基于玻璃-硅復(fù)合基板的微系統(tǒng)圓片級(jí)三維封裝

蘇兆喜，邢朝洋，羅 斌，汪子及，梁棟國(guó)，尚金堂

（1.東南大學(xué)，南京210096；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源和微能源、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)?；诮Y(jié)構(gòu)的特殊性，MEMS器件大多對(duì)氣密性有著強(qiáng)烈的要求。同時(shí)，隨著MEMS器件追求更小的尺寸、更高的集成度，傳統(tǒng)封裝體積大、功耗高、成本高、可靠性低，已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。因此，系統(tǒng)級(jí)的三維（3D）封裝技術(shù)已經(jīng)成為電子產(chǎn)品高度集成化、微型化、多功能化形勢(shì)下的必然趨勢(shì)［1］。而基板是層與層之間、層與襯底之間上下堆疊互聯(lián)的介質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)高密度的三維系統(tǒng)級(jí)封裝的關(guān)鍵。

三維封裝的典型方式可被分為埋入式和堆疊式。埋入式是將器件或芯片埋入到基板內(nèi)層中，然后通過(guò)層壓或再貼裝芯片，構(gòu)成三維封裝；堆疊式是在層與層之間、芯片與芯片之間等通過(guò)垂直通孔或引線(xiàn)互聯(lián)進(jìn)行上下堆疊，實(shí)現(xiàn)三維封裝［2-3］。埋入式和堆疊式的核心封裝組件都是基板，均通過(guò)基板形成層與層之間的互連。目前，基板互連技術(shù)主要基于硅通孔技術(shù)（Through Silicon Via，TSV）和玻璃通孔技術(shù)（Through Glass Via， TGV）兩種方式［4-5］。TSV的主要材料是硅，可與集成電路工藝完美對(duì)接，并且與硅芯片的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）完美匹配，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力問(wèn)題。同時(shí)，硅材料優(yōu)良的導(dǎo)熱性能使得采用TSV技術(shù)的三維封裝具有良好的散熱性能。但是，硅材料的半導(dǎo)體特性使其不可避免地會(huì)產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致信號(hào)間的耦合和串?dāng)_。這種情況在高頻下尤其突出，因此必須對(duì)TSV進(jìn)行絕緣處理，這便增加了工藝難度和制造成本［6-7］?；赥GV技術(shù)的基板的主要材料是玻璃，它具有許多優(yōu)良的特性，如高電阻率帶來(lái)的良好的絕緣性、與硅相近的CTE使熱失配問(wèn)題可以忽略不計(jì)、良好的光學(xué)性質(zhì)等。這些優(yōu)勢(shì)使其在集成電路及近年來(lái)不斷受到關(guān)注的片上光電混合集成封裝領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力，因而其受到了許多學(xué)者的關(guān)注［8-9］。目前，對(duì)TGV的填充主要基于金屬沉積工藝和玻璃回流工藝兩種。玻璃回流工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其可以利用工藝成熟的硅加工工藝制作硅模具，得到具有精確形貌的TGV襯底。同時(shí)，利用玻璃回流工藝也能夠在玻璃基板上對(duì)實(shí)現(xiàn)片上光電互連混合封裝的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（如用于光纖固定耦合封裝的U/V型槽陣列）的圓片級(jí)制備。

基于玻璃回流工藝，本文對(duì)應(yīng)用于微系統(tǒng)3D封裝的玻璃-硅復(fù)合基板進(jìn)行了研究，制作了埋入式MEMS器件電極及3D圓片級(jí)封裝原型，將MEMS器件與封裝集成到了一起，大大簡(jiǎn)化了工藝步驟，使器件的制作和封裝不再需要單獨(dú)進(jìn)行。以具有良好導(dǎo)電率的高摻雜硅作為T(mén)GV的填充物，則不需要再進(jìn)行金屬化填充。通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝將基板與玻璃封裝帽進(jìn)行鍵合，可實(shí)現(xiàn)器件的氣密性封裝。同時(shí)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出了利用玻璃回流工藝在玻璃轉(zhuǎn)接板上制備用于光纖陣列對(duì)準(zhǔn)耦合的U型槽的方案。最后，對(duì)回流工藝及封裝效果進(jìn)行了研究和分析。

1 設(shè)計(jì)和制造

1.1 設(shè)計(jì)

圖1是利用玻璃-硅復(fù)合基板進(jìn)行微系統(tǒng)圓片級(jí)三維封裝的概念圖。微系統(tǒng)封裝體主要由封裝帽、玻璃-硅復(fù)合基板、MEMS器件及平面光波導(dǎo)U型槽陣列組成。MEMS器件可以裝配在復(fù)合基板上，通過(guò)基板上的TGV通孔進(jìn)行電連接，實(shí)現(xiàn)與集成電路的集成。TGV及平面光波導(dǎo)U型槽陣列的制作是通過(guò)深反應(yīng)離子刻蝕（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）高導(dǎo)硅模具，然后通過(guò)回流工藝填充得到的。圖2為單模光纖陣列與玻璃基板上集成的平面光波導(dǎo)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)耦合封裝的示意圖，SMF-28單模光纖陣列裝配在玻璃基板上制備的U型槽陣列中。通過(guò)合理設(shè)計(jì)U型槽的尺寸，使其與單模光纖包層外徑相匹配，使得U型槽在5個(gè)維度上均對(duì)光纖進(jìn)行了位置的限定及對(duì)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)了單模光纖與玻璃基板上集成光波導(dǎo)的低損耗端面耦合。

圖1 采用新型玻璃-硅復(fù)合基板的3D集成封裝概念圖Fig.1 Concept diagram of 3D integrated packaging using a new Glass-Silicon composite substrate

TGV表面經(jīng)濺射或蒸發(fā)一層金屬薄膜而成為電連接的金屬盤(pán)，金屬盤(pán)將MEMS器件的電極與其進(jìn)行引線(xiàn)鍵合而實(shí)現(xiàn)電連接。將玻璃-硅復(fù)合基板與玻璃封裝帽在真空下鍵合，密封MEMS器件及平面光波導(dǎo)陣列，以實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)的三維封裝。

圖1所示僅為一個(gè)封裝體的概念圖，一個(gè)圓片上可以有多個(gè)此種相同的封裝體，以實(shí)現(xiàn)批量化的圓片級(jí)封裝。該種封裝方式不僅可以封裝傳統(tǒng)的平面MEMS器件（如麥克風(fēng)傳感器、加速度計(jì)等），更可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維MEMS器件（如微半球諧振陀螺）的圓片級(jí)封裝。

圖2 U型槽陣列實(shí)現(xiàn)單模光纖陣列與玻璃基板上光波導(dǎo)的耦合封裝Fig.2 Coupling and packaging of single mode fiber array and planar lightwave circuit on glass substrate through fabricated U-groove array

1.2 工藝過(guò)程

采用復(fù)合基板進(jìn)行圓片級(jí)三維封裝的工藝過(guò)程主要包括3個(gè)部分：1）玻璃-硅復(fù)合基板的制作；2）封裝帽的制作；3）復(fù)合基板與封裝帽的鍵合。

該微系統(tǒng)封裝的工藝步驟如圖3所示，具體包括：

1）在硅圓片上旋涂一層光刻膠，光刻出特定的圖形作為MEMS器件的電極、垂直通孔、U型槽陣列等的掩膜，所采用的硅圓片為厚度為625μm的4英寸＜100＞晶向P型高導(dǎo)硅。

2）DRIE刻蝕出微腔，在腔內(nèi)形成電極、硅圓柱（用于垂直電引出）、U型槽陣列的硅柱模具等微結(jié)構(gòu)。

3）將玻璃片與刻蝕后的硅圓片鍵合以密封微腔。鍵合過(guò)程采用陽(yáng)極鍵合工藝，其具有鍵合強(qiáng)度高、氣密性好、對(duì)鍵合片表面粗糙度要求低等特點(diǎn)。

4）將鍵合片放入加熱爐中，保持爐內(nèi)溫度高于玻璃軟化點(diǎn)。在此過(guò)程中，軟化的玻璃在腔內(nèi)外氣壓差的作用下回流進(jìn)微腔內(nèi)包裹起電極、硅柱等微結(jié)構(gòu)，然后將填充好的回流片進(jìn)行退火處理。

5）通過(guò)減薄研磨去掉回流片上表面的玻璃層和下表面的硅層，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）處理，最終得到制作完成的玻璃-硅復(fù)合基板。

6）在基板上的硅柱和電極表面濺射一層金屬層，并通過(guò)引線(xiàn)鍵合將MEMS器件與其進(jìn)行連接。

7）將玻璃片與硅片鍵合，利用發(fā)泡法［10］得到帶有蓋帽圓片的玻璃-硅鍵合片。

8）將鍵合片置于濃度為25%的TMAH（四甲基氫氧化銨）溶液中，采用90℃的水浴加熱腐蝕去掉硅襯底，得到蓋帽圓片。TMAH對(duì)硅片的腐蝕速率約為100μm/3h，整個(gè)腐蝕過(guò)程約需 15h（對(duì)于500μm 的硅片）。

9）將步驟（8）得到的蓋帽圓片與步驟（6）得到的玻璃-硅復(fù)合基板在真空環(huán)境下進(jìn)行第二次鍵合，完成對(duì)MEMS器件和U型槽陣列的微系統(tǒng)級(jí)封裝。

其中， 步驟（1）～步驟（6）為玻璃-硅復(fù)合基板的制作過(guò)程，步驟（7）～步驟（8）為封裝帽的制作過(guò)程， 步驟（1）～步驟（9）依次對(duì)應(yīng)圖 3（a）～圖 3（i）。

圖3 封裝工藝流程圖Fig.3 Fabrication process of packaging

1.3 回流過(guò)程

玻璃回流的原理是：在高溫條件下，玻璃在達(dá)到軟化點(diǎn)后在內(nèi)外壓差的作用下被填充進(jìn)預(yù)先刻蝕出的腔室［11］。回流工藝的一個(gè)重要參數(shù)是填充率，填充率指的是回流進(jìn)微腔的玻璃體積與微腔體積之比，用來(lái)表征填充程度。填充率對(duì)回流片的性能有兩個(gè)影響，一個(gè)是基板的有效厚度，另一個(gè)是封裝的氣密性。玻璃回流進(jìn)微腔的示意圖如圖4所示，玻璃回流會(huì)經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是圖4（a）所示的回流玻璃還沒(méi)有到達(dá)腔底端的情形，第二個(gè)階段是圖4（b）所示的回流繼續(xù)進(jìn)行并已經(jīng)接觸到腔底端的情形。在圖4中，H為待回流微腔的深度；h為回流玻璃的深度；W為回流微腔的寬度；R是回流玻璃與微腔壁面的分離點(diǎn)距離玻璃界面底部的深度；回流玻璃在接觸到腔底后，在內(nèi)外壓力和重力作用下慢慢向兩側(cè)填充，用L表示此時(shí)剩余未填充空隙的寬度。如果回流不充分，填充率較低，則會(huì)形成如圖4（a）所示的情形，那么回流深度h即是指基板在經(jīng)過(guò)上下兩面減薄后剩余的有效厚度。若h很小，會(huì)造成微腔的側(cè)壁與玻璃的不完美粘結(jié)，產(chǎn)生漏氣的可能，導(dǎo)致封裝的漏率增大，甚至完全不能達(dá)到氣密封裝的效果。

為了了解玻璃回流的填充特性，本文研究了不同回流時(shí)間對(duì)填充率的影響?；亓魉玫牟Ａ樾ぬ谺orofloat?33硼硅玻璃，其溫度特性及其在不同溫度下的粘度如表1所示［12］。該玻璃的軟化點(diǎn)為820℃，實(shí)驗(yàn)中的回流溫度采用了略高于軟化點(diǎn)的850℃。本文共設(shè)置了3組實(shí)驗(yàn)，變量為微腔的寬度W（分別約為80μm、150μm、300μm）和回流時(shí)間t（分別為 0.5h、 1h、 2h、 3h）， 其余參量則完全相同［13］。圖5是3組實(shí)驗(yàn)中的第 2組（W≈150μm）在不同回流時(shí)間條件下的填充腔室的橫截面。通過(guò)顯微鏡自帶刻度標(biāo)記出了3組實(shí)驗(yàn)中H、h、W、R、L等各個(gè)參數(shù)的測(cè)量值，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖4 回流示意圖Fig.4 Schematic diagram of reflow process

表1 Borofloat?33的溫度和粘度特性Table 1 Temperature and viscosity characteristics of Borofloat? 33

圖5 850℃下微腔寬度W≈150μm時(shí)不同回流時(shí)間條件下的微腔橫截面顯微圖Fig.5 Cross-section micrographs of microcavities with different reflow times at 850℃ when W≈150μm

表2 不同微腔寬度和回流時(shí)間條件下的回流填充結(jié)果Table 2 Reflow fill results for different microcavity widths and reflow times

2 結(jié)果與分析

2.1 回流結(jié)果及分析

文獻(xiàn)［13］提出了一種近似計(jì)算填充率的模型，該模型將以R與W/2為直角邊的三角形近似劃入未被玻璃填充的區(qū)域，由此得到填充率的表達(dá)式為

其中， 式（1）適用于圖 4（a）的情形， 式（2）適用于圖4（b）的情形。將表2的測(cè)量結(jié)果帶入上述公式，可計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中微腔的填充率。圖6是根據(jù)表2的結(jié)果得出的微腔填充率隨回流時(shí)間變化的關(guān)系。

由圖6可知，微腔寬度W對(duì)回流速度的影響明顯。W越大，回流速度越快，回流玻璃填滿(mǎn)微腔的時(shí)間越短，在回流前期這種影響尤其明顯。當(dāng)回流時(shí)間為0.5h時(shí)，寬度為313μm的微腔的填充率為98.6%，寬度為159μm的微腔的填充率為65.5%，寬度為85μm的微腔的填充率為47.1%。這是由于微腔寬度越大，回流玻璃與微腔側(cè)壁的粘附力與腔內(nèi)外壓差相比越小，對(duì)回流的阻滯作用越小，向下回流的速度就越快。從圖6還可以看出，回流時(shí)間對(duì)回流速度的影響也非常明顯?；亓魉俣仍谇捌谳^快，在后期明顯變慢。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)的3種微腔寬度，達(dá)到50%的填充率所需的時(shí)間不超過(guò)0.5h，而將微腔完全填滿(mǎn)則需要約3h，即后面2.5h的平均填充速度只有前面0.5h的1/5。從圖5也可以看出，回流玻璃在約0.5h時(shí)到達(dá)微腔底部，在到達(dá)底部后經(jīng)過(guò)約2.5h才最終完全將微腔填滿(mǎn)。針對(duì)這種情況，文獻(xiàn)［14］提到，回流玻璃一旦接觸到空腔底部，由內(nèi)外壓差帶來(lái)的壓力會(huì)急劇減小，回流速度即變慢，此時(shí)對(duì)應(yīng)圖4（b）所示的情形。因此，可以認(rèn)為完全填充不同回流深度h的微腔所需的時(shí)間差別不大，因?yàn)橥耆畛湮⑶凰璧臅r(shí)間主要取決于回流玻璃到達(dá)微腔底部之后經(jīng)歷的時(shí)間。

圖6 不同微腔寬度的填充率與回流時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between filling rate and reflow time of differentmicrocavity widths

2.2 封裝結(jié)果及分析

圖7給出了采用玻璃-硅復(fù)合基板進(jìn)行封裝的實(shí)物照片。本實(shí)驗(yàn)在1個(gè)圓片上做了4個(gè)封裝腔室，為每個(gè)腔室設(shè)計(jì)了20個(gè)垂直電極用來(lái)進(jìn)行電引出。前面提到，當(dāng)回流深度h很小時(shí)，會(huì)造成微腔的側(cè)壁與玻璃的不完美粘結(jié)，產(chǎn)生漏氣的可能，導(dǎo)致封裝的漏率增大甚至完全不能達(dá)到氣密封裝的效果。由于經(jīng)DRIE刻蝕或濕法腐蝕之后的硅微腔側(cè)壁是不光滑的，因此高溫回流的玻璃在附著在側(cè)壁上后，會(huì)形成高強(qiáng)度的結(jié)合界面。圖8給出了經(jīng)研磨后復(fù)合基板硅和玻璃結(jié)合處的顯微照片。 圖8（a）和圖8（c）分別是Ⅰ號(hào)腔室的正反面，圖8（b）和圖8（d）分別是Ⅱ號(hào)腔室的正反面。從圖8可以看出，正面界面處結(jié)合較好，而反面界面處則有縫隙，說(shuō)明沒(méi)有結(jié)合。如果回流深度較淺，這種沒(méi)有結(jié)合的地方就非常容易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，嚴(yán)重影響封裝的氣密性。因此，對(duì)于界面處的結(jié)合情況進(jìn)行表征是非常必要的。

圖7 封裝實(shí)物圖Fig.7 Packaging physical map

圖8 研磨后的玻璃-硅基板回流側(cè)壁處的顯微照片F(xiàn)ig.8 Photomicrographs of reflowed sidewall of the polished Glass-Silicon substrate

經(jīng)減薄拋光后的復(fù)合基板的厚度為293μm，本文對(duì)該基板的硅-玻璃界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了表征。如圖9（a）所示，以硅-玻璃結(jié)合界面處為中心線(xiàn)，在兩側(cè)施加壓力以進(jìn)行破壞性測(cè)試，結(jié)果顯示基板沒(méi)有沿界面處發(fā)生斷裂。圖9（b）是玻璃-硅界面處的垂直截面圖。圖9（c）是對(duì)圖9（b）進(jìn)行破壞性測(cè)試的結(jié)果。在4次斷裂破壞實(shí)驗(yàn)中，第4次實(shí)驗(yàn)的斷裂面發(fā)生在玻璃-硅界面處，而其余3次均沒(méi)有在界面處發(fā)生斷裂，這說(shuō)明界面處的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到了一定要求。

圖9 玻璃-硅復(fù)合基板破性壞實(shí)驗(yàn)Fig.9 Destructive experiment of Glass-Silicon composite substrate

復(fù)合基板與封裝帽圓片的鍵合強(qiáng)度也會(huì)對(duì)封裝的氣密性產(chǎn)生影響，而影響鍵合強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)是圓片的粗糙度。為了確定復(fù)合基板的鍵合效果能夠達(dá)到要求，測(cè)試了拋光后基板的表面粗糙度，結(jié)果顯示拋光后基板的表面粗糙度Ra為0.93nm，滿(mǎn)足鍵合和封裝要求。

3 結(jié)論

本文利用玻璃回流工藝，驗(yàn)證了一種基于新型玻璃-硅復(fù)合基板的微系統(tǒng)圓片級(jí)三維封裝技術(shù)。在基板上制作了MEMS器件的電極和用于光纖與基板集成平面光波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)耦合封裝的U型槽等微結(jié)構(gòu)，利用該方法驗(yàn)證了玻璃基板的光電混合封裝技術(shù)。對(duì)使用回流工藝制備的玻璃-硅復(fù)合基板的結(jié)合強(qiáng)度和表面粗糙度進(jìn)行了表征測(cè)試，結(jié)果表明其可以滿(mǎn)足封裝氣密性的要求，是一種易于實(shí)現(xiàn)且頗具應(yīng)用前景的微系統(tǒng)三維封裝方法。