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第九讲微系统封装技术-键合技术.ppt


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硅硅直接键合
两硅片通过高温处理可以直接键合在一起,不需要任何粘结剂和外加电场,工艺简单。这种键合技术称为硅-硅直接键合(SDB—SiliconDirectBonding)技术。直接键合工艺是由Lasky首先提出的。
硅-硅直接键合工艺如下:
(1)将两抛光硅片(氧化或未氧化均可)先经含的溶液浸泡处理;
(2)在室温下将两硅片抛光面贴合在一起;
(3)贴合好的硅片在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理,这样就形成了良好的键合。
直接键合工艺相当简单。键合的机理可用三个阶段的键合过程加以描述。
第一阶段,从室温到200°C,两硅片表面吸附OH团,在相互接触区产生氢键。在200°C时,形成氢键的两硅片的硅醇键之间发生聚合反应,产生水及硅氧键,即
Si-OH+HO-Si→
Si-O-Si+H2O。
到400°C时,聚合反应基本完成。
第二阶段温度在500~800°C范围内,在形成硅氧键时产生的水向SiO2中的扩散不明显,而OH团可以破坏桥接氧原子的一个键使其转变为非桥接氧原子,即:
HOH+Si-O-Si=2+2Si-。
第三阶段,温度高于800°C后,水向SiO2中扩散变得显著,而且随温度的升高扩散量成指数增大。键合界面的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四周SiO2中,从而产生局部真空,这样硅片会发生塑性变形使空洞消除。同时,此温度下的SiO2粘度降低,会发生粘滞流动,从而消除了微间隙。超过1000°C时,邻近原子间相互反应产生共价键,使键合得以完成
在键合前,对硅片进行表面处理,使其表面吸附是至关重要的。对于热氧化的镜面抛光的硅片而言,热氧化的SiO2具有无定型的石英玻璃网格结构。在SiO2膜的表面和体内,有一些氧原子处于不稳定状态。在一定条件下,它们可得到能量而离开硅原子,使表面产生悬挂键。有许多种方法可以增加热氧化的硅表面的悬挂键。等离子体表面活化处理就是一种方法。对于原始抛光硅片,纯净的的硅片表面是疏水性的,若将其浸入在含有氧化剂的溶液中,瞬间会在硅片表面吸附一层单氧层。随着溶液温度的提高(75°C~110°C),单氧层会向一氧化物、二氧化物过渡。由化学溶液形成的硅氧化物表面有非桥键的羟基存在,所以这有利于硅片的室温键合。常用的亲水液有硫酸双氧水、稀***、氨水等。
键合良好的硅片,其键合强度可高达12MPa以上,这需要良好的键合条件。
首先是温度,两硅片的键合最终是靠加热来实现的,因此,温度在键合过程中起着关键的作用。
其次是硅片表面的平整度。抛光硅片或热氧化硅片表面并不是理想的镜面,而总是有一定的起伏和表面粗糙度。如果硅片有较小的粗糙度,则在键合过程中,会由于硅片的弹性形变或者高温下的粘滞回流,使两键合片完全结合在一起,界面不存在孔洞。若表面粗糙度很大,键合后就会使界面产生孔洞。
最后,就是表面的清洁度。如果键合工艺不是在超净环境中进行的,则硅片表面就会有一些尘埃颗粒,尘埃颗粒是键合硅片产生孔洞的主要根源之一。例如,若硅片厚350μm,颗粒直径1μm,。可见,粘污粒子对键合的影响程度。此外,室温下贴合时陷入界面的气体也会引起孔洞。
硅-硅直接键合工艺不仅可以实现Si-Si、Si-SiO2和SiO2-SiO2键合,而且还可以实现Si-石英、Si-GaAs或InP、Ti-Ti和Ti-SiO2键合。另外,在键合硅片之间夹杂一层中间层,如低熔点的硼硅玻璃等,还可以实现较低温度的键合,并且也能达到一定的键合强度,这种低温键合可与硅半导体器件常规工艺兼容。
玻璃焊料烧结
压力传感器芯片与基座的封接质量是影响传感器性能的重要因素。当前,静电封接是国内外比较流行的一种工艺,它具有封接强度高、重复性好、气密性高等优点。但是该方法工艺复杂,条件要求严格,生产效率低、成本高。有时还会出现一些反常现象(开裂、自动脱落等)。低温玻璃焊料封接工艺简单、封接强度高、密封效果好,尤其适合大批量生产
所谓烧结,是将颗粒状陶瓷坯体(或玻璃粉)置于高温炉中,使其致密化形成强固体材料的过程。烧结开始后首先排除坯料颗粒间空隙,使相应的相邻粒子结合成紧密体。烧结过程必须具备两个基本条件:
(1)应该存在物质迁移的机理;
(2)必须有一种能量(热能)促进和维持物质迁移。
对于应用玻璃焊料进行封接的材料来说还要求
(1)材料要与焊料玻璃的热胀系数很接近;
(2)封接温度要低于被封接材料的耐热极限温度。
对于压力传感器芯片与玻璃基座的封接,封接温度至少应低于550°C,而Al-Si共熔点577°C,芯片上的铝引线不会被破坏。有文献提出,参考ZnO-B2O3-PbO三元系相图选出一种结晶性焊料玻璃,其屈服温度为460°C,该焊料与玻璃基座有良好浸润性。首先进行玻璃焊料配制,然后在900°C高温炉内熔化,接着玻璃液淬火,研磨得焊料,再用去离子水将焊粉调糊涂于封接处,最后红外干燥,530°C烧结30min,自然冷却
基于圆片键合工艺的真空封装技术
MEMS器件
玻璃

将表面镜面抛光的硅片和玻璃片紧密接触,升温至220~500℃,并在硅片和玻璃片两端加800~2000V左右的高压,几分钟后即可形成紧密键合。阳极键合对圆片表面平整性的要求比较高,达到nm量级。硅片和玻璃片的翘曲也将大大影响键合质量,翘曲度越大,键合质量越差。高压对微电路有影响。电极的引出易造成键合密封面气密性失效。
,,。Au/Si键合具有很高的键合强度,可达到245MPa。同时键合结构具有较好的耐腐蚀性,并能承受较高的使用温度。但共晶键合的残余应力较大,键合界面本身硬度较高而不能有效吸收键合结构中的热应力,导致热失配,而且相对成本高
多晶硅键合层
引线互连层
焊盘
MEMS器件
金层
金属焊料键合的键合温度可较低,焊料硬度较低,能够吸收由于温度变化产生的热应力。但键合界面处塑性较大,易产生疲劳失效,不耐高温,在回流工艺中易产生气孔。对于真空封装,-Sn合金作为圆片键合中间层,开发了一种基于软焊料键合的低温圆片键合工艺(温度低于160℃)。其实验结果表明,泄漏率为8×10-10Pam3/s,键合界面拉伸强度达到20MPa。经-10~80℃高低温循环1500周期()后,真空度没有衰减。但其真空度约为6650Pa,不满足现有MEMS器件的真空度要求
焊盘
密封焊料
吸气剂
真空腔
MEMS器件

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  • 上传人孔乙己
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  • 时间2022-12-01