MEMS器件低成本圆片级低温 键合技术的研究进展
一种基于bcb键合技术的新型mems圆片级封装工艺
一种基于bcb键合技术的新型mems圆片级封装工艺随着微机电系统（MEMS）技术的发展，MEMS器件在各个领域中的应用越来越广泛。
MEMS器件的封装技术是MEMS器件生产过程中的重要环节，封装质量直接影响着MEMS器件的性能和稳定性。
目前，MEMS器件封装技术主要分为两种，一种是芯片级封装，另一种是圆片级封装。
芯片级封装技术是将MEMS芯片直接封装在芯片上，具有体积小、重量轻、成本低等优点，但在封装过程中容易受到芯片表面微细结构的影响，导致封装质量不稳定。
圆片级封装技术是将MEMS 芯片封装在圆片上，具有封装质量稳定、可靠性高等优点，但在封装过程中需要进行键合工艺，且封装过程需要高精度的设备，成本较高。
因此，开发一种新型的MEMS圆片级封装工艺具有重要的意义。
本文提出了一种基于BCB键合技术的新型MEMS圆片级封装工艺。
BCB是一种高分子材料，具有优异的粘结性和耐热性，广泛应用于MEMS器件的封装中。
本文的封装工艺采用了双面键合的方式，即将MEMS芯片和圆片分别进行键合，然后将两者键合在一起。
具体的封装过程如下：1. MEMS芯片处理：对MEMS芯片进行清洗和处理，去除表面的污染物和氧化层，并在芯片表面涂覆一层BCB材料。
2. 圆片处理：对圆片进行清洗和处理，去除表面的污染物和氧化层，并在圆片表面涂覆一层BCB材料。
3. 芯片键合：将处理后的MEMS芯片放置在键合机的台面上，然后将圆片放置在MEMS芯片上，进行芯片与圆片的键合。
键合过程中需要控制键合温度和时间，确保键合质量。
4. 圆片键合：将键合好的芯片和圆片翻转过来，然后将另一面的圆片放置在键合机的台面上，将键合好的芯片和圆片放置在圆片上，进行圆片与圆片的键合。
键合过程中需要控制键合温度和时间，确保键合质量。
5. 封装：将键合好的MEMS圆片放置在封装机的台面上，进行封装。
封装过程中需要控制封装温度和时间，确保封装质量。
通过以上的封装过程，可以得到一种基于BCB键合技术的新型MEMS圆片级封装工艺。
MEMS低温圆片级键合密封工艺研究
２ ０ １ ３ 年０ ２ 月
压
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Ｖｏ １ ． ３ ５ Ｎｏ ． １
Ｆｅ ｂ ．２ Ｏ１ ３
Ｐ Ｉ ＥＺ ０Ｅ ＬＥＣＴＲＩ ＣＳ ＆ ＡＣｏＵＳ Ｔ０ｏＰ ＴＩ ＣＳ
文章 编 号 ： １ ０ ０ ４ — ２ ４ ７ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ １ ０ ５ — ０ ３
力 传 感 器 的封 装 。
关键词 ： 苯并环丁烯 （ Ｂ Ｃ Ｂ ） ； 键合 ； 谐振器 ； 压力传感器 ； 微 机 电 系统 （ ＭＥ ＭＳ ） ； 圆 片级 封 装 （ ＷＬ Ｐ ） ； 密 封
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｎ４ ０ ５ ． ９ ７ 文献标识码 ： Ａ
Ｓｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ Ｍ ＥＭ Ｓ Ｌｏ ｗ Ｔｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｗａ ｆ ｅ ｒ Ｌｅ ｖ ｅ ｌ Ａｄ ｈｅ ｓ ｉ ｖ ｅ Ｂｏ ｎｄ ｉ ｎｇ Ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ
ＧＥ Ｙｕ ｐｉ ｎ ｇ
（ Ｄｅ ｐ ｔ ．ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｉ ｃ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｓｈ ａ ｎｇ ｈ ａ ｉ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕｔ ｅ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ － Ｉ ｎ ｆ ｏｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ １ ４ １ １ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
ＭＥ ＭＳ低 温 圆片级 键 合 密 封 工 艺研 究
葛 摘屏 来自（ 上 海 电子 信 息 职业 技术 学 院 电子 工 程 系 ， 上海 ２ ０ １ ４ １ １ ）
要： 研 究 了 一 种 使 用 非 光 敏苯 并 环 丁 烯 （ Ｂ Ｃ Ｂ ） 材料 的低温硅 片级键合 ， 并将其 用于压 力谐振传感器 封装 。
MEMS器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究_图文.
传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogy2006年第25卷第1期前沿技术M E M S器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究3张东梅,丁桂甫,汪红,姜政,姚锦元(上海交通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术国家重点实验室薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海200030摘要:介绍了一种采用Pb2Sn共晶合金作为中间层的键合封装技术,通过电镀的方法在芯片与基片上形成Cr/N i/Cu/Pb2Sn多金属层,在温度为190℃、压强为150Pa的真空中进行键合,键合过程不需使用助焊剂,避免了助焊剂对微器件的污染。
试验表明:这种键合工艺具有较好的气密性,键合区合金分布均匀、无缝隙、气泡等脱焊区,键合强度较高,能够满足电子元器件和微机电系统(M E MS可动部件低温气密性封装的要求。
关键词:微机电系统;气密性封装;共晶键合;低温封装中图分类号:T N305.99文献标识码:A文章编号:1000-9787(200601-0082-03Study of low te mperature eutecti c bondi n g process forM E M S her meti c packageZ HANG Dong2mei,D I N G Gui2fu,WANG Hong,J I A NG Zheng,Y AO Jin2yuan (Na ti ona l Key Lab of Nano/M i cro Fabr i ca ti on Technology,Key Lab for Th i n F il m and M i crofabr i ca ti on of M i n istry of Educa ti on,I n stitute of M i cro and Nano Sc i ence and Technology,Shangha i J i a otongUn i versity,Shangha i200030,Ch i n aAbstract:A fluxless bonding technique using eutectic Pb2Sn all oy as j oint is p resented.Cr/N i/Cu/Pb2Snmultilayer on substrate and chi p is electr op lated,then bonded at190℃and150Pa in vacuu m.This fluxlessbonding p r ocess can p revent m icr o device being polluted.This bonding p r ocess is her metic.The thickness of thej oint is f ound t o be very unif or m al ong the entire cr oss secti on.The strength of the j oint is high,it can meet therequire ment of her metic packaging of electr onic device and M E MS movable parts at l ow te mperature.Key words:m icr oelectr omechanical syste m s(M E M S;her metic package;eutectic bonding;l ow te mperaturebonding0引言封装技术一直是困扰ME M S器件开发和实用化的关键技术之一,气密性封装尤其困难。
低温键合技术
低温键合技术
摘要：
1.低温键合技术的背景和定义
2.低温键合技术的优势和应用
3.低温键合技术的发展现状
4.我国在低温键合技术方面的研究进展
5.低温键合技术的未来发展趋势和挑战
正文：
低温键合技术是一种在低温下进行的键合工艺，具有对材料微观结构影响小、能耗低、环境友好等优点。
该技术在微电子、光电子和新能源等领域具有广泛的应用前景。
低温键合技术的优势主要表现在以下几个方面：首先，低温条件下，材料的微观结构变化较小，有利于保持材料的性能；其次，低温键合可以降低能耗，提高生产效率；此外，低温键合工艺减少了有害物质的排放，有助于保护环境。
近年来，低温键合技术得到了世界各国的重视，发展迅速。
在微电子领域，低温键合技术已成功应用于芯片封装、晶圆级封装等高端封装技术；在光电子领域，低温键合技术为高效太阳能电池、LED等光电子器件的制造提供了新思路；在新能源领域，低温键合技术在锂电池、燃料电池等领域发挥着重要作用。
我国在低温键合技术方面的研究起步较早，经过多年的发展，已经在低温
键合技术领域取得了一系列重要成果。
我国科研团队在低温键合机理、低温键合材料、低温键合设备等方面取得了显著进展，为我国相关产业的发展提供了有力支持。
然而，低温键合技术仍然面临着一些挑战，如低温键合过程中的微观结构控制、界面反应动力学、设备小型化等。
低温键合技术
低温键合技术
（原创实用版）
目录
一、低温键合技术的定义和原理
二、低温键合技术的应用领域
三、低温键合技术的优势与局限性
四、我国在低温键合技术方面的发展与成果
正文
一、低温键合技术的定义和原理
低温键合技术，是一种在低温环境下进行的化学键合反应，通过这种技术，可以在各种材料之间形成稳定的化学键。
这种技术广泛应用于微电子、光电子和材料科学等领域。
低温键合技术的原理主要是通过在低温环境下，使反应物分子的活性得到提高，从而促使它们之间发生化学反应，形成新的化学键。
二、低温键合技术的应用领域
低温键合技术在许多领域都有广泛的应用。
在微电子领域，它可以用于制造集成电路，提高电路的性能和稳定性；在光电子领域，它可以用于制造高效率的光电子器件，如 LED 和太阳能电池；在材料科学领域，它可以用于研究材料的微观结构和性能。
三、低温键合技术的优势与局限性
低温键合技术的主要优势在于可以在低温环境下进行反应，减少了对材料的热损伤，同时也提高了反应的效率和选择性。
然而，这种技术也存在一些局限性，如反应条件要求严格，对反应物的纯度和反应环境都有较高的要求，同时反应过程的控制也较为复杂。
四、我国在低温键合技术方面的发展与成果
我国在低温键合技术方面也取得了显著的发展和成果。
我国科研人员在低温键合技术的原理和应用方面进行了深入研究，取得了一系列重要的理论和实验成果。
圆片键合方法研究进展
摘要:本文将圆片键合的各种方法分为三类：无中介层键合、有中介层键合、低温键合。
并对其优缺点及各种改进方法进行了分析，为圆片级键合的应用和设计提供了可靠思路。
关键词:阳极键合熔融键合共晶键合黏着键合玻璃浆料键合热压键合1概述键合是半导体制造过程中一种不可或缺的技术，绝大多数电子产品的材料、结构间机械及电气的连接都会用到键合技术。
它是把两片完整的圆片，包括裸片及已经制备好的器件，通过直接或间接的方法形成良好接触的一种半导体制造技术[1]。
圆片键合是一种把大尺寸圆片材料一次性集成在一起的新兴微电子制造技术，在IC、微机电系统和封装中的应用日益广泛。
圆片键合方法按照有没有中介层可以分为两类：有中介层键合方法及无中介层键合方法。
其中有中介层键合方法包括黏着键合、共晶键合、玻璃浆料键合及热压键合四种。
无中介层键合方法包括静电键合/阳极键合和圆片熔融键合/直接键合；若按照温度高低可分为高温键合及低温键合两类。
2有中介层键合2.1共晶键合共晶键合是让两种金属熔合为合金并固化，且使其重新凝固后的混合物能形成晶体结构。
常用于共晶键合的金属材料有AuSn、AuSi、CuSn、AuGe及AlGe等。
共晶键合过程中，基片上的金属层在特定温度下相互熔合。
合金温度决定了合金的沉积量或金属层厚度。
金属材料熔化会使金属层在结合面处加速混合及消耗，并且金属可以形成流体状态从而能使其界面上的区域平坦化。
最终能在界面处形成一个稳定的熔融金相。
该方法的优点是对键合表面的平整度、形貌和洁净度的要求不高，即使在表面起伏较大甚至存在颗粒的情况下，也可以形成良好键合。
陈继超等人利用银锡共晶键合技术实现了MEMS压力传感器的气密封装。
他们对Ag-Sn共晶键合工艺中3个参数：加热温度、加热时间和静载荷大小做了对比实验与分析。
实验结果表明，温度为230℃、加热时间为15min、静载荷为0.0039MPa~0.0078MPa时都能达到较好效果[2]。
2.2黏着键合黏着键合是使用黏合剂将圆片键合的一种技术。
一种基于bcb键合技术的新型mems圆片级封装工艺
一种基于bcb键合技术的新型mems圆片级封
装工艺
本文介绍了一种新型的MEMS圆片级封装工艺——基于 BCB 键合技术。
该技术在现有的封装技术基础上，通过涂覆有机材料体BCB（乙烯基醋酸乳液）的方式，实现结构的绝缘键合，对MEMS圆片进行简便有效的级封装。
采用BCB键合工艺无需改变现有的封装设备，可实现简单快捷的封装，具有广泛的应用前景。
现有的封装技术将模块封装到封装片上，然后再将封装片与主板或者子板通过加热熔接相连，以实现模块与主板之间的物理连接。
而基于BCB键合技术实现的结构性键合，不仅具有完整的导电性和热能传导性，同时也具有良好的绝缘性和耐压性。
MEMS圆片级封装工艺主要包括四个过程：绝缘基材的处理、BCB的飞溅镀涂、BCB的热固化以及电子元件的定位安装。
MEMS圆片级封装工艺具有表面定位精度高、可实现精密拼接和分割的抗震性能、可克服柔硅与硅基集成电路的低强度等优点，可以满足广泛的产品应用要求，为中小尺寸电子装置的制造提供了一种先进的封装技术。
MEMS器件封装的低温玻璃浆料键合工艺研究
MEMS器件封装的低温玻璃浆料键合工艺研究虞国平1,2,王明湘1,俞国庆2(1 苏州大学电子信息学院,江苏苏州215021;2 晶方半导体科技(苏州)有限公司,江苏苏州215126)摘要:玻璃浆料是一种常用于ME MS器件封装的密封材料。
系统研究了MEMS器件在低温下使用玻璃浆料键合硅和玻璃的过程。
与大多数ME MS器件采用的玻璃浆料相比(烧结温度400 以上),此工艺(烧结温度350 )在键合完成后所形成的封装结构同样具有较高的剪切强度(封装器件剪切强度大于360kPa),同时具有较好的气密性(合格率达到93 3%),漏率测试结果符合相关标准。
结果表明,在保证ME MS器件封装剪切强度和气密性的同时,降低键合温度条件是可以实现的。
关键词:微机电系统;气密封装;玻璃浆料键合;低温;圆片级封装中图分类号:TN305 94 文献标识码:A 文章编号:1003 353X(2009)12 1173 04Study on Low Temperature Glass Frit Bond ing for MEMS DeviceYu Guoping1,2,Wang Mingxiang1,Yu Guoqing2(1 School of Electronic and In f ormation,Soochow University,Su zhou215021,China;2 China Wa fer Le vel CSP Ltd.,Suzhou215126,China)Abstract:Glass frit is a kind of sealing material for ME MS device.The bonding process of Si and glass for ME MS device at low temperature with glass frit were pared to the glass frit for most ME MS devices(sintering temperature is above400 ),the package struc ture formed after bonding(sintering temperature is350 )by the new process has higher shear strength(>360kPa),and better sealing (yield is up to93 3%).The leak rate fits the relative standard.The results show that both shear strength and leak rate are encouraging.It is proved that the MEMS package can be hermetically sealed at the low temperature of350 .Key words:ME MS device;her metic package;glass frit bonding;low te mperature package;wafer level packageEEAC C:2550F0 引言ME MS封装的作用除了保护内部系统、感知外部信号和使能源与电气互连外,还要依据感知结果做出对外部世界的动作反应[1]。
一种MEMS器件圆片级真空封装技术
封环 的设计 ， 包括真 空外 密封环和 压焊 点密封 环 ； 是金 属 电极 的引 出 ， 二 即通过硅 柱 的设 计 ， 到 电气隔 起 离和 高真 空密封 的作 用。为 Ｍ ＭＳ真 空封装 提供 了一条 有效 的技 术途 径 。 Ｅ
本 文 介绍 了一 一种 ＭＥ ＭＳ器件 圆 片级 真 空 封
装 技术 、 该技 术 关 键 在 于 Ｍ ＭＳ器 件 圆 片级 真 Ｅ 空 封装 的结构 设 计 。通过 硅 柱 、 封环 及 硅 帽有 密
ＭＥ Ｓ器 件 圆片级 的真 空封装 是指 芯 片与封 装 之 Ｍ 间的连接 等 所有封 装 ： ， ［序 全部 都 是 以硅 圆 片为 单位进 行操作 ， 与单 芯片相 比， 大节省 了封装 的 大
采 用某 些 材 料 封装 时 会产 生湿 度 和有 机 气 体 ， 导致 器 件 的粘 连 、 损和 腐蚀 ， 采 取相 应 将 磨 应
的处理措 施 。某 些 ＭＥ ＭＳ器 件 的工 作 环 境 是 气
体、 液体 或透 光 的环 境 ， Ｅ Ｓ封装 就 必须 构成 稳 Ｍ Ｍ 定 的环境 ， 能使 气 体 、 体稳 定 流动 ， 光纤 输 并 液 使 人 低损耗 ， 精度对 位 的特性等 。 高 正是 由于 Ｍ ＭＳ封 装 有更 多 的特殊 性 ， 得 Ｅ 使
第３ ０卷第 ３期
２１ ０ ２年 ９月
至 谶 篥
遁
Ｖｏ． Ｎｏ ３ １３Ｏ ．
Ｊ ＣＨＥ Ｉ ＮＧＤＩ ＡＮＬＵ ＯＮＧＸＵ Ｔ Ｎ
Ｓ ｐ． ｅ ２０１ ２
一
种 ＭＥ ＭＳ器 件 圆 片 级 真 空 封 装 技 术
基于晶圆键合的MEMS圆片级封装研究综述
基于晶圆键合的MEMS圆片级封装研究综述
梁亨茂
【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2022(22)12
【摘要】为提升微机电系统(MEMS)器件的性能及可靠性,MEMS圆片级封装技术已成为突破MEMS器件实用化瓶颈的关键,其中基于晶圆键合的MEMS圆片级封装由于封装温度低、封装结构及工艺自由度高、封装可靠性强而备受产学界关注。
总结了MEMS圆片级封装的主要功能及分类,阐明了基于晶圆键合的MEMS圆片级封装技术的优势。
依次对平面互连型和垂直互连型2类基于晶圆键合的MEMS 圆片级封装的技术背景、封装策略、技术利弊、特点及局限性展开了综述。
通过总结MEMS圆片级封装的现状,展望其未来的发展趋势。
【总页数】9页(P1-9)
【作者】梁亨茂
【作者单位】华南农业大学电子工程学院(人工智能学院)
【正文语种】中文
【中图分类】TN305.94
【相关文献】
1.MEMS圆片级真空封装金硅键合工艺研究
2.晶圆叠层3D封装中晶圆键合技术的应用
3.基于BCB键合的MEMS加速度计圆片级封装工艺
4.基于粘附剂键合的
圆片级MEMS塑料封装技术5.MEMS圆片级封装用Cu-Sn低温键合机理与工艺研究
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基于BCB键合的MEMS加速度计圆片级封装工艺
基于BCB键合的MEMS加速度计圆片级封装工艺刘磊;展明浩;李苏苏;陈博【摘要】对基于BCB的圆片级封装工艺进行了研究，该工艺代表了MEMS加速度计传感器封装的发展趋势，是MEMS加速度计产业化的关键。
选用3000系列BCB材料进行MENS传感器的粘结键合工艺试验，解决了圆片级封装问题，在低温250℃和适当压力辅助下≤2．5bar（1bar=100kPa）实现了加速度计的圆片级封装，并对相关的旋涂、键合、气氛、压力等诸多工艺参数进行了优化。
%The wafer-level adhesive bonding based on BCB is studied. It is the packaging trend for the MEM5 accelerometer and is essential to the industrialization of the MEMS accelerometer. A novel MEMS wafer level packa-ging method is achieved by the BCB bonding technique with the BCB 3000 as a bonding material. The wafer level packaging at low temperature （250℃） and proper pressure（≤2. 5 bar） is realized. The related process parameters of spin coating, bonding, atmosphere, and bonding pressure and etc. are optimized.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2012(025)009【总页数】4页(P9-12)【关键词】MEMS加速度计;圆片级封装;苯并环丁烯（BCB）【作者】刘磊;展明浩;李苏苏;陈博【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥230009;中国兵器工业集团214研究所工艺1部,安徽蚌埠233042;中国兵器工业集团214研究所工艺1部,安徽蚌埠233042;中国兵器工业集团214研究所工艺1部,安徽蚌埠233042【正文语种】中文【中图分类】TN305.94圆片级封装是指以硅圆片为单位进行封装操作，即芯片封装之间的连接等所有封装工序全部都以硅圆片为单位进行操作。
mems的晶圆键合 -回复
mems的晶圆键合-回复mems的晶圆键合（mems wafer bonding）是一种用于制造微电子机械系统（micro-electromechanical systems，MEMS）的高级封装技术。
它的主要作用是将不同材料的晶圆或片层通过键合技术结合在一起，实现多层结构的制备。
本文将对mems的晶圆键合技术进行详细介绍。
第一步：mems晶圆键合的概述mems晶圆键合技术是一种先进的封装技术，用于将微小的机械和电子元件封装在一起，并实现它们之间的可靠连接。
它在MEMS器件制造中起着重要的作用，确保了器件的稳定性和可靠性。
该技术主要通过将不同材料或晶圆片层键合在一起，形成复合的功能元件，从而实现MEMS器件的制备。
第二步：mems晶圆键合的原理mems晶圆键合技术主要依靠两种主要的键合机制：金属键合和无金属键合。
金属键合主要通过金属间的互溶作用，实现键合的稳定性和可靠性。
无金属键合主要依靠压力和温度的作用，将不同材料的片层键合在一起。
第三步：mems晶圆键合的材料选择在mems晶圆键合中，材料的选择是非常重要的。
不同的材料具有不同的热膨胀系数和力学性能，因此在进行键合之前，需要仔细选择适合的材料。
常用的材料包括金属、氧化物和半导体材料。
第四步：mems晶圆键合的工艺步骤mems晶圆键合技术通常包括以下几个步骤：1. 表面处理：对键合表面进行预处理，以确保良好的键合质量。
常见的表面处理方法包括化学清洗和离子束清洗等。
2. 对接和定位：将需要键合的两个晶圆或片层对接在一起，并进行精确的定位，以确保正确的对准。
3. 压力和温度控制：在键合过程中，需要施加适当的压力和温度。
这些参数的选择通常基于材料的性质和键合的要求。
4. 键合力的应用：将键合介质（如金属膜或无机介质）放置在两个晶圆或片层之间，施加适当的键合力，实现键合。
5. 剩余应力的消除：键合完成后，可能会产生一些剩余应力。
为了消除这些应力，通常需要进行退火处理或其他应力释放技术。
晶圆级低温金金扩散键合的研究
晶圆级低温金金扩散键合的研究1 引言晶圆键合技术是半导体封装中必不可少的技术之一，其目的是将两个晶圆或晶圆与芯片之间通过键合技术进行连接，使之形成独立的电路。
在键合技术中，金金键合是一种常用的技术，其优点是键合强度高，信号传输速度快。
但是传统的金金键合技术中键合温度一般在高温下进行，这会导致晶圆变形，对器件性能和可靠性产生影响。
因此，近年来低温键合技术备受关注，本文将对晶圆级低温金金扩散键合的研究进行探讨。
2 低温键合的研究现状传统的金金键合技术中，一般键合温度在200℃以上，这会导致晶圆变形，器件性能下降，甚至无法使用。
因此，近年来研究人员开始关注低温键合技术，通过利用一些新型的键合材料，可以在低温下实现金金键合。
目前研究低温键合技术主要有以下几种方法：一是利用低温钎焊技术，通过在低温下将焊料熔化，实现键合；二是利用焊锡合金，通过调节焊接工艺，实现低温键合；三是利用扩散键合，通过在低温下利用扩散作用，将金属键合。
3 低温金金扩散键合的原理低温金金扩散键合技术是利用金属在低温下的扩散作用实现键合的一种技术。
金属在低温下依然存在一定的扩散性，其扩散能力与温度密切相关，当温度降低时，金属扩散能力也随之降低。
因此，通过控制键合温度，可以实现低温金金键合。
低温金金扩散键合的原理如下：首先，将需要进行键合的两个金属样品放置在一起，在低温下保持一定的时间，使得两个金属样本之间发生扩散，最终形成键合界面。
在键合过程中需要控制温度和时间，以保证键合质量。
4 低温金金扩散键合的优缺点低温金金扩散键合相对于传统的金金键合技术来说，具有以下的优点：1. 功耗低：由于低温键合温度较低，所以不会对晶圆在键合过程中造成过多的能量损耗，因此，低温金金键合功耗低。
2. 工艺简单：常规的金金键合技术需要较高的温度和压力，需要复杂的工艺流程，并且容易损伤晶圆，而低温金金扩散键合可以通过简单的工艺流程实现。
3. 器件性能高：由于低温键合不会对晶圆进行过量加热，所以不会对晶圆的性能产生影响，从而提高了器件的性能和可靠性。
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1 引 言
微电子机械系统 (M EMS) 是近年来高速发展的 一项新技术 , 它采用先进的半导体工艺技术 ,将整 个机械结构在一块芯片中完成 ,在体积 、重量 、价格 和功耗上有十分明显的优势 ,在航空航天 、军事 、生 物医学 、汽车等行业得到了广泛的应用 。M EMS 器 件大都含有可动的硅结构 ,在器件加工过程中 ,特别
Investigation on Au2Si wafer bonding f or MEMS device packaging
L IU Xue2song , YAN Gui2zhen , HAO Yi2long , ZHAN G Hai2xia
( I nstit ute of Microelect ronics , Peki ng U niversity , Beiji ng 100871 , Chi na)
Abstract : Most M EMS devices , i. e. accelerometer , micro2gyroscope , have movable silicon st ruc2 t ures , which are f ragile and easily damaged in t he fabrication process of devices ,so t hat t he yield will be decreased greatly. However , t he yield and reliability can be increased if a layer of encapsulation is designed to protect t he movable st ruct ures of M EMS devices. In t his paper we design a new st ruct ure of Au2Si wafer bonding for M EMS device packaging , it is proved t hat t he process is simple and t he re2 sult is satisfied. This technique is compatible wit h regular M EMS devices fabrication process , achieves adequate intensity , will not damage t he micro2mechanical st ruct ures , it s bonding temperat ure is lower and can realize wafer level packaging of t he M EMS device. It has been already used in t he fabrication of micro2gyroscope successf ully. Key words : Au2Si wafer bonding ; M EMS ; wafer level packaging
硅片间距的减小量 ,所以金高出硅槽高度的上限为
90nm ,但为保证金硅的充分接触 ,这个高度也不能
太小 。我们认为金高出硅槽 60～90nm 比较合适 。
有了这个范围值 ,就可以根据金属层的厚度估
算出槽的深度 。在溅射金之前 ,先溅射 30nm 的粘附
层铬 ,金层的厚度为 270nm ,那么硅槽的深度应该在
合后融入金中的硅的厚度可由如下公式估算[4 ]
t Si
=
(
wt wt
%%ASiu)
ρAu ρSi
tAu
=
3. 5 96. 5
×19. 3 2. 32
×300
=
90
( nm)
其中 t Si 、tAu分别为硅 、金的厚度 ,wt %为质量分
数 ,ρAu 、ρSi分别为金 、硅的密度 。如果不考虑金硅合
金的体积变化 ,则上式求得的硅的厚度可近似看作
3 号样在横向力曲线中出现明显波动的位置靠前 ,说 明只要较小的力就可使膜基分离 。从光学显微照片 来看 ,曲线出现明显波动的位置对应着膜的脱落 ,见 图 3 (b) 中右边第一条划痕 。由此得到 3 号样品膜基 界面结合较弱的结论 ,这与上边通过样品界面区域 的模量和硬度梯度变化为依据的结论一致 。
是在封装过程中极易受损 ,大大影响器件的成品率 。 如果能在 M EMS 器件可动结构完成以后 ,加上一层 封盖保护 (如图 1 所示) ,可以显著提高器件的成品 率和可靠性 。
由于封盖保护键合是在可动硅结构完成以后进 行的 ,所以实现的难度比较大 。要完成芯片级封装 , 封盖键合要达到如下要求 :
4 结 论
图 3 划痕实验说明图
综上所述 ,热氧化工艺制备的 SiO2 薄膜的硬度 和模量较大 ,2 号样的膜基结合强度高于 3 号样 。本 工作显示 ,纳米压痕和划痕技术能提供丰富的近表 面弹塑性变形和断裂等的信息 ,是评价微米薄膜力 学性能的有效手段 。 参考文献 :
图 3 键合反应后的金表面显微镜照片
我们采用了图 2 结构进行键合实验 ,步骤如下 : (1) A 片 ,刻蚀键合槽 ,深度为 240～250nm ; (2) A 片 ,光刻键合区域 , 溅射金属 ( Cr/ Au 30nm / 270 ～ 300nm) ,剥离金属 ; (3) B 片 ,刻蚀划片标记 、对位标 记等 ; (4) A 、B 片对位后 ,放入键合机中 ,在 380～ 400 ℃的温度 ,1000～2000mbar 的压力下退火 30～ 60min ; (5) 切片 。
开 ,观察其键合效果 。图 3 、图 4 分别是键合后的硅 表面和金表面的显微镜照片 。从图中可以看出 ,绝 大部分区域都发生了金硅共熔 。共熔区域的强度非 常高 ,撬开后没有从原来的金硅界面断开 ,而是在单 晶硅内部撕裂开 ,大部分断裂的硅被牢牢地粘在有 金的硅片一边 。由此可以看出 ,用这种方法完成的 金硅键合效果很好 。
由于金在硅和二氧化硅上的黏附性较差 ,所以 在硅 片 A 上 先 溅 射 一 层 钛 ( 或 铬) , 厚 度 为 30 ～ 50nm ,作为金与硅之间的粘附层 。 3 . 3 硅槽结构分析及硅槽深度估算
如果没有硅槽 ,在硅片平面上溅射一定厚度的 金 ,键合后上下硅片之间就会有一定的间距 ,切片时 内部张力过大 ,容易引起硅片断裂或键合处裂开 ,如 图 6 所示 。
本文提出一种用金2硅键合实现封盖保护的新 结构 ,该技术与器件制造工艺兼容 ,有足够的键合强 度 (切片成品率超过 80 %) ,又不损坏器件结构 ,实现 了 M EMS 器件的芯片级封装 。
2 金2硅键合封盖保护的工艺实验
3 . 1 键合实验结果 用以上方法键合 、切片后 , 将键合好的芯片撬
要切片不断裂 ,键合强度就能满足 (在常压下工作的 合界面要求比较高 。因为金在二氧化硅表面的浸润
Micronanoelectronic Fechnology/ J uly～Augus t 2003 2 39 微纳电子技术 2003 年第 7/ 8 期
图 7 刻槽键合结构示意图
3 实验结果与分析
图 1 封盖保护结构示意图
制造工艺兼容 ; ( 2) 要有足够的键合强度 , 能满足 M EMS 器件结构完成以后切成分立器件的要求 (对 于常压工作器件) ; (3) 键合过程不能损坏 M EMS 器 件结构 。键合的方法有很多 ,但是有些键合无法应 用于封盖保护 。例如硅2硅直接键合 ( SBD) 技术 ,将 两硅片高温处理直接键合在一起 ,键合效果很好 ,但 是长时间的高温会使金属化连线失效 ;最常用的是 硅与玻璃静电键合 ,利用外加电场使硅/ 玻璃界面发 生化学反应形成牢固的化学键 ,其键合强度要比硅 或玻璃本身牢固 ,键合温度也不高 (180～500 ℃) [1 ] , 但是键合过程中的高电压会使 M EMS 可动的硅结 构贴到玻璃上 ,使器件失效 。
4 结 论
果得到保证 。 下面我们估算硅槽的深度和金层的厚度 。
由于金硅的互熔 ,键合后上下硅片的间距会减小 (如 图 7 所示) 。
本文提出了一种用于 M EMS 芯片级封装的金 - 硅键合新结构 ,并且成功地应用于射流陀螺的制
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(1) 键合温度要低 ,键合工艺要与 M EMS 器件
收稿日期 : 2003205215
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M EMS 器件) 封盖要求 ; ( b) 撬开键合好的芯片 ,通 过光学显微镜观察界面反应情况 ; (c) 用台阶仪测量 键合后的金2硅界面 。
用于 MEMS 器件芯片级封装的 金2硅键合技术研究
刘雪松 , 闫桂珍 , 郝一龙 , 张海霞
(北京大学微电子学研究院 , 北京 100871) E2mail :gzyan @ime. pku. edu. cn
摘要 : M EMS 器件大都含有可动的硅结构 ,在器件加工过程中 ,特别是在封装过程中极易受损 ,大 大影响器件的成品率 。如果能在 M EMS 器件可动结构完成以后 ,加上一层封盖保护 ,可以显著提 高器件的成品率和可靠性 。本文提出了一种用于 M EMS 芯片封盖保护的金2硅键合新结构 ,实验 证明此方法简单实用 ,效果良好 。该技术与器件制造工艺兼容 ,键合温度低 ,有足够的键合强度 ,不 损坏器件结构 ,实现了 M EMS 器件的芯片级封装 。我们已经将此技术成功地应用于射流陀螺的制 造工艺中 。 关键词 : 金硅键合 ; M EMS ; 芯片级封装 中图分类号 : TN405. 94 文献标识码 : A 文章编号 : 167124776 (2003) 07/ 0820238203