Wafer level hermetic packaging based on Cu-Sn isothermal solidification technology

A novel wafer level bonding method based on Cu-Sn isothermal solidification technology is established. A multi-layer sealing ring and the bonding processing are designed, and the amount of solder and the bonding parameters are optimized based on both theoretical and experimental results. Verification shows that oxidation of the solder layer, voids and the scalloped-edge appearance of the Cu6Sn5 phase are successfully avoided. An average shear strength of 19.5 MPa and an excellent leak rate of around 1.9 × 10-9 atm cc/s are possible, meeting the demands of MIL-STD-883E.

用电镀铜锡合金薄膜实现圆片级气密封装

开发了一种基于电镀铜锡合金薄膜的绝压气压传感器圆片级气密封装技术以降低常规的基于阳极键合气密封装技术的成本及难度。通过实验确定了铜锡合金薄膜的电镀参数,实现了结构参数为:Cr/Cu/Sn(30nm/4μm/4μm)的铜锡合金薄膜;通过共晶键合实验确定圆片级气密封装的参数,进行了基于铜锡材料的气密封装温度实验。通过比较各种不同温度下气密封装的结果,确定了完成圆片级气密封装的条件为:静态压力0.02 MPa,加热温度280°,保持20min。最后,对气密封装效果进行X-射线衍射谱(XRD)、X射线分析、剪切力以及氦气泄露分析等实验研究。XRD分析显示:在键合界面出现了Cu3Sn相,证明形成了很好的键合;X射线分析表明封装面无明显孔洞;剪切力分析给出平均键合强度为9.32 MPa,氦气泄露分析则显示泄露很小。得到的结果表明:基于电镀铜锡合金薄膜可以很好地实现绝压气压传感器的圆片级气密封装。

面向圆片级气密封装的表面活化直接键合技术

通过封装实验和性能检测,成功验证了表面活化直接键合技术应用于圆片级气密封装的可行性。实验中使用刻蚀出方形槽的硅圆片,通过化学表面活化方法,与基板硅圆片在室温下成功预键合,形成气密腔体;经过350℃、5 h的大气环境退火后强化了键合强度及气密性能。利用红外透射方法检测了键合后的硅圆片,其界面完整无明显空洞;键合界面横截面SEM图像显示键合界面均匀平整无显著缺陷。键合而成的气密腔体依次经过氦质谱仪和氟油检漏仪检测其气密性,平均漏率达到了1.175×10-8 Pa.m3/s。

微机电系统封装技术

首先提出了MEMS封装技术的一些基本要求,包括低应力、高真空、高气密性、高隔离度等,随后简要介绍了MEMS封装技术的分类。在此基础上,综述了三个微机电系统封装的关键技术:微盖封装、圆片级芯片尺寸封装和近气密封装,并介绍了其封装结构和工艺流程。

一种基于BCB键合技术的新型MEMS圆片级封装工艺

苯并环丁烯(BCB)键合技术通过光刻工艺可以直接实现图形化,相对于其他工艺途径具有工艺简单、容易实现图形化的优点。选用4000系列BCB材料进行MEMS传感器的粘接键合工艺试验,解决了圆片级封装问题,采用该技术成功加工出具有三层结构的圆片级封装某种惯性压阻类传感器。依据标准GJB548A对其进行了剪切强度和检漏测试,测得封装样品漏率小于5×10-3Pa.cm3/s,键合强度大于49N,满足考核要求。

MEMS低温圆片级键合密封工艺研究

研究了一种使用非光敏苯并环丁烯(BCB)材料的低温硅片级键合,并将其用于压力谐振传感器封装。采用AP3000作为BCB中的黏结促进剂,将谐振片与硅片或Pyrex 7740玻璃晶圆键合,程序简单,低成本,密封性能较高,且键合温度低于250℃。通过拉伸实验,这种键合的剪切强度高于40MPa。所以此硅片级键合适用于压力传感器的封装。

MEMS器件封装的低温玻璃浆料键合工艺研究

玻璃浆料是一种常用于MEMS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MEMS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360 kPa),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MEMS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。

Cu/Sn等温凝固技术在MEMS气密封装中的应用

研究了Cu／Sn等温凝固键合技术在MEMS气密性封装中的应用。设计了等温凝固键合多层材料的结构和密封环图形，优化了键合工艺，对影响气密性的因素（如密封环尺寸等）进行了分析。在350。C实现了良好的键合效果，其最大剪切强度达到27．7MPa，漏率～2×10^-4Pa·cm^3／s He，完全可以满足美国军方标准（MIL—STD-883E）的要求，验证了Cu／Sn等温凝固键合技术在MEMS气密封装中的适用性。

一种真空度可调的圆片级封装技术

提出了一种MEMS器件的圆片级封装技术。通过金硅键合和DRIE通孔制备等关键工艺技术,可以实现真空度从102 Pa到2个大气压可调的圆片级封装。作为工艺验证,成功实现了圆片级真空封装MEMS陀螺仪的样品制备。对封装后的陀螺仪样品进行了剪切力和品质因数Q值测试,剪切力测试结果证明封装样品键合强度达到5 kg以上,圆片级真空封装后陀螺的品质因数Q值约为75 000,对该陀螺的品质因数进行了历时1年的跟踪测试,在此期间品质因数Q的最大变化量小于7‰,品质因数测试结果表明封装具有较好的真空特性。

玻璃浆料低温气密封装MEMS器件研究

系统地研究了玻璃浆料在低温下气密封装MEMS器件的过程。采用该工艺(预烧结温度400℃,烧结温度500℃,外加压强3kPa)形成的封装结构具有较高的封接强度(剪切力>15kg)及良好的气密性(气密检测合格率达到85%),测得的漏率符合相关标准。

圆片级气密封装及通孔垂直互连研究

提出了一种新颖的圆片级气密封装结构。其中芯片互连采用了通孔垂直互连技术:KOH腐蚀和DR IE相结合的薄硅晶片通孔刻蚀技术、由下向上铜电镀的通孔金属化技术、纯Sn焊料气密键合和凸点制备相结合的通孔互连技术。整个工艺过程与IC工艺相匹配,并在圆片级的基础上完成,可实现互连密度200/cm2的垂直通孔密度。该结构在降低封装成本,提高封装密度的同时可有效地保护MEMS器件不受损伤。实验还对结构的键合强度和气密性进行了研究。初步实验表明,该结构能够满足M IL-STD对封装结构气密性的要求,同时其焊层键合强度可达8MPa以上。本工作初步在工艺方面实现了该封装结构,为进一步的实用化研究奠定了基础。

采用精密印刷技术的玻璃浆料圆片级气密封装

采用先进的丝网印刷设备和精密印刷技术,对MEMS器件玻璃浆料气密封装技术,包括丝网印刷、预烧结和键合工艺等进行了深入研究。采用三种不同线宽的丝网板对二次印刷工艺进行了优化,提高了玻璃浆料的平整度和均匀性。经烧结键合后的封装体具有较高的封接强度(剪切力>12kg)及良好的气密性(氦气精检合格率100%),可实现高质量的圆片级气密封装。