玻璃漿料鍵合氣密性研究*

喻蘭芳，梁 庭，熊繼軍，崔海波，王心心，王濤龍

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051;2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，山西 太原030051)

0 引 言

MEMS 器件需要芯片鍵合工藝來制作電極和空腔，目前主要有陽極鍵合、硅—硅直接鍵合、粘合劑鍵合、焊料鍵合和玻璃漿料鍵合幾種方式。玻璃漿料鍵合是通過網(wǎng)印將玻璃漿料涂在鍵合面上，熔化所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)并接觸第二個襯底，冷卻后形成穩(wěn)定的機(jī)械性連接［1］。由于密封效果好、鍵合強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率高，而且對封接基板表面沒有特殊要求，可實現(xiàn)低成本、高可靠的圓片級封裝而具有更為廣泛的用途［2］。

本文對玻璃漿料鍵合全密性進(jìn)行了研究，并對其影響因素進(jìn)行了分析，實驗結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果。

1 鍵合原理

玻璃漿料由玻璃粉料和粘合劑配制而成，預(yù)處理過程中，漿料中的水分和有機(jī)溶劑揮發(fā)分解耗盡，玻璃主要有兩類，熱塑性的玻璃態(tài)玻璃燒結(jié)時在同一溫度下流動，熱固性的結(jié)晶態(tài)玻璃在燒結(jié)過程中產(chǎn)生微晶，燒結(jié)的產(chǎn)物與原來的玻璃具有不同性質(zhì)［3］。加熱的過程中，玻璃漿料與封接表面達(dá)到浸潤，如果表面接觸良好，封裝基面的原子層會擴(kuò)散到玻璃漿料中，在表面處出現(xiàn)一層很薄的混合層，這樣在封裝基面跟玻璃漿料之間就能達(dá)到很大的鍵合強(qiáng)度［4］。

2 實驗與結(jié)果討論

實驗前，需要根據(jù)要求制備網(wǎng)版，嚴(yán)格控制網(wǎng)版目數(shù)，由于此處選擇的是美國SG 公司生產(chǎn)的VB1115 玻璃漿料，選擇尼龍制網(wǎng)(尼龍具有理想的彈性和恢復(fù)性)［5］，設(shè)計網(wǎng)版目數(shù)為300。實驗時，首先對需要鍵合的晶圓進(jìn)行清洗保證表面清潔，如果晶圓表面存在雜質(zhì)粒子，玻璃漿料與晶圓鍵合時會受其影響產(chǎn)生縫隙［6］，此時鍵合交界面掃描電子顯微鏡圖如圖1 所示。

圖1 雜質(zhì)對鍵合的影響Fig 1 Effect of impurities on bonding

2.1 印刷方式對鍵合氣密性的影響

安裝好網(wǎng)版以后，通過真空吸泵將晶圓固定在印刷臺面上，扣下網(wǎng)版，在網(wǎng)版一端倒入適量玻璃漿料，利用刮板將漿料刮向網(wǎng)版另一端，印刷裝置如圖2 所示。由于是手動印刷，印刷過程中應(yīng)盡量保持力度合適、速度一致，確保刷下來的漿料均勻連續(xù)［7］，印刷完成以后需要在顯微鏡下檢查，確保印刷成功，見圖3。

圖2 手動印刷裝置Fig 2 Manual printing device

圖3 印刷漿料連續(xù)性Fig 3 Continuity of printing paste

若需要印刷多片晶圓而只有一塊網(wǎng)版，下次印刷時應(yīng)確保網(wǎng)版網(wǎng)孔通透(以保證印刷一致)，若經(jīng)濟(jì)允許可選擇濃縮洗網(wǎng)劑進(jìn)行清洗，在實驗室可選用丙酮、異丙醇進(jìn)行清洗(玻璃漿料的粘合劑為有機(jī)溶劑)，同時采用超聲清洗機(jī)通過物理震動使?jié){料顆粒從絲網(wǎng)中脫離，去離子水洗凈，氮氣吹干，如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)版清洗情況Fig 4 Cleaning situation of screen

2.2 預(yù)處理條件對鍵合氣密性的影響

確保印刷成功以后，對晶片進(jìn)行干燥燒結(jié)，干燥條件為在120 ℃恒溫下保持12 min，經(jīng)初步干燥后放入燒結(jié)爐內(nèi)采用分段保溫方式進(jìn)行預(yù)燒結(jié)以充分揮發(fā)有機(jī)溶劑［3］。由室溫經(jīng)30 min 升高到295 ℃，維持25 min，這一溫段低于漿料熔點而高于有機(jī)溶劑熔點，可以充分揮發(fā)水分燃盡有機(jī)溶劑，這一過程不充分會殘留溶劑，形成孔洞;再由295 ℃經(jīng)30 min升高到425 ℃，維持15 min，這一溫段漿料顆粒相互熔融擴(kuò)散粘連成一個整體，使表面變得平滑，在鍵合工工藝中獲得較好的鍵合界面，這一過程不充分會使玻璃漿料表面不平整，導(dǎo)致后續(xù)鍵合工藝中與基板接觸時在接觸面產(chǎn)生氣泡，嚴(yán)重影響鍵合的質(zhì)量;最后由425 ℃自然降溫到室溫，漿料顆粒固化。圖5 為VB1115 漿料廠家給出的的預(yù)燒結(jié)條件，實際預(yù)燒結(jié)過程中需根據(jù)預(yù)燒結(jié)后漿料形態(tài)微調(diào)溫度和保溫時間［4］，確保預(yù)燒結(jié)成功，預(yù)燒結(jié)后含氣泡漿料形貌如圖6。

圖5 VB1115 預(yù)燒結(jié)條件Fig 5 Presintering conditions of VB1115

圖6 預(yù)燒結(jié)后含氣泡漿料形貌Fig 6 Bubble-containing slurry morphology after pre-sintering

2.3 鍵合工藝對鍵合氣密性的影響

預(yù)燒結(jié)完成以后將基片和蓋片對準(zhǔn)，放入鍵合機(jī)內(nèi)，工藝參數(shù)設(shè)置為鍵合溫度450 ℃，鍵合力300 N，真空鍵合度2×10－4mbar，隨著溫度的升高，玻璃漿料再次熔融，在壓力作用下2 片晶圓通過漿料夾層鍵合在一起實現(xiàn)器件的真空封裝［8］。鍵合過程中，條件控制不當(dāng)(鍵合溫度過低致使?jié){料未完全熔融，壓力過大導(dǎo)致熔融的漿料外延等)，同樣會導(dǎo)致鍵合失敗，鍵合完成以后，利用超聲顯微鏡(勿需破壞器件)觀察玻璃漿料形態(tài)(見圖7)，得出鍵合是否成功的結(jié)論，并通過鍵合結(jié)果改善鍵合條件達(dá)到優(yōu)化的目的。

圖7 鍵合后超聲顯微鏡圖Fig 7 Ultrasonic microscope figure after bonding

3 結(jié)束語

本文對玻璃漿料鍵合的過程進(jìn)行了詳細(xì)的表述，觀察各階段玻璃漿料的形貌，并對鍵合過程中由印刷方式、預(yù)處理條件和鍵合工藝可能造成鍵合漏氣的幾個因素進(jìn)行了分析。玻璃漿料鍵合過程中需要控制的條件比較復(fù)雜，實驗過程中應(yīng)該檢查每一步是否做好:印刷漿料均勻一致連續(xù)，合理控制預(yù)處理過程條件，確保水分和有機(jī)溶劑充分揮發(fā)，預(yù)燒結(jié)后的玻璃漿料表面平整，鍵合時，調(diào)節(jié)合適的鍵合溫度和壓力，完全熔融漿料最后成功鍵合。

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