粘片工藝對MEMS器件應力的影響研究

吳　慧，段寶明，秦　盼，謝　斌，李蘇蘇

(北方電子研究院有限公司214所，安徽 蚌埠 233042)

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粘片工藝對MEMS器件應力的影響研究

吳慧，段寶明，秦盼，謝斌，李蘇蘇

(北方電子研究院有限公司214所，安徽 蚌埠 233042)

粘片工藝是電路封裝過程的重要工藝，粘片工藝的質量直接影響IC的導熱性和可靠性。對于MEMS器件，粘片質量還可能造成MEMS器件運動部件和功能部件的損壞。試驗表明，MEMS器件與傳統的半導體器件在工藝上的差距較大，采用傳統的工藝方式，對MEMS器件內部的質量塊有較大的影響，通過選擇適合的貼片膠，優化粘片工藝方式，可以降低粘接工序造成的應力，從而保證MEMS器件的合格率。

MEMS；粘片；應力

粘片工藝是電路封裝過程的一個重要工藝。尤其是在MEMS器件中，粘片工藝不僅影響MEMS的導熱性和可靠性，還可能造成MEMS器件運動部件和功能部件的損壞[1]。

MEMS器件的應力來源有2種：1)當多晶硅被沉積時，大量應力產生在膜層中；2)來自于MEMS器件與基板(或管殼)的粘接材料。MEMS封裝的界面應力是由芯片及封裝之間的粘接材料和材料的熱膨脹系統不匹配引起的，封裝中過剩的應力是造成器件可靠性下降的主要原因之一。在MEMS器件的封裝過程中，時常發生晶圓測試合格的MEMS器件，在封裝后的測試數據出現改變或不合格的現象[2]。

在粘片過程中，為了保證合適的粘接強度，對粘片膠的點膠位置、施膠的方式、膠點的大小(施膠面積)和厚度等都有嚴格的要求。本文通過計算膠點的最佳厚度和粘片膠的最佳施膠方式，改進工藝方式，優化粘片膠的固化條件，給出了對MEMS器件應力影響較小的粘片工藝方式。

1　粘片工藝概述[3]

粘片又稱固晶，是通過介質(膠體或合金片)把

芯片粘接在基板(或管殼)的指定區域，形成熱通路或電通路，為后序的鍵合提供條件的工序。粘片工藝是IC器件和MEMS器件封裝工藝中一個重要的環節。在IC貼片中，該工藝主要影響IC的導熱性和可靠性；在MEMS電路中，粘片工藝還會造成MEMS器件運動部件和功能部件的損壞。

粘片工藝通常采用膠體粘片(粘片膠)和焊料片(合金焊片)粘片等2種。使用膠體粘片不僅具有工藝靈活、簡單、工藝溫度低和不需要助焊劑等優點，而且其工藝設備也相對便宜、簡單，無論是工藝操作、工藝要求，還是成本，都比較低，所以應用更為廣泛。本文主要介紹膠體粘片工藝。

2　不同工藝方式對MEMS器件產生的應力

2.1不同的施膠量對MEMS器件產生的應力

在考察施膠方式的同時，還對施膠厚度與施膠面積對于應力的影響進行了試驗。以厚度為600μm，外形尺寸為5 000μm×5 000μm的MEMS器件為試驗對象，分別做了施膠厚度和施膠面積的試驗(見圖1和圖2)，結果分別見表1和表2。

圖1　施膠厚度對器件應力結構間應力的影響

施膠厚度/μmMEMS器件的最大應力/kPa2082603057204045205037106032307028308025809023101002170

圖2　施膠面積對器件應力結構間應力的影響

注：重疊比例越小，施膠面積越小。重疊比例=100%，為施膠面積與MEMS器件面積相等；重疊比例>100%，即施膠面積超出器件面積。

表2　施膠面積對應力的影響

由上述試驗結果可以看出，施膠厚度與粘接應力呈反比，即厚度越大則應力越??；而施膠面積與MEMS器件面積大小呈非正態分布，當施膠面積小于MEMS器件面積時，施膠面積與粘接應力明顯呈正比，即面積越小則應力越小，在施膠面積與器件面積相等時，應力值最大，之后會逐漸緩慢呈微弱下降趨勢。

2.2不同的施膠方式對MEMS器件產生的應力

以往的MEMS器件與封裝結構為MEMS器件直接與腔體(或基板)進行粘接，粘接面采用整面施膠環氧樹脂。由上述試驗可以看出，這樣的結果使總體應力較大?，F有的MEMS器件內部包含有2塊可動結構，整面施膠的粘接方法也會造成2塊可動結構之間存在較大的應力差。為了降低因粘接造成的應力，結合之前的試驗，考慮采用點狀粘接材料的方法替代原有的整面施膠的方法。

傳統的100%整面施膠方式及相應的熱應力分布如圖3所示。

圖3　　　　整面施膠的MEMS器件組裝方式、熱應力分布及2個質量塊的最大應力

由圖3可以看出，整面施膠方式下的最大熱應力為2 347Pa，應力差為160Pa，不適合敏感結構的MEMS器件。

經分析，考慮采用3種點狀施膠方式：1)X軸方向三點點狀施膠；2)Y軸方向三點點狀施膠；3)四角點狀施膠。3種點狀施膠方式、相應的熱應力分布以及3種點狀施膠方式下2個質量塊的最大應力圖分別如圖4～圖6所示。

圖4　　　　四角點狀施膠的MEMS器件組裝方式、熱應力分布及2個質量塊的最大應力

由圖4可以看出，四角點狀施膠方式下的最大熱應力為374Pa，應力差為7Pa，效果較為理想。

圖5　　　　X軸方向三點點狀施膠的MEMS器件組裝方式、熱應力分布及2個質量塊的最大應力

由圖5可知，X軸方向三點點狀施膠方式下的最大熱應力為566Pa，應力差為283Pa，差值過大。

圖6　　　　Y軸方向三點點狀施膠的MEMS器件組裝方式、熱應力分布及2個質量塊的最大應力

由圖6可知，Y軸方向三點點狀施膠方式下的最大熱應力為284Pa，應力差為6Pa。

因此，沿Y軸方向對稱的3點排布作為導電膠的粘貼方式，左、右質量塊的應力差值最小，是最佳的施膠方式。幾種施膠方式的應力對比見表3。

表3　幾種施膠方式的應力對比

2.3增加襯底以減小應力

為了進一步減小粘接應力對于MEMS器件的影響，引入了去藕隔離襯底結構，即在MEMS器件和陶瓷外殼之間增加一層起去耦作用的硅材料襯底，隔離襯底與陶瓷外殼粘接，MEMS器件再與隔離襯底粘接。關于MEMS器件、硅隔離襯底和陶瓷外殼的組裝方式，試驗了4種情況(見圖7)。引入去耦隔離襯底后幾種施膠方式的應力對比見表4。

圖7　引入去耦隔離襯底的4種方式

粘接方式2個可動結構的最大應力/Pa2個可動結構間的最大應力差/Pa未采用隔離襯底整面施膠2347160圖7a112.3348圖7b14.960.51圖7c5.850.45圖7d2.450.27

從試驗結果可以看出，采用了隔離襯底可以大大減小粘接應力，而結合了點狀施膠方式，又可以進一步降低粘接應力，MEMS器件與隔離襯底，隔離襯底與陶瓷外殼之間均采用點狀施膠方式進行粘接，可以獲得較為優化的粘接應力分布。

3　粘接材料及固化條件對電路應力的影響

眾所周知，膠體需要具有較好的流動性，以便于覆蓋整個表面，在施膠時達到既無孔洞也不發生分層的狀態，否則將影響粘接后器件的剪切力及相應的應力。另外，通過多年的工作經驗和試驗，發現除了膠體的選擇，其固化條件也可以改變膠體的流動性。

3.1貼片膠彈性模量對芯片應力的影響

彈性模量大的貼片膠為硬膠；反之，稱為軟膠。為了分析粘片膠彈性模量對芯片應力的影響，假設使用一系列貼片膠，它們的熱膨脹系數相同。彈性模量與芯片中心點應力值的關系曲線如圖8所示。

圖8　彈性模量與芯片中心點應力值的關系曲線

由圖8可以看出，彈性模量越大的膠，熱應力引起芯片的應力更大，但當彈性模量增大到一定的值(20GPa)之后，溫度變化導致的應力就會減小，也就是說，很軟的膠對應力有一定的吸收作用，非常硬的膠對芯片有較好的應力隔離作用，但實際中沒有彈性模量大到上述情況的膠；所以，在滿足剪切應力和氣密性等要求的前提下，應盡可能地選用軟膠。

3.2固化條件對MEMS芯片應力的影響[4]

同一膠體的固化條件并不是一成不變的，在膠體自身的失效溫度范圍內，通?？梢酝ㄟ^增加溫度、減少時間，或者降低溫度、增加時間甚至改一步固化為兩步固化來完成。

相同粘接方式、相同膠體在不同固化條件下的應力對比見表5。

表5　不同固化條件下的應力對比

從試驗結果可以看出，溫度降低，時間延長，可以有效釋放氣體，降低膠體對MEMS器件的應力，且采用兩步固化的方法，效果更加理想。

4　結語

在MEMS器件的封裝工藝中，膠體的選擇和工藝的優化對器件的可靠性和有效性存在直接的影響，應根據不同器件的具體要求有針對性地處理。為解決MEMS器件中的應力問題，在粘接工藝中，通過增加襯底、采用多點施膠的工藝方式，可以使應力值明顯降低，同時，應盡量選擇彈性模量較低的膠體，并降低固化溫度，延長固化時間，從而進一步減少工藝加工過程中對MEMS器件產生的應力，保證器件的合格率。

[1]UlrichRK,BrownWD. 高級電子封裝[M]. 李虹，張輝，郭志川，等譯.北京：機械工業出版社，2010.

[2] 關榮鋒.MEMS器件貼片工藝研究[J]. 傳感器與微系統，2008，27(4)：24-26.

[3] 劉漢誠(LauJH). 三維電子封裝的硅通孔技術[M]. 秦飛，曹立強，譯. 北京：化學工業出版社，2014.

[4]HarperCA. 電子封裝與互連手冊[M]. 賈松良，等譯. 北京：電子工業出版社，2009.

責任編輯鄭練

ResearchontheImpactofDieAttachProcessonMEMSDevicesStress

WUHui,DUANBaoming,QINPan,XIEBin,LISusu

(NorthElectronicsResearchInstituteCo.,Ltd., 214Institution,Bengbu233042,China)

ThedieattachisaveryimportantprocessintheICpackageflow.ThequalityofthedieattachprocessimpactsthethermalconductivityandreliabilityoftheICdirectly.ItmayalsohavedamagetothevibratoryandfunctionalstructureofMEMSdevice.ThereisabigdifferencebetweenMEMSdeviceandconventionalsemiconductordeviceinpackagingprocess.ThetraditionalpackagingprocesshasgreatinfluenceonqualityblocksinsideMEMSdevice.Thesuitabledieattachfilmandtheoptimizationofthedieattachprocesscanreducethestress,whichcanimprovetheyieldoftheMEMSdevice.

MEMS,dieattach,stress

TN305.94

A

吳慧(1977-)，女，主管工藝師，工程師，大學本科，主要從事半導體及MEMS封裝工藝等方面的研究。

2016-01-13