基于BCB鍵合的MEMS加速度計(jì)圓片級封裝工藝

劉 磊，展明浩，李蘇蘇，陳 博

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009;2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)214研究所工藝1部，安徽蚌埠 233042)

圓片級封裝是指以硅圓片為單位進(jìn)行封裝操作，即芯片封裝之間的連接等所有封裝工序全部都以硅圓片為單位進(jìn)行操作。近年來，圓片級封裝已成為MEMS技術(shù)發(fā)展和實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)。由于MEMS器件具有感應(yīng)外界信號的可動部件，以及長時(shí)間接觸工作環(huán)境中的灰塵、氣流、水汽和機(jī)械雜質(zhì)等物質(zhì)的影響，所以MEMS器件的封裝很重要，而圓片級封裝既能滿足器件所要求的內(nèi)部環(huán)境，又可以提高器件的性能，同時(shí)可以對器件內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，減少器件尺寸和降低封裝成本。

1 BCB材料特點(diǎn)和鍵合機(jī)理

苯并環(huán)丁烯(Benzo－Cyclo－Butene，BCB)是一種目前較常用于圓片級鍵合的有機(jī)粘結(jié)材料，其具有低的介電常數(shù)、優(yōu)良的熱學(xué)、化學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性。用于圓片級粘結(jié)時(shí)，優(yōu)點(diǎn)如下［1］:良好的粘結(jié)性能;固化溫度較低、無副產(chǎn)品、固化過程中不需要催化劑，且收縮率可以忽略;固化以后BCB對于可見光透明，可用于光學(xué)器件;固化的BCB能抵抗多種酸堿溶劑的侵蝕，可用于流體方面;封裝過程中不影響器件及電路的引線;吸水率低，有利于氣密性封裝;BCB可以進(jìn)行光刻或刻蝕，可以進(jìn)行選擇性粘結(jié)。

實(shí)際使用型號為3022－46的非光敏型BCB預(yù)聚體膠水，由美國Dow Chemical公司生產(chǎn)。非光敏型BCB樹脂為46%，經(jīng)過高溫固化后BCB會交聯(lián)、聚合。進(jìn)行BCB圓片級鍵合時(shí)，需要用到增粘劑AP3000和清洗劑T1100。表1為3000型系列BCB材料的機(jī)械、電、熱特性參數(shù)［2］。

表1 3000型系列BCB材料的機(jī)械、電、熱特性參數(shù)

為使以BCB為中間層的兩塊圓片粘結(jié)在一起，需要對BCB進(jìn)行加熱固化，鍵合的目的是實(shí)現(xiàn)BCB材料95% ～100%的固化，溫度越高或者時(shí)間越長，BCB的聚合度就會越高;固化溫度越低，則固化時(shí)間越長。圖1所示的是BCB單體固化程度(%)與溫度和時(shí)間的關(guān)系［3］。文中所采用的固化流程是美國Dow Chemical公司推薦的BCB標(biāo)準(zhǔn)固化工藝:250℃ ×60 min。如果固化溫度低于250℃，則需要BCB的固化溫度保持1 h以上。通過圖1所示的關(guān)系圖可知型號為3022－46的非光敏型BCB預(yù)聚體有類似的固化行為，在180℃ ×40 min下聚合度低于50%，而在190～200℃ ×30 min下聚合度約為60%［4］，所以在加熱固化過程中要高于180℃時(shí)，BCB固化才會開始加快。

圖1 BCB單體固化程度(%)與溫度和時(shí)間的關(guān)系

由于待鍵合圓片表面從微觀上看是不平整的，如圖2所示，同大多數(shù)圓片級鍵合原理一樣，BCB鍵合基于原子和分子之間的相互作用力使得兩個(gè)圓片緊密粘結(jié)在一起，相互作用時(shí)兩圓片的間距應(yīng) ＜0.5 nm［5］。在粘結(jié)劑鍵合中，最關(guān)鍵的因素是要通過液體或半液體形態(tài)的聚合物粘結(jié)劑將待鍵合表面充分潤濕，升溫過程中，BCB粘度降低，在外部壓力作用下，可以很好地補(bǔ)償圓片表面的微觀、宏觀不平整性。因此在BCB固化過程中需要BCB有足夠的流動性以便使圓片潤濕，形成范德華力，從而使兩個(gè)圓片通過BCB牢固地鍵合到一起。圖2(a)兩種固體材料之間的接觸界面;圖2(b)固液材料之間的接觸界面(未潤濕);圖2(c)固液材料之間的接觸界面(潤濕)。

圖2 兩種材料鍵合

2 BCB鍵合封裝結(jié)構(gòu)和工藝實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)對加速度計(jì)器件的正面保護(hù)，采用如圖3所示的BCB鍵合封裝結(jié)構(gòu)，硅蓋板腐蝕有淺坑和通孔，通過BCB材料將上蓋板硅片與器件硅片粘結(jié)在一起后，所形成的空腔將MEMS器件核心部分保護(hù)起來;而硅蓋板上的通孔可將器件硅片上的焊盤通過壓焊后實(shí)現(xiàn)電路的互連。硅蓋板和芯片鍵合之后鋁線被埋置在BCB材料中，從而達(dá)到將加速度計(jì)器件芯片中心區(qū)域保護(hù)起來的目的。采用半導(dǎo)體前道工序(體硅工藝)制作出蓋板后，在蓋板上旋涂BCB膠，然后將其與芯片圓片粘結(jié)以實(shí)現(xiàn)對芯片的圓片級正面保護(hù)。具體BCB鍵合的工藝實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

2.1 硅蓋板的制作工藝

(1)起始硅片:n型(100)硅片，雙面拋光。硅片厚度為435 μm。

(2)正面淺坑腐蝕:先氧化(厚度 0.4 μm)，再進(jìn)行正面光刻、BOE漂氧化層窗口、去膠，在50℃的40%KOH中進(jìn)行硅的淺坑腐蝕(腐蝕深度30 μm)，最后去除硅片的氧化層。為了在硅蓋板上制作出與芯片中心區(qū)域?qū)?yīng)的淺坑，以便形成空腔，實(shí)現(xiàn)對芯片內(nèi)部的保護(hù)。

(3)穿通腐蝕:先二次氧化(厚度2 μm)，然后進(jìn)行背面套刻、BOE漂氧化層窗口、去膠，在50℃的40%KOH中進(jìn)行硅的穿通腐蝕，最后去除硅片的氧化層。在硅蓋板上制作出與芯片焊盤對應(yīng)的穿通槽，可以使蓋板與器件硅片鍵合之后將焊盤漏出來，通過引線鍵合實(shí)現(xiàn)引出電信號。最后對整個(gè)硅片進(jìn)行氧化，形成絕緣層。制備出來的硅蓋板如圖5所示。

圖5 制備出的硅蓋板

2.2 BCB的鍵合工藝

正面旋涂BCB增粘劑。增粘劑可以使圓片粘結(jié)強(qiáng)度提高將近一倍。在蓋板硅片的背面貼上藍(lán)膜，然后在正面旋涂BCB增粘劑AP3000，工藝參數(shù)為:1500～3000 r/min ×20 s。

(1)正面旋涂 BCB膠。工藝參數(shù)為:1000～5000 r/min×20～30 s。不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)著不同的膠層厚度，如圖6所示。文中采用的工藝參數(shù)為1500～2500 r/min ×20 s，膠層厚度約為1.5 ～5 μm。在旋涂BCB膠后將貼在蓋板背面的藍(lán)膜撕掉，同時(shí)擦洗干凈背面。

圖6 不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的BCB膠的厚度

(1)去除硅蓋板邊緣的BCB膠。經(jīng)過正面旋涂BCB膠后，硅蓋板邊緣會有些許殘留的BCB膠，為了避免污染SB6鍵合機(jī)，采用BCB清洗劑T1100擦除硅蓋板邊緣的BCB膠，再用丙酮擦洗干凈即可。

(2)熱盤烘干。在65～90℃下將圓片烘干，熱盤烘干過程中，BCB的聚合度基本不變。這樣做是為了將有機(jī)溶劑和易揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)掉，有利于獲得沒有孔洞的BCB膠粘結(jié)層。

(3)圖形對準(zhǔn)。利用蓋板圓片和芯片圓片的對準(zhǔn)標(biāo)記，通過光刻機(jī)可實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)圓片圖形的精確對準(zhǔn)。

(4)鍵合。將對準(zhǔn)過后的蓋板圓片和芯片圓片進(jìn)行BCB鍵合。

主要的鍵合參數(shù):鍵合溫度;鍵合壓力;鍵合環(huán)境;待鍵合的圓片的表面結(jié)構(gòu)形貌和粘結(jié)劑BCB的厚度。

標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線如圖7所示，BCB固化溫度在200～300℃之間，根據(jù) Dow Chemical公司的標(biāo)準(zhǔn)工藝:250℃ ×1 h。當(dāng)鍵合溫度低于250℃時(shí)，需要保溫幾小時(shí);而鍵合溫度高于250℃時(shí)，則迅速固化，時(shí)間＜1 h。鍵合過程中需要真空環(huán)境或者氮?dú)夥諊瑫r(shí)對硅片施加壓力。

圖7 鍵合標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及注意事項(xiàng)

(1)在BCB鍵合過程中，BCB膠粘度會下降和滲透。BCB這種流動性或是由于待鍵合的兩個(gè)圓片之間的微小間隙造成的毛細(xì)作用力的結(jié)果。因?yàn)锽CB膠傾向于從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域，所以在鍵合時(shí)所施加的壓力會促進(jìn)BCB膠的流動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在100℃以上的升溫過程中，特別是在150～200℃之間，BCB膠具有明顯的流動，此時(shí)BCB膠具有較低的黏度。通過大量實(shí)驗(yàn)表明，在這個(gè)溫度區(qū)域沒有均溫或均溫時(shí)間不夠，BCB膠流動不充分，會影響鍵合質(zhì)量。因?yàn)樵趬毫ψ饔孟拢珺CB膠需要浸潤到鋸齒狀的微觀表面中才能有效地形成范德華力而牢固地鍵合。

(2)在實(shí)際進(jìn)行BCB圓片級鍵合時(shí)，有少量BCB膠會流入芯片中心區(qū)域且分布在中心區(qū)域的四周，因?yàn)檫M(jìn)入芯片中心區(qū)域的BCB膠會嚴(yán)重影響芯片的器件性能，要保證BCB膠不流進(jìn)或盡量少流進(jìn)芯片中心區(qū)域。通過分析表明，鍵合壓力對流入芯片中心區(qū)域的BCB膠有重要影響，如圖8所示。壓力大，被擠壓流入芯片中心區(qū)域的BCB膠會多一點(diǎn)。當(dāng)鍵合壓力為1.5 bar時(shí)，流入的BCB膠深度可控制在100 μm以內(nèi)。

圖8 芯片中心區(qū)域橫截面觀察

(3)在實(shí)際使用SB6鍵合機(jī)進(jìn)行BCB鍵合的過程中，為避免污染鍵合機(jī)，采用如圖9硅蓋板在上芯片在下的圓片級鍵合結(jié)構(gòu)，同時(shí)在硅蓋板上放置臨時(shí)墊片，鍵合結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個(gè)圓片粘結(jié)到一起。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在實(shí)際鍵合過程中，會有少量BCB膠從硅蓋板上的每個(gè)焊接通孔溢出，造成這一現(xiàn)象的原因是甩膠時(shí)有部分BCB膠附著在腐蝕側(cè)壁上，在高溫下通過毛細(xì)作用力向蓋板和墊片之間的粘結(jié)界面流動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鍵合壓力對墊片和硅蓋板的粘結(jié)強(qiáng)度有重要影響，壓力越大，蓋板上的墊片就粘結(jié)的越緊。這里使用玻璃墊片而不是硅墊片，是因?yàn)椴ＡП裙鑹|片容易變形，在鍵合完成后方便將玻璃墊片揭開。當(dāng)鍵合壓力為1.5 bar時(shí)，硅蓋板和芯片的鍵合強(qiáng)度最高，且玻璃墊片能夠揭開，從而解決了實(shí)際鍵合過程中蓋板背面被墊片粘結(jié)的問題。

圖9 硅蓋板在上芯片在下的鍵合結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

基于BCB材料的物理和化學(xué)特性，結(jié)合半導(dǎo)體加工工藝、設(shè)備條件，針對MEMS器件的圓片級低溫封裝進(jìn)行了研究。通過大量工藝實(shí)驗(yàn)，采用3000型BCB材料實(shí)現(xiàn)了MEMS加速度計(jì)的圓片級鍵合，解決了圓片級封裝問題，在低溫250℃和適當(dāng)壓力輔助下≤2.5 bar實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)的圓片級封裝，并對相關(guān)的旋涂、鍵合、壓力、氣氛等幾個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。采用的圓片級封裝方法具有低溫鍵合、工藝兼容性好、工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于MEMS器件的制造中，有利于加速M(fèi)EMS器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

［1］ 王靖，張富新，沈?qū)W寧，等.苯并環(huán)丁烯及其材料:Ⅰ［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2002，3(2):50 －53.

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