonic atomizer

2 試 驗(yàn)

2.1 通孔歐姆接觸結(jié)構(gòu)的制作流程

金屬銀的電導(dǎo)率為63.01×106S/m,是良好的導(dǎo)電材料,而且容易制成納米漿料,目前已被廣泛地應(yīng)用于AD系統(tǒng)．本文選擇型號為Cabot CSD-32的納米銀漿,但考慮到Ag-Si 共熔點(diǎn)為835 ℃[11],遠(yuǎn)高于MEMS工藝中大部分電極以及基材的極限溫度[12]．因此無法直接制作Ag/Si接觸結(jié)構(gòu)．為了實(shí)現(xiàn)通孔的金屬互聯(lián),同時(shí)獲得良好的歐姆接觸特性,提出一種基于AD工藝的Ag/歐姆金屬/Si三層結(jié)構(gòu)．其中,相比于Ag,Lee研究得到500 ℃是MEMS中的Al電極形成歐姆接觸的經(jīng)驗(yàn)溫度,而7740玻璃的標(biāo)定軟化點(diǎn)為840 ℃,500 ℃退火不會影響器件的性能．基于AD的噴印特性,選擇Ag作為通孔底部的填充金屬,通過局部噴印,實(shí)現(xiàn)玻璃通孔與硅的電學(xué)連接．

Ag/Al/Si 接觸結(jié)構(gòu)的制作流程見圖3,包括以下2個(gè)步驟:

1) 采用光刻工藝制作掩膜圖形,限定玻璃蓋板上沉積Al的具體區(qū)域;

2) 采用電子束蒸發(fā)法,在通孔底部和側(cè)面沉積1.5 μm的Al,然后在500 ℃,N2氣氛中退火30 min;

3) 采用AD法,在通孔內(nèi)沉積納米銀漿,然后在N2氣氛中燒結(jié)．

圖3 Ag/Al/Si 接觸結(jié)構(gòu)的制作流程Fig.3 Processing flow of Ag/Al/Si contact structure

2.2 工藝試驗(yàn)

為驗(yàn)證方案可行性,首先在硅襯底上制作Ag/Al/Si接觸結(jié)構(gòu),考察引入Ag后Al/Si接觸電阻的變化量．詳細(xì)步驟:1) 在P型硅襯底上制作2個(gè)半徑為1.5 mm,中心距為4.5 mm的Al圓電極;2) 采用AD法,在Al電極表面沉積相同尺寸的Ag電極,得到如圖4所示的Ag/Al/Si接觸結(jié)構(gòu)．AD系統(tǒng)的基本參數(shù)：霧化器為超聲，霧化器功率為32.69 W，載氣流量為14 mL/min，鞘氣流量為185 mL/min，噴印線寬為46 μm.

圖4 平面Ag/Al/Si接觸結(jié)構(gòu)Fig.4 Plane Ag/Al/Si contact structure

圖5為Ag在不同溫度燒結(jié)后,接觸電阻的相對變化量．由圖5可知,當(dāng)燒結(jié)溫度低于500 ℃時(shí),Ag/Al/Si結(jié)構(gòu)相較于Al/Si結(jié)構(gòu),接觸電阻的變化量小于4%,表明Ag的引入,基本不影響Al/Si的接觸電阻．

圖5 不同燒結(jié)溫度下,引入Ag后接觸電阻的相對變化量Fig.5 The relative change of the resistance at different sintering temperatures after Ag was deposited on Al/Si

采用3M 600膠帶對Ag/Al/Si結(jié)構(gòu)進(jìn)行黏附性測試,測試結(jié)果如圖6所示．結(jié)果表明,燒結(jié)溫度不高于300 ℃時(shí),Ag與Al的黏附性較好,基本上不脫落,其拉伸強(qiáng)度超過9.8 N/cm2,當(dāng)Ag燒結(jié)溫度超過400 ℃時(shí),Al表面的Ag發(fā)生不同程度的脫落．

圖6 不同燒結(jié)溫度下Ag與Al的黏附性測試Fig.6 Adhesion test at different sintering temperatures

3 通孔的電學(xué)性能測試

采用與上述試驗(yàn)相同的工藝條件,在噴砂工藝制作的玻璃通孔(底部半徑為110 μm)底部填充納米銀漿,并在300 ℃,N2氣氛中燒結(jié)．隨后對填充好的兩通孔進(jìn)行I-V測試,測試結(jié)構(gòu)如圖7所示．

圖7 兩通孔的I-U測試結(jié)構(gòu)Fig.7 I-U test structure between two through-holes

兩通孔間的I-U特性曲線如圖8所示．測試結(jié)果表明,電子束蒸發(fā)的Al無法有效填充玻璃通孔底部的破損區(qū)域,玻璃通孔與硅仍處于斷路狀態(tài);AD法沉積的Ag完全填充了玻璃通孔底部與硅之間的斷層,形成了較低電阻的Ag/Al/Si歐姆接觸結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了玻璃通孔與硅的電學(xué)連接．

圖8 兩通孔之間的I-U特性曲線Fig.8 I-V characteristic curve between two through-holes

4 結(jié) 論

激光刻蝕和噴砂工藝制作的玻璃通孔底部容易產(chǎn)生破損．本文首先在玻璃通孔底部和側(cè)面蒸發(fā)一層1.5 μm的Al,然后采用AD方法在通孔底部沉積15 s的納米銀漿,經(jīng)過300 ℃燒結(jié)的Ag完全填充了玻璃通孔底部與硅之間的斷層,形成了較低電阻的Ag/Al/Si歐姆接觸結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了玻璃通孔與硅之間的電學(xué)連接．試驗(yàn)結(jié)果表明,AD方法作為一種新型的直寫方法,能夠有效解決通孔底部破損造成的玻璃通孔與硅的電學(xué)連接問題,對研究MEMS WLP中微結(jié)構(gòu)與外界的電互聯(lián)提供了新思路．

此外,通過移動(dòng)XY運(yùn)動(dòng)平臺,AD方法可實(shí)現(xiàn)對通孔的點(diǎn)對點(diǎn)沉積,不僅節(jié)省了金屬材料,而且整個(gè)過程也不再需要掩膜來確定沉積區(qū)域,簡化了制作工藝．

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