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1引言 MEMS器件通常包含一些可動(dòng)部分,這些可動(dòng)部件很脆弱,極易受到劃片和裝配過(guò)程中的灰塵、氣流、水汽、機(jī)械等因素的影響,從而造成器件毀壞或整體性能下降。此外,密封腔內(nèi)氣體的可控性(包括真空)也是影響器件運(yùn)行的一個(gè)很重要的因素[1],例如依靠諧振原理工作的MEMS器件(包括高精度加速度計(jì)、陀螺和RF諧振器等)需要?dú)饷苄苑庋b以維持穩(wěn)定的諧振頻率和氣體阻尼系數(shù)[2]。氣密性封裝還可以降低水氣含量,防止MEMS器件的粘性失效。因此,高可靠的氣密性以及腔體氣體的可控性是保證器件運(yùn)行穩(wěn)定和低漂移的關(guān)鍵所在。目前,靜電鍵合是國(guó)內(nèi)外普遍使用的一種氣密封裝工藝,它具有鍵合強(qiáng)度高、重復(fù)性好、氣密性高等優(yōu)點(diǎn),但是該方法對(duì)鍵合面的清潔度和平整度要求很高,如鍵合前芯片的光學(xué)加工,要求光潔度達(dá)V14級(jí)以上,表面不平整度應(yīng)<50nm[3]。因此,生產(chǎn)效率較低,容易產(chǎn)生開(kāi)裂、自動(dòng)脫落等[4],總體成本較高。相比之下,玻璃漿料低溫鍵合對(duì)于芯片及基板表面無(wú)特殊要求,具有工藝簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、鍵合強(qiáng)度高、密封效果好等優(yōu)點(diǎn),并且可實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)的封裝,大大降低了封裝成本。因此,在滿足穩(wěn)定性和可靠性的條件下,采用低溫玻璃鍵合具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前國(guó)內(nèi)對(duì)玻璃漿料的制備及單個(gè)元件的氣密封裝有一定研究[5-7],但關(guān)于圓片級(jí)封裝及具體工藝過(guò)程未見(jiàn)報(bào)道。本工作系統(tǒng)地研究了玻璃漿料在低溫下氣密封裝MEMS器件的過(guò)程,并就氣密封裝過(guò)程中參數(shù)的優(yōu)化及封裝后的氣密性等進(jìn)行了研究。 2密封結(jié)構(gòu)的制備 2·1玻璃漿料的選擇 選擇玻璃漿料時(shí)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求: (1)熱膨脹系數(shù)與基板材料匹配; (2)封接溫度應(yīng)低于基板材料的耐熱極限溫度; (3)漿料與基板及芯片有良好的浸潤(rùn)性。實(shí)驗(yàn)中采用硅或者玻璃為基板材料。考慮到Al布線,選擇的玻璃焊料的封接溫度應(yīng)低于550℃(Al-Si共熔點(diǎn)577℃)。 選用Ferro公司提供的玻璃漿料,這是一種非晶態(tài)厚膜玻璃,封接溫度約為450℃,熱膨脹系數(shù)90×10-7/℃(與Si 26×10-7/℃以及Pyrex7740玻璃33×10-7/℃接近),并且該玻璃漿料與Si及玻璃基板均有良好的浸潤(rùn)性。利用掃描電鏡上的X-射線能譜儀對(duì)玻璃漿料進(jìn)行得出各組分的百分比MgO:6·59w%t ;Al2O3: 29·76w%t ; SiO2: 43·67w%t ; PbO2:19·09w%t ;ZnO: 0·88w%t。 2·2密封結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) 玻璃漿料通過(guò)絲網(wǎng)印刷在硅蓋板上形成5·5mm×5·5mm的閉合方形環(huán),環(huán)寬0·5mm,印刷厚度50μm。然后將此硅蓋板放入回流爐中進(jìn)行預(yù)燒結(jié),使玻璃漿料中的有機(jī)溶劑完全揮發(fā),并且在硅蓋板上固化成型。預(yù)燒結(jié)完成后的硅蓋板與傳感器芯片對(duì)準(zhǔn)放置,使器件位于玻璃漿料形成的閉合環(huán)中,放入鍵合機(jī)中進(jìn)行燒結(jié),形成密封腔。密封腔單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。  
國(guó)內(nèi)已有對(duì)玻璃漿料氣密封裝的研究[8],但是對(duì)基于圓片級(jí)的封裝技術(shù)未見(jiàn)有報(bào)道。實(shí)驗(yàn)中為了便于觀察圓片級(jí)封裝的各環(huán)狀單元玻璃漿料燒結(jié)后的形貌特征,用玻璃圓片代替硅蓋板進(jìn)行鍵合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。 封裝質(zhì)量通過(guò)檢測(cè)各單元的剪切強(qiáng)度及氣密性來(lái)評(píng)定。剪切試驗(yàn)在Dage Series 4000鍵合強(qiáng)度測(cè)試機(jī)上進(jìn)行,對(duì)樣品的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。氣密性檢測(cè)通過(guò)氦氣精檢和氟油粗檢兩步進(jìn)行。氦氣精檢使用Varian 947氦檢漏儀,其檢漏精度為0·2×10-9atm cc/sec。氟油粗檢在KYKY F-3型氟油加壓檢漏儀中進(jìn)行。樣品放入輕氟油(沸點(diǎn)45℃)中,在常溫下保壓4h后取出放入125℃的重氟油(沸點(diǎn)165℃)中觀察是否有連續(xù)氣泡產(chǎn)生。 3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論 3·1預(yù)燒結(jié)工藝對(duì)鍵合質(zhì)量的影響 預(yù)燒結(jié)選擇在空氣中進(jìn)行,其主要目的是使璃漿料中的有機(jī)溶劑充分揮發(fā)。預(yù)燒結(jié)溫度的選擇直接影響到鍵合質(zhì)量的好壞。分別采用120℃和400℃兩個(gè)典型的預(yù)燒結(jié)溫度,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),預(yù)燒結(jié)峰值溫度為120℃時(shí),由于峰值溫度未達(dá)到有機(jī)溶劑的沸點(diǎn),玻璃漿料中的有機(jī)溶劑未完全揮發(fā),燒結(jié)后的封環(huán)中有大量的氣泡存在,影響了氣密封裝的質(zhì)量,降低了其可靠性。 3·2燒結(jié)溫度對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響 預(yù)燒結(jié)工藝后進(jìn)行燒結(jié)(預(yù)燒結(jié)選擇在空氣中進(jìn)行,峰值溫度為400℃)。圖3為相同預(yù)燒結(jié)條件不同燒結(jié)條件下樣品的剪切力測(cè)量值(a的峰值溫度為400℃, b的峰值溫度為450℃, c的峰值溫度為500℃)。圖中方框的中心代表樣品剪切力的平均值,方框的厚度表示結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)均方差,而豎線的頂端和底部相對(duì)應(yīng)的十字叉形分別表示剪切力的最大值和最小值。   
由圖中可以看出,燒結(jié)溫度越高,鍵合后的剪切力越大。燒結(jié)溫度為400℃和450℃時(shí),剪切力較低,僅為10kg,這是因?yàn)榉逯禍囟忍?沒(méi)有達(dá)到玻璃漿料的熔融溫度,漿料中的顆粒未完全熔融,不均勻的分布在鍵合層,導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度的降低。掃描電鏡下觀察到的圖像如圖4所示,玻璃漿料分布不連續(xù),均勻性較差,這是影響鍵合強(qiáng)度的主要因素。圖5為500℃燒結(jié)后鍵合層形貌的掃描電鏡圖。與400℃的圖像相比較,玻璃漿料中的顆粒充分熔融,僅有較小的顆粒和氣孔。經(jīng)測(cè)量,在燒結(jié)溫度為500℃時(shí),剪切力平均值為15·2kg,與400℃和450℃的燒結(jié)溫度下的剪切力相比有了較大提高。由此說(shuō)明, 500℃以上的燒結(jié)溫度可達(dá)到較高的鍵合強(qiáng)度。然而,基于器件上金屬布線的限制,燒結(jié)溫度不能高于550℃(Al-Si共熔點(diǎn)577℃)。 3·3鍵合氣氛對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響 圖6為不同鍵合氣氛下的剪切力測(cè)量值(預(yù)燒結(jié)溫度400℃,燒結(jié)溫度500℃)。從圖中可以看出,在空氣、氮?dú)夂驼婵罩械募羟辛Υ笮』疽恢?因此可以認(rèn)為,鍵合氣氛對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。 3·4壓力對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響 在燒結(jié)過(guò)程中需加以一定壓力,以保證鍵合強(qiáng)度及氣密性要求。圖7為不同壓力下的剪切力測(cè)量值(預(yù)燒結(jié)溫度400℃,燒結(jié)溫度500℃,氮?dú)鈿夥?。當(dāng)外加壓力為0時(shí),剪切力為8kg。當(dāng)外加壓強(qiáng)為3kPa時(shí),剪切力提高到了15kg,而再繼續(xù)增加到6kPa、12kPa時(shí),剪切強(qiáng)度值沒(méi)有明顯變化。這是因?yàn)轭A(yù)燒結(jié)后漿料表面凹凸不平,即使?jié){料中的顆粒完全熔融,在沒(méi)有施加外壓的情況下,表面張力的存在使得鍵合面未能完全接觸,鍵合層中含有氣泡和孔洞,影響了鍵合強(qiáng)度。所需的外壓只需克服漿料熔融時(shí)的表面張力,使鍵合面完全接觸,排出不平整處殘留的氣體。因此,施加外壓后鍵合強(qiáng)度顯著提高。 
壓力大小直接影響到鍵合后的外觀質(zhì)量。玻璃漿料在熔融鍵合過(guò)程中會(huì)向外延展,線條變寬。并且外壓越大,延展越多。因此所加外壓不宜過(guò)大,只需克服玻璃漿料熔融時(shí)的表面張力即可。 3·5氣密性檢測(cè) 依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8],樣品在壓強(qiáng)為0·4MPa的氦氣中保壓2h后進(jìn)行漏率測(cè)量,其漏率極限值為4×10-7。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的漏率值均為10-8量級(jí),符合要求。精檢合格的全部樣品進(jìn)入下一步的氟油粗檢。在氟油粗檢中有15%的樣品觀察到了氣泡的產(chǎn)生,判定為失效。同樣的燒結(jié)條件下,封裝的氣密性與漿料印刷的質(zhì)量相關(guān)。欲提高圓片級(jí)封裝的合格率,必須保證玻璃漿料印刷的平整度與均勻性。 4結(jié)論 低溫?zé)Y(jié)玻璃漿料對(duì)MEMS器件進(jìn)行氣密封裝是一個(gè)可行的方法。采用預(yù)燒結(jié)溫度400℃(空氣氣氛),燒結(jié)溫度500℃(空氣、氮?dú)饣蛘婵?,外加壓強(qiáng)3kPa以上時(shí),鍵合后的剪切力達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如MIL-STD-833E)的要求,漏率檢測(cè)合格率達(dá)到85%。該方法工藝簡(jiǎn)單,可靠性高,成本低,可實(shí)現(xiàn)芯片的圓片級(jí)封裝。 摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
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