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微机电系统晶圆级玻璃焊料密封的工艺研究及热应力分析

作　者: 孙芬芬
导　师: 吴锵
学　校: 南京理工大学
专　业: 材料学
关键词: 微机电系统晶圆级封装玻璃焊料热应力有限元分析
分类号: TQ171.68
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

采用玻璃焊料作为密封材料印刷在晶圆上,通过低温键合对多个芯片同时密封,得到的产品不但气密性好、成本低而且键合强度高、可靠性好。本文通过实验和有限元分析两种方法相结合,对微机电系统晶圆级玻璃焊料的密封工艺及热应力进行研究,制定出较好的封装工艺,为批量工业化生产提供参考。通过有限元法对键合热应力进行分析,得到热应力最大值位于玻璃焊料与硅片接触面的外拐角处,其次是玻璃焊料内外边缘处；采用较小热膨胀系数和弹性模量的密封材料可以降低热应力；玻璃焊料线宽对热应力影响不大,厚度和键合温度越大热应力越大。经过丝网印刷、预烧结和键合过程的实验研究并结合有限元分析,确定较合适的封装工艺参数为：印刷用的丝网线宽为0.3mm,采用压力为40N的橡胶刮刀印刷,脱模速度为2mm／s；预烧结峰值温度为440℃且保温10min；键合温度440℃,键合压力30KPa,键合后降温速率10℃／min,焊料厚度为0.005mm-0.01mm。对键合后封装单元进行剪切强度测试发现失效主要位于玻璃焊料中。针对键合后玻璃焊料线宽过大的现象进行改进,采用刻蚀槽法得到了形貌较好的玻璃焊料环,刻蚀槽线宽为0.4mm或0.5mm、深度为0.01mm时较好；有槽键合后得到玻璃焊料的热应力小于无槽键合时的热应力。对工艺改进后的封装单元进行检测,气密性测试合格率为90%,可靠性测试合格率为85%,剪切强度测试合格率为100%。结果表明,工艺优化后得到了符合标准且性能优异的产品。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-19
  1.1 微机电系统封装概述  7-9
    1.1.1 微机电系统简介  7-8
    1.1.2 微机电系统封装技术  8-9
  1.2 微机电系统晶圆级封装  9-13
    1.2.1 晶圆级封装技术  9-13
    1.2.2 玻璃焊料封装基本工艺  13
  1.3 热应力及有限元分析概述  13-15
    1.3.1 热应力概述  13-14
    1.3.2 有限元技术简介  14-15
  1.4 国内外研究现状  15-16
    1.4.1 国内研究现状  15-16
    1.4.2 国外研究现状  16
  1.5 本文研究意义及主要研究内容  16-19
    1.5.1 本文研究目的和意义  16-17
    1.5.2 本文主要研究内容  17-19
2 玻璃焊料气密封装实验及有限元分析过程  19-31
  2.1 玻璃焊料介绍  19-20
  2.2 封装实验设备及工艺流程  20-27
    2.2.1 丝网印刷过程  20-23
    2.2.2 预烧结过程  23-24
    2.2.3 键合过程  24-25
    2.2.4 划片及检测过程  25-27
  2.3 有限元分析过程  27-31
    2.3.1 ANSYS Workbench介绍  28
    2.3.2 分析过程  28-31
3 封装热应力分析  31-51
  3.1 有限元分析结果的一般规律  31-35
  3.2 材料物理参数对热应力的影响  35-41
    3.2.1 热膨胀系数的影响  35-38
    3.2.2 弹性模量的影响  38-41
  3.3 玻璃焊料几何参数对热应力的影响  41-45
    3.3.1 玻璃焊料线宽的影响  41-42
    3.3.2 玻璃焊料厚度的影响  42-45
  3.4 键合工艺参数对热应力的影响  45-49
    3.4.1 温度的影响  45-48
    3.4.2 压力的影响  48-49
  3.5 本章小结  49-51
4 玻璃焊料丝网印刷及键合工艺研究  51-61
  4.1 丝网印刷对玻璃焊料形貌的影响  51-55
    4.1.1 丝网线宽的影响  51-53
    4.1.2 刮刀类型的影响  53
    4.1.3 刮刀压力的影响  53-54
    4.1.4 脱模速度的影响  54-55
  4.2 键合工艺研究及结果分析  55-60
    4.2.1 键合温度对剪切强度的影响  55-56
    4.2.2 降温速率对剪切强度的影响  56-57
    4.2.3 键合后剪切断裂分析  57-58
    4.2.4 键合工艺中的问题  58-60
  4.3 本章小结  60-61
5 键合工艺改进与测试  61-69
  5.1 硅片刻槽与几何尺寸优化  61-63
    5.1.1 硅片刻槽  61-62
    5.1.2 几何尺寸优化  62-63
  5.2 改进前后玻璃焊料形貌对比  63-64
  5.3 工艺优化后的测试  64-67
    5.3.1 气密性测试  64-66
    5.3.2 可靠性测试  66-67
    5.3.3 剪切强度测试  67
  5.4 本章小结  67-69
6 结论  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-73

微机电系统晶圆级玻璃焊料密封的工艺研究及热应力分析

内容摘要

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