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(200601-0082-03

Study of low te mperature eutecti c bondi n g process for

M E M S her meti c package

Z HANG Dong2mei,D I N G Gui2fu,WANG Hong,J I A NG Zheng,Y AO J

in2yuan (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 otong

Un i versity,Shangha i200030,Ch i n a

Abstract:A fluxless bonding technique using eutectic Pb2Sn all oy as j oint is p resented.Cr/N i/Cu/Pb2Sn

multilayer on substrate and chi p is electr op lated,then bonded at190℃and150Pa in vacuu m.This fluxless

bonding p r ocess can p revent m icr o device being polluted.This bonding p r ocess is her metic.The thickness of the

j 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 the

require 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 mperature

bonding

0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。然而,许多包含高速运动结构器件的工作特性强烈依赖于密封腔室的真空度,因此,气密性好坏对这类器件的使用性能具有决定性作用。如M E MS陀螺仪,真空封装能使其性能得以更好发挥,若真空度不足,腔体内气体将对运动部件产生阻

尼,器件的响应灵敏度降低,整体性能严重受损[1]。很多情况下,气密性封装不但能够显著提高可动部件的工作能力,而且,可以隔绝部分环境干扰,改善长期工作可靠性。但是,如何长久维持气密封装的真空度一直是没有很好解决的困难问题之一,探索新的封装工艺和研究气密封装的基础工艺问题,受到广泛的重视。

收稿日期:2005-06-19

3基金项目:国家自然科学基金资助项目(10377009

目前,M E MS器件制备中,常用的气密性键合技术主要是高真空(<10-2Pa 环境下的阳极键合、共晶键合以及薄膜密封工艺等。阳极键合一般只限于硅玻璃键合[2],键合温度为300~400℃,偏压为500~1000V,键合过程中的高温、高电压使其应用受到极大限制,特别是很难应用于非硅基材料结构上;薄膜密封技术利用牺牲层方法刻蚀出空腔结构,通过空腔上的小孔和沉积薄膜时的真空环境,使空腔具有一定真空度,薄膜有选择地沉积在小孔密封处,完成真空封装,但空腔的真空度受薄膜沉积工艺限制,同时,沉积时的高温环境和后续封孔薄膜刻蚀工艺也会影响该方法在器件中的应用;共晶键合是利用某些共晶合金熔融温度较低的特点,将它们作为中间介质层,在较低温度下,通过加热熔融实现共晶键合。相对来讲,共晶键合的限制因素较少,

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第1期张东梅等:ME M S器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究

可以选择的材料和工艺参数范围较大。本文结合微继电器封装的需要,介绍了一种采用低熔点共晶合金作为中间层的多金属层结构键合封装工艺。

1试验设计

为了实现低温键合,首先,在基底与锡铅合金之间形成Cr/N i/Cu多金属层,如图1(a所示,Cr作为粘结层增强金属与基片的结合力;N i作为阻挡层,因为N i与Sn形成金属间化合物的反应速率比通常所用的Cu与Sn的反应速度慢得多[3],可以防止