MEMS器件的W2W真空封裝研究

董 艷

(中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇蘇州 215123)

0 引言

近年來(lái)，隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，使其無(wú)論在軍用還是民用上都得到了廣泛的應(yīng)用，這也對(duì)封裝提出了很高的要求。MEMS器件并不是獨(dú)立的，它一方面需要與集成電路連接以實(shí)現(xiàn)其功能;另一方面，MEMS及其集成電路又需要通過(guò)封裝來(lái)加以保護(hù)［1］。而很多MEMS器件為提高性能，則進(jìn)一步需要真空封裝。

圓片級(jí)封裝(WLP)、芯片級(jí)封裝(CSP)正是為了適應(yīng)MEMS封裝新的要求而發(fā)展起來(lái)的。其主要要求有:⑴封裝溫度低，以降低對(duì)MEMS器件及其集成電路的影響;⑵封裝強(qiáng)度高，以實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS器件及其集成電路的保護(hù);⑶氣密性好(這對(duì)需要真空封裝的MEMS器件尤為重要)，以使MEMS器件能長(zhǎng)期在真空環(huán)境中運(yùn)行，保持其優(yōu)良的性能。

PREMACHANDRAN C等人采用玻璃漿料作為鍵合環(huán)在430℃鍵合實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)的圓片級(jí)真空封裝［2］。BLANCO S等人基于C2C(芯片對(duì)芯片)工藝實(shí)現(xiàn)了MEMS器件的芯片級(jí)真空封裝［3］。HATA H和BAUER J等人先后基于 C2W(芯片對(duì)圓片)封裝工藝及Cu－Sn鍵合工藝在300℃實(shí)現(xiàn)了紅外焦平面陣列的芯片級(jí)真空封裝［4－5］。CHEN Y、ORII Y、ZHANG R等人則先后對(duì)Cu－Sn互溶擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行了研究［6－9］。

本文對(duì)基于W2W封裝工藝及Cu－Sn鍵合工藝的真空封裝進(jìn)行了研究。通過(guò)電鍍制作Cu－Sn鍵合環(huán)，使用背面對(duì)準(zhǔn)方法使MEMS器件圓片和封蓋圓片上的Cu－Sn鍵合環(huán)對(duì)準(zhǔn)，在0.01 Pa的真空環(huán)境中270℃及4MPa保持30 min，成功地使Cu、Sn互溶擴(kuò)散形成了強(qiáng)度較高的Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物，從而實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)易可靠的真空封裝方法。

1 W2W真空封裝工藝流程

本文選用4″Si圓片進(jìn)行試驗(yàn)，其中，封蓋圓片選用雙拋Si圓片。

1.1 Cu－Sn鍵合環(huán)結(jié)構(gòu)及制作工藝流程

首先在MEMS器件圓片和封蓋圓片正面分別制作鍵合環(huán)。為避免Cu暴露在空氣中氧化而影響與Sn的溶合，且為了使鍵合環(huán)制作后，應(yīng)力形變匹配，本文在器件圓片和封蓋圓片上制作相同的Cu－Sn鍵合環(huán)。

圖1所示為Cu－Sn鍵合環(huán)結(jié)構(gòu)及制作工藝流程。首先用FHR設(shè)備在圓片正面濺射種子層Ti100 nm－Cu250 nm(圖1(a))，隨后使用SUSS MA6/BA6設(shè)備進(jìn)行AZ4620厚膠光刻形成掩膜(圖1(b))，再通過(guò)電鍍形成Cu－Sn鍵合環(huán)(圖1(c))，然后去膠(圖1(d))并刻蝕去除種子層(圖1(e))。

為保證鍵合后形成再溶溫度和強(qiáng)度較高的Cu6Sn5，甚至形成再溶溫度和強(qiáng)度更高的Cu3Sn，電鍍時(shí)Cu與Sn的原子個(gè)數(shù)比要大于 3［10］。

圖1 Cu－Sn鍵合環(huán)結(jié)構(gòu)及制作工藝流程

式中:δ為膜厚，μm;m為質(zhì)量，g;γ為密度，g/cm3;S為電鍍面積;n為物質(zhì)的量，mol;M為摩爾質(zhì)量，g/mol。

由式(1)可知，形成Cu6Sn5所需Cu/Sn膜厚比值為0.52;形成Cu3Sn所需Cu/Sn膜厚比值為1.31。本文據(jù)此選定膜厚Cu 5 μm和Sn 1.5 μm，以確保Sn能完全融合完畢。

電鍍膜厚公式為［11］:

式中:K為電化學(xué)當(dāng)量，g/(A·h);D為電流密度，A/dm2;t為電鍍時(shí)間，min;η為電流效率。

由式(2)得:

本文設(shè)定Cu和Sn電流密度分別為2 A/dm2和1A/dm2，由此通過(guò)式(3)及選定的膜厚計(jì)算所需電鍍Cu和Sn的時(shí)間分別為12 min和3 min。

1.2 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SUSS MA6/BA6設(shè)備的背面對(duì)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(duì)準(zhǔn)，從而間接實(shí)現(xiàn)兩圓片正面的鍵合環(huán)對(duì)準(zhǔn)，并通過(guò)鍵合夾具固定;最后放入SUSS CB6L設(shè)備進(jìn)行真空鍵合。鍵合工藝曲線如圖2所示。

先在50～60℃抽真空10 min，再升溫至160℃并在0.01 Pa真空環(huán)境中保持10 min，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4 MPa并繼續(xù)升溫至270℃，保溫保壓30 min實(shí)現(xiàn)Cu－Sn鍵合。最后降溫降壓并取出樣片。

圖2 鍵合工藝曲線

2 測(cè)試分析

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

2.1 表面掃描分析

圖3為使用VEECO DEKTAK 150進(jìn)行鍵合環(huán)內(nèi)斜對(duì)角芯片表面13 mm范圍內(nèi)連續(xù)掃描分析的圖片，由圖可見(jiàn)，芯片中心相對(duì)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)。

圖3 表面掃描分析圖

2.2 X －Ray缺陷分析

圖4和圖5為使用Metris XTV 160進(jìn)行X－Ray缺陷分析的圖片，其中，圖4為單個(gè)芯片放大的細(xì)節(jié)檢測(cè)圖片，圖5為多個(gè)芯片的整體檢測(cè)圖片。由圖可見(jiàn)，鍵合區(qū)域沒(méi)有氣泡、孔洞等缺陷，鍵合環(huán)內(nèi)外兩側(cè)也基本無(wú)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(cè)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(gè)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?yàn)镃u3Sn，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(chǔ)存和工藝過(guò)程中鍵合環(huán)氧化有關(guān)。這可以在鍵合前通過(guò)增加甲酸回流時(shí)間來(lái)加以解決。

圖4 X－Ray缺陷分析圖(單個(gè)芯片)

圖5 X－Ray缺陷分析圖(多個(gè)芯片)

圖6 斷面觀察圖

圖7 剖面組分分析圖

2.4 剪切試驗(yàn)分析

對(duì)單個(gè)芯片使用DAGE4000進(jìn)行剪切破壞性試驗(yàn)，圖8為鍵合面剪切力破壞性試驗(yàn)圖片。

芯片破環(huán)時(shí)，剪切力為49.287 kgf，單個(gè)芯片鍵合面面積為15 mm2，由此計(jì)算出鍵合面的剪切強(qiáng)度為32.20 MPa。

圖8 剪切力破壞性試驗(yàn)圖

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(jiàn)Cu－Sn鍵合強(qiáng)度強(qiáng)于Si襯底強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)本文對(duì)基于W2W封裝工藝及Cu－Sn鍵合工藝的真空封裝進(jìn)行了研究。通過(guò)電鍍制作Cu－Sn鍵合環(huán)，使用背面對(duì)準(zhǔn)方法使MEMS器件圓片和封蓋圓片上的Cu－Sn鍵合環(huán)對(duì)準(zhǔn)，在0.01 Pa的真空環(huán)境中270℃及4 MPa保持30 min，成功地使Cu、Sn互溶擴(kuò)散形成了剪切強(qiáng)度達(dá)32.20 MPa的Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物，從而實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)易可靠的W2W圓片級(jí)真空封裝方法。

(2)本文的圓片級(jí)真空封裝方法因鍵合溫度相對(duì)較低，可應(yīng)用于多種MEMS器件的真空封裝。

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