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软焊料键合实现MEMS晶圆级真空封装

作 者: 孙亚男
导 师: 安兵
学 校: 华中科技大学
专 业: 材料工程
关键词: 微机电系统 晶圆级封装 真空封装 低温焊料键合 真空计
分类号: TN305
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 28次
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内容摘要


晶圆级封装带给MEMS小型化、低成本的优势,有利于实现MEMS器件的批量生产,是MEMS封装领域的一个发展方向。由于很多MEMS器件工作特性的要求,真空封装技术的研发具有十分重要的意义。本文设计并实现了一种通过低熔点软焊料键合实现晶圆级真空封装的方案,希望可以满足MEMS器件的气密封装要求。首先在硅片上完成了金属层的制备,包括生长金属过渡层和焊料层,其中金属过渡层选用的是一种多层复合材料Ti/Ni/Au,厚度分别为100nm、500nm和50nm。在对金属过渡层引起的硅衬底变形测试中发现,它可导致6寸硅片发生将近50μm的翘曲。蒸发和溅射不能满足焊料厚度生长的要求,本研究采用电镀的方式来实现焊料层的制备。在对电镀工艺的研究过程中,解决了电镀层粘附性、气泡和边缘效应等问题。在晶片键合机中实现了晶圆对晶圆真空封装工艺,并做了优化。封装工艺的难点在于工艺曲线的设置,保温时间的长短会影响最终的键合。通过实验发现,280℃、25min可以完成较好的键合,样品的气密性和键合强度可以达到美军标MIL-STD-883的要求。根据真空检测的需要,本文还设计了一款测试范围在0.1-10Torr的皮拉尼真空计。选择电阻温度系数较大、综合性能较好的Pt做真空计的热敏电阻材料,并通过计算优化了结构参数,确定了线宽为7μm,悬空3μm的最佳尺寸。采用晶圆级封装工艺,实现了皮拉尼真空计的真空封装,达到了10mTorr的测试精度。对晶圆级真空封装样品进行了漏率测试,其细检结果均能通过10-8 atm·cc/s的测试标准,通过粗检发现键合环宽度较大的样品不易漏气,确定了0.8mm的最佳键合环宽度。通过预烘烤和集成Ti膜吸气剂,使晶圆级封装皮拉尼真空计的真空度达到1torr的数量级,经过3个月的观察,可以保持该真空度。本文利用低温焊料键合实现晶圆级真空封装,可望为MEMS器件提供一个低成本、微型化的气密封装方案。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-16
  1.1 研究目的与意义  9-10
  1.2 市场应用及前景  10
  1.3 MEMS 技术简介  10-14
  1.4 研究内容  14-16
2 晶圆级封装的结构设计与金属层生长工艺  16-34
  2.1 晶圆级封装键合方案的设计  16-17
  2.2 金属层的设计  17-21
  2.3 金属层生长工艺  21-32
  2.4 本章小结  32-34
3 焊料键合实现晶圆级封装  34-44
  3.1 键合设备的选择  34-35
  3.2 真空键合工艺  35
  3.3 压力对键合的影响  35-38
  3.4 温度对键合的影响  38-41
  3.5 键合质量测试  41-43
  3.6 本章小结  43-44
4 晶圆级封装皮拉尼真空计  44-60
  4.1 皮拉尼真空计制作  44-51
  4.2 吸气剂技术  51-54
  4.3 晶圆级封装皮拉尼真空计工艺集成  54-55
  4.4 真空计测试工艺  55-59
  4.5 本章小结  59-60
5 晶圆封装的真空测试  60-66
  5.1 漏率测试  60-62
  5.2 真空度测试  62-63
  5.3 真空度的长期监测  63-65
  5.4 本章小结  65-66
6 总结与展望  66-68
  6.1 全文总结  66-67
  6.2 创新点  67
  6.3 未来工作展望  67-68
致谢  68-69
参考文献  69-71

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 半导体器件制造工艺及设备
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