MEMS后封装技术

第11卷，第7期电子与封装总第99期Vol.11，No. 7ELECTRONICS & PACKAGING2011年7月MEMS后封装技术杨建生(天水华天科技股份有限公司，甘肃天水741000)摘要:通过对局部加热与压焊技术的研讨，介绍了微系统后封装技术，微系统封装技术在微电机系统(MEMS)蓬勃兴起的领域已成为主要的研究课题。构建多应用后封装工艺不仅推动了此领域的发展，而且加速了产品的商业化进程。文章概述了通过局部加热和压焊技术形成创新型后封装的方法，阐明了目前MEMS封装技术和晶片压焊工艺技术的工程基础。重点陈述了通过选择性密封工艺过程，包括集成低压力化学汽相淀积(LPCVD)密封工艺、局部硅-玻璃熔融压焊、局部焊料压焊和局部CVD (化学汽相淀积)压焊工艺过程。关键词:化学汽相淀积压焊;低共熔压焊;融合压焊; MEMS封装;焊料压焊中图分类号: TN305.94文献标识码: A文章编号: 1681-1070 ( 2011 ) 07-0002-07MEMS Post PackagingYANG Jian-sheng(Tianshui Huatian Technology Co., Ltd., Tianshui 741000,China)Abstract: This work addresses important post-packaging issues for Microsystems and rcommemds specificresearch directions by localized heating and bonding. Micropackaging has become a major subject for bothscientific research and industrial applications in the emerging field of microelectromechanical systems(MEMS). Establishing a versatile post-packaging process not only advances the field but also speeds up theproduct commercialization cycle. A review of engineering bases describing current technologies of MEMSpackaging approach by localized heating and bonding. Proces s demonstrations by selective encapsulationare presented, including an integrated low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) sealing process.Localized silicon-gold eutectic bonding, localized silicon-glass fusion bonding, localized solder bonding andlocalized CVD bonding process.Key words: CVD bonding; eutectic bonding; fusion bonding; MEMS packaging; solder bond工艺过程的- -部分融合在器件制造阶段，虽然此方法1引言解决了单个器件的封装需要，但是它不能解决多个微系统的封装需要，特别是由芯片制造公司制造的很多随着微封装作为器件商业化的瓶颈出现，微电机MEMS器件以及对军用产品封装工艺的需要。系统(MEMS)正在缩小传感器和驱动器使之进入微MEMS后封装工艺必须满足几个方面的要求:封纳米规模。在传统的集成电路制造中，封装成本大约装既不能损坏装配制造前的MEMS微结构，也不能损占制造成本的三分之- -。MEMS封装要求严格，原因伤微电子学方面的状况:封装应适用于很多应用领在于易损的微型结构以及通常要考虑的MEMS制造中域的不同中国煤化工采用比较成熟的技最昂贵的工艺步骤。建议应把MEMS封装作为微电机术以节省YHC N M H G件要求真空密封,收稿日期: 2011-04-11-2-第11卷第7期杨建生: MEMS后封装技术有的要求低温封装，为了达到这些要求，应重视几“内部接触”把两个分离的表面结合在一起，“温项关键要素:保护MEMS器件的封帽，不透气密封度”提供压焊能量。研究粗糙表面对阳极压焊工艺强压焊，较低制造成本的晶圆级与成批处理，防止过程的影响可得出结论，表面有瑕疵会影响压焊的MEMS器件受损的低温处理。MEMS封装工艺技术包参数包括温度、时间和应力。虽然回流焊或机械抛括对封装及压焊技术的研讨，以及采用局部加热和光工艺能够提高表面平直度，然而这些工艺过程并压焊的MEMS封装技术的创新方法。不方便适用于大部分MEMS制造工艺。在温度方面,很多平常使用的压焊方法诸如熔融和阳极压焊会损2 MEMS封装技术坏器件并因高温而导致热应力问题。另一方面为了获得良好压焊，提高加工温度是不可避免的。多年来，人们对传感器微电机及微封装方面涉以前在MEMS器件中多采用硅压焊技术，诸如及的MEMS封装技术问题以及微系统的封装技术和压力传感器、微泵、生物医学传感器或化学传感器分隔技术问题进行了研讨，对化学传感器采用环氧等，要求在基板上压焊机械互连。通常在温度大约树脂焊接玻璃和硅、采用环氧树脂研发多芯片模块为300C ~ 450C的状况下，把玻璃作为压焊材料进(MCM)型封装技术工艺和不同的压焊及互连材料行阳极压焊。在超过1000C的超高温度状况下，采也进行了讨论。涉及到封装微化学传感器的专用工用 不同种类的硅熔融压焊和Si-SiO2压焊工艺，把低艺，研发了用于MEMS封装技术的专用工艺，如微电共熔压焊用于不同的应用中。机封装技术、生物化学系统封装技术及航空系统封硅熔融压焊大部分用于绝缘体上硅(SOI) 技术装技术。这些器件型封装理论主要针对于单系统，中，诸如Si-SiO,压焊和Si-Si压焊。理论证明其压焊还没有取得作为通用的后封装技术工艺理论用于有强度很高。由于温度要求通常高于1000C，因此它严格低温、气密性密封和长期稳定性工艺要求的不适用于MEMS后封装技术。近年来出现了很多低MEMS。温Si-Si压焊工艺，这些新方法不得不使用专门针对采用表面微电机微壳的集成工艺，应用于牺牲MEMS后封装不理想的表面处理。层和LPCVD密封，获得晶圆片级后封装技术，例如阳极压焊是在200C ~ 400C低于玻璃熔点并在反应密封方法，密封振动微电机梁。采用外延硅密高电场协助下，把玻璃与金属压焊到一起。此技术封微结构，使用氮化硅密封机械梁作为光源，通过已广泛应用于保护生物传感器中的板上电子器件和埋置微结构和CMOS电路，完成- - 种新的装配技术。压力传感器中的密封腔。对通过不同机理降低压焊所有这些理论方法把MEMSI艺与后封装工艺集成温度的可能性进行了讨论，由于玻璃中过度的碱金化，不需要额外的压焊工艺。属污染、高电场对微电子器件可能的损坏以及压焊近年来，业界研发出了几种新的用于MEMS的平直表面的要求限制了把阳极压焊技术应用于MEMS后封装技术工艺。一种先进的MCM封装技术采用高后封装中。密度互连工艺，包括把裸芯片埋置到研磨前的基板除了以上固态类硅压焊技术之外，液态型压焊之中。因为封装工艺之后不得不释放MEMS结构，因机理已被证明，金-一直是用于硅低共熔压焊技术的此对通用的微系统而言是不理想的。基于环氧树脂最普通的材料。在363C金能够与硅形成低共晶合压焊的CMOS电路的传送技术虽然克服了表面粗糙问金，其熔化温度大大低于纯金或硅。为了得到良好题，但是环氧树脂不是良好的气密性封装材料。使的低共熔键合，包括温度和时间的工艺状况不得不用2μm厚的多晶硅微帽硅-金低共熔压焊技术的圆控制好。片到圆片真空封装技术工艺，50天后试验结果表明表1总结了所有MEMS封装和压焊技术及其限出现实质性泄漏现象。制，也概述了采用局部加热和压焊的创新型压焊方法，此方法目的是在确定的区域提供高温以便获得3晶圆压焊技术良好的压焊中国煤化工1S微结构和微电子学状况，HCN MH。局部加热方众所周知，“内部接触” 和“温度”是压焊工法引进几种新的机会，首先获得了更好、更快的温艺的两个主要因素，并且压焊是器件封装的关键,度控制，其次应用较高的温度来提高压焊质量，再第11卷第7期电子与封装次在MEMS应用中进行探索要求高温诸如钎焊的新的压焊机理。表l压焊机理汇总表(LH=局 部加热)压焊方法温度粗糙度密封性后封装可靠性融合压焊很高高度敏感是是(通过LH)好阳极压焊中等困难环氧树脂压焊氐低否集成压焊高低温压焊低共熔压焊钎焊用立下全局加热工艺能够密封梳状形态微共振器。4 MEMS后封装技术标准IC切片线微封装图1示出了由Analog Device公司制造的微加速度互连计，此器件上最易损的部件是中心的力学传感器,接触焊盘该传感器为独立式力学质量弹簧微结构，在封装和电路区域处置过程中保护此力学部件很重要。再者，在诸如共振加速度计或陀螺仪的应用中，这些微结构要求真空密封。图2示出了局部加热和压焊的MEMS后封装技术简图。装配有恰当设计的微型腔的封装帽.硅基板.绝缘层、微加热器和微胶层，以便密封并保护易受图3 MEMS后封装技术概念简图损的MEMS结构作为第一-级MEMS后封装工艺。 随后图4给出了制造工艺的横断面图，首先采用四个按如图3所示把晶圆划片，并按现有封装技术完成最掩模确定第一多晶硅层、基底固定器、凹痕以及第后的封装。二多晶硅层，完成如图4 (a)所示的标准的表面微电机工艺。在标准表面微电机工艺中，蚀刻牺牲层(氧化物)以便释放微结构。在MEMS后封装工艺中，淀积7 μ m厚的PSG玻璃覆盖微结构，并采用5 :1 BHF布图来确定如图4 (b) 所示的微壳区域。接者淀积1 μ m薄的PSG层并确定以便形成如图4 (c) 所示的蚀刻通道。淀积1 μ m厚的微壳材料低应力氮化图1有集成电路的MEMS传感器硅，确定蚀刻孔并采用等离子蚀刻机在氮化硅.上打开。封装壳内部的二氧化硅通过集中的HF蚀刻，采↓应用力用超临界二氧化硅干燥工艺干燥晶圆片。完成这些腔体微封装基板_绝缘层步骤之后，应用图4 (d) 所示的工艺，在淀积压力.微加热器_ 岛离隔离为3x 10*的状况下淀积2 u m厚的LPCVD低应力氮化压焊材料物，以便在真空状况下密封封装壳。随后打开如图4(e)所示的接触焊盘。MEMS器件图5为在顶部有受保护微壳的完成器件的扫描电硅基板子显微镜(SEM)照片。封装总面积(微壳)大约图2通过局部加热压焊的MEMS后封装简图为400 umx{中国煤化工(化物的接触焊4.1全局 加热的MEMS后封装技术盘。由于集MHCNMHG上反射出微谐在基于全局加热计划之前已证明几种MEMS后封振器形状为长150μm、宽2μ m的梁。可看出立于基装技术工艺，采用LPCVD的集成真空密封工艺。与板之上氮化物壳的总高度为12 μm,封装内部梳状谐局部加热和压焊工艺进行比较，在晶圆级真空状态振器的光谱测量表明已完成了大约2x 10的真空级。-4第11卷第7期杨建生: MEMS后封装技术局部加热压焊的MEMS后封装技术解决了全局加凹痕、梳状共振器、第一多晶硅热影响的问题。本文中使用电阻微加热器提供局部共振器铺加热。为了控制压焊和封装工艺，使微加热器具有热氧化物、硅基板热传递性是很重要的。以线形微加热器能量守恒为(a)基础建立一维电热模型，使用热传导形体因素计算I2PSQ梳状共振器热传递并得出公式:0T_ IaT+s(T-T,)(1)品硅基板x“ai(b)这里T为微加热器的温度，表示时间，8 为加热薄PSG器的热扩散性，ε 和T,为与结构尺寸、热特性、输入电流和热传导形体因素有函数关系的参数。温度曲线稳定状态的解为:(c)氮化硅.cosh[VE(x-蚀刻孔T(x)=T,-(T,-T)-(2)cosh(Vε(d)L为微加热器的总长度，图6示出了涂磷多晶硅电阻器(50μmx2μmx0.5μm)输入电流-温度模真空接触焊盘拟图。可看出在输入电流为11mA的状况下，加热器可产生大约300C的温度。更重要的是，在加热器的中央区域温度曲线是均匀--致的，这有助于在局部(e)加热压焊工艺中的温度控制。图4通过全局加热集成MEMS后封装工艺50 r1-11mA氮化物壳50 t1=10mA1 =8mA_100!-6mA20KU X48909.4 10. ou MsHI50- 1-4mA图5采用全局LPCVD密封集成MEMS后封装工艺封装的微共振器SEM照片1020， 30 404.2 局部加热MEMS后封装技术图650um长多晶硅微加热器上的温度分布图以上全局加热的MEMS后封装技术存在几个方面当加热压焊材料时，用有限元法分析模拟断面的缺点:其一，在标准的表面微电机工艺之后使用热传递过程，此模拟把硅用作基底材料，把单个二了几个高温步骤，由于局部加热影响，电路或温度氧化硅层用作钝化层，在高温状况下把加热器置于敏感性材料很容易受到破坏;其二，这一后封装工器件基底的顶部，如图7所示，断面图上的稳定状艺依赖于工艺过程，MEMS封装公司或研究机构不得态等温线表明高温区域被限制在围绕加热器的小范不采用具有自身微制造工艺技术的后封装工艺，而围之内。例中国煤化工为1000C，在不能用于多个用户的MEMS封装:其三，采用通常为.进人绝缘层iHCNMH G度快速下降到几个微米范围的薄膜淀积限制了微壳的厚度，在最10%，仅为100C。在加热期间硅基板保持室温，因后的封装工艺阶段薄型微壳要承受高压塑料模塑,此在晶圆级状况下局部加热不影响微电子或别的对存在很大的隐患。温度敏感的材料。-5-第11卷第7期.电子与封装3ImA的输入电流加热微加热器5min内获得的温度非0.1常接近多晶硅的熔点温度。在显微镜下实时观察微加热器的发光颜色以便确认高温状态。不同于常规的需要超过2b的熔融压焊试验，局部硅-玻璃熔融压空气焊在Smin.之内完成。0.8μm .二氧化链1.0微加热器显微镜目标透镜电源微操作手硅基板0-图7显示温度等温线的FEM模拟断面图微加热器接触焊盘5局部压焊工艺Si硅器件基板电探针根据局部加热的概念，介绍了MEMS后封装技术的几个局部压焊工艺，包括局部低共熔压焊、局部二氧化硅熔融压焊、局部焊料压焊和局部CVD压焊。5.1 局部硅-金低共熔压焊图8局部加热压焊试验的实验设置硅-金低共熔压焊已广泛应用于微装配中，在相金微加热器对较低的压焊温度(363C) 下，提供高压焊强度和良好的稳定性。在局部硅-金低共熔压焊中，首先二氧化硅层把硅基板进行热氧化，生成1 μ m厚的氧化物作为热电绝缘层，使用0.05 μ m厚的铬层作为粘附材料淀积0.45 μ m厚的金。线型微加热器的宽度为7μm，通过858 10KU提起工艺确定。使用大约1MPa的压力把干净的硅帽图9通过全局加热法的硅-金低共熔压焊结果基板放置到这些器件基板的顶部，依次通过全局加热和局部加热引导和比较两个低共熔压焊试验，对刺离金线传统的低共熔压焊工艺而言，使温度上升到410C大约需要Ih,保持10min并冷却到室温。通过采用输入电流依据公式(2) 的电热模型达到大约800C的温度，局部低共熔压焊工艺需要少于Smin的时间，实验设置如图8所示。在完成压焊工艺并在扫描电子显003 1K018Pe HD47微镜下检查器件基板之后，打开硅-金低共熔压焊。图10采用局部硅一金低共熔压焊的结果图9和图10依次示出了采用全局和局部加热法的压焊用力使熔融压焊破裂，在扫描电子显微镜下检结果。在图9中可鉴别不-致的压焊特性，在图10中查，图11示出了在硅器件基板上拍摄的SEM微照片，整个金线被剥掉，然而显示出封帽部分的硅破裂，可清晰地发现二氧化硅层、多晶硅微加热器和玻璃留在器件基板上。这些试验结果表明局部硅-金低共帽。在此照片中，可看出在靠近接触微加热器区域的熔压焊是一致的，具有的压焊强度和硅的断裂韧性玻璃熔化并再成形，微照片呈现出两个非常重要的局一样强。部熔融压焊试验特征。其一，很容易在非常短的时5.2局部硅一玻璃熔融压焊间内升高温月中国煤化工20C的熔化温通过使用如图8所示的相同的实验设置，完成局度;其二，MHCNMH G和压焊器件基部硅一玻璃熔融压焊。硅器件基板的结构采用1 μm板之间亲密接触。接着把图11的样品浸泡在与氧化物厚热氧化物和1.1 μm厚多晶硅为微加热器。放置和玻璃反应而不与硅或多晶硅反应的HF溶液中，图硼硅酸耐热玻璃并压焊到多晶硅微加热器的顶部。12示出了在图11相同位置显示的结果，清楚地描绘出-6-第11卷第7期杨建生: MEMS后封装技术了多晶硅加热器的外形。在图11中不能观察到多晶硅艺在2min内完成。用力使压焊破裂，检查压焊接口，-玻璃接口，而仅仅在HF浸泡之后显示出来的事实暗图14示出了淀积和布图工艺之后焊接材料的状况，在示出形成了强大的熔融压焊。然而，此多晶硅-玻璃此图中示出了两个重要的封装问题:其- -，所示的互熔融压焊看起来比原来的多晶硅-氧化物粘附压焊牢连形成上升步骤，此表面粗糙度问题是现存压焊工艺固得多，原因在于破裂轨迹看.上去发生在多晶硅-氧诸如熔融或阳极压焊的失效根源;其二，虽然作为淀化物接口处。所有这些结果表明通过局部加热压焊能积的焊接材料具有粒状结构，但是在局部焊料压焊工够获得良好的硅-玻璃熔融压焊。艺之后，焊料实际上可回流形成如图15所示的平整表面。因此，局部焊料压焊法可克服表面粗糙问题，并熔化玻璃通过焊料回流形成良好的覆盖面。多晶硅微加热器热氧化物氧化研硅8082 Leru X6,500 1PE L025多晶硅互连图11局部硅-玻璃融合压煤(用力打破压焊之后)坡璃封装帽:名品6图14局部铟焊料压焊(在焊料压焊之前铟淀积之后):有化研砖华板多品G连图12在HF溶液授泡后多晶硅微加热器状况8019 LOKU5.3局部焊料压焊图15局部铟压焊之后铟焊料回流图焊料压焊技术广泛应用于集成电路封装中的连接芯片工艺中，例如在360C的温度状况下常用的Pb-Sn5.4局部CVD压焊焊料压焊工艺。依据全局加热，把几种焊料材料应用全局LPCVD真空密封在前面MEMS后封装技术于MEMS封装。在局部焊料压焊试验中引入了中间层中进行了阐述，虽然高温问题和相关工艺已对潜在的概念，图13示出了样品准备的简图。在硅器件基板的MEMS封装应用形成阻碍，但是局部加热提供了完上生长1 μ m厚的热氧化物层，此工艺继续用1 u m厚成CVD密封的方法，从而避免了那些缺陷。的磷掺杂多晶硅淀积并确定来仿真互连线。在互连线为了显示局部CVD压焊工艺，做好如图16 (a)的顶部淀积- -层0.15 μ m厚的LPCVD氧化硅作为电隔所示的两个基板的准备工作，基板由硅构成并加热离层。接着把磷掺杂多晶硅微加热器进行淀积并布图生长一层1.2μ m厚的热氧化物作为隔离层。淀积形成微加热器，淀积一层0.15 μ m厚的LPCVD氧化硅磷掺杂多晶硅并依次在器件基板上进行布图作为进行电隔离。焊接材料包括0.05 μ m的铬，0.45 μ m的互连线和在封装帽.上的微加热器，接着在器件基板金为粘附材料，并淀积3 μ m厚的钢。上淀积一层1.4μ m厚的等离子加强化学汽相淀积(PECVD)作为电热隔离层。把器件和封装基板压钢+铬/金耐热玻璃帽在一起并置于硅烷室中，通过输入40mA电流生成高MEMS器件区城互连温来激活局部硅烷的分解。根据公式(2) 的电热模"氧化物.型，估计温度中国煤化工和压焊工艺如硅器件基板图16 (b) 所HCNMHG用力使CVD压图13局部焊料压焊试验样品简图焊破裂以便检查。图17和图18依次示出了器件基板如图8所示在压焊阶段实施压焊工艺，施压和封装帽的照片，发现最初淀积在封装帽上的微加0.2MPa，微加热器的温度估计升高到300C，压焊工热器如图18所示被分离，粘附在如图17所示的器件-7。第11卷第7期电子与封装基板上。局部CVD多晶硅层彻底填补了器件与封帽艺的依赖性，因此通常对MEMS后封装应用而言是不基板之间的缝隙。再者，CVD多晶硅压焊比多晶硅适用的。局部加热和压焊工艺可解决这些问题，并通热氧化物粘附压焊更牢固。在图18中只有两个痕迹过试验证明，包括局部硅-金低共熔压焊、局部硅一的材料可看出，它们是微加热器边缘.上淀积的CVD玻璃熔融压焊、局部焊料压焊和局部CVD压焊，这些多晶硅。新工艺提供了完成MEMS后封装技术的有效方法。在成功地把局部加热和压焊应用于MEMS后封装多晶硅_局部CVD多晶硅技术之前，在理论和试验领域应仔细研究几个基本微加热器封装帽(硅)封装帽(硅)且具有挑战性的问题。研讨的特定范围如下: (1)PECVD氧化物w对稳定状态、瞬时运作及在晶圆级状况下加热的影热氧化物响而言，局部加热与压焊的模型和模拟; (2) 局部多晶硅露件基板(硅)器件基板(硅)互连压焊机理和工艺诸如温度、时间、施加压力和表面(a)压焊前(b)压焊后粗糙度的影响的特征: (3) 局部压焊长期稳定性的图16局部CVD压焊工艺简图调研诸如张力试验、剪切试验、气密性及与时间.恶劣环境和加速试验有关的泄漏，(4) 通过实施批量生产局部加热和压焊MEMS后封装制定大规模生产的计划及工艺。图17粘附于器件基板上的微加热器局部CVD压焊参考文献:[1] Y.T.Cheng,L.Lin, K.Najafi. 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