MEMS 器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究
一种基于BCB键合技术的
新型MEMS圆片级封装工艺
何洪涛
(中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051)
摘要: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M EMS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G JB548A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。
关键词:M EMS;圆片级封装(WL P);苯并环丁烯(BCB);光刻;密封
中图分类号:TN305.94 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2010)10-0629-05
Novel MEMS WLP Process Using BCB Bonding T echnique
He Hongtao
(T he13th Research I nstitute,C E T C,S hi j iaz huang050051,China)
Abstract:The benzocyclobutene(BCB)bonding technique can pattern directly by lit hograp hy process.This met hod is more simple and easier t han ot her approaches.A novel M EMS wafer level package met hod was achieved by BCB bonding technique wit h t he BCB4000as a bonding material.A kind of t he inertial piezoresistive sensor wit h t hree2layer struct ure was fabricated t hrough t he process.The WL P st ruct ure was tested and analyzed according to t he G JB548A. The result s show t hat t he leak rate is less t han5×10-3Pa?cm3/s,t he bonding st rengt h is lar2 ger t han49N,and all samples have passed t he test.
K ey w ords:MEMS;wafer level package(WL P);benzocyclobutene(BC B);lithography;hermetic DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2010.10.009 EEACC:2550
0 引 言
圆片级封装已经成为M EMS技术发展和实用化的关键技术,其主要原因可以概括为以下几个方面:M EMS器件一般都具有感应外界信号的可动部件或者悬空结构,如薄膜或者微梁,大部分元件还具有Si杯空腔或高深宽比的立体结构,这些可动部件和立体结构需要足够大的空腔作为运动空间,同时还要防止灰尘、潮气和液体的进入。而圆片级封装既能够提供满足器件要求的超净空腔,同时还可以实现对MEMS器件内部气氛的调整,提高器件的性能,利于减小总体尺寸和降低封装成本,
收稿日期:2010-05-20
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)重大课题项目(2009AA04Z323);国际科技合作项目(2010DFAL2590) E2m ail:he_ht@https://www.360docs.net/doc/7215381218.html,
缩短推向市场的时间周期;另外,圆片级封装是实现多芯片3D立体集成的基础,符合SIP技术延伸的发展趋势。
实现圆片级封装的技术手段有多种,但是最关键和最主要的工艺步骤就是圆片键合工艺。对其要求是具有全封闭性,以防止湿气污染致使微结构失效;具有尽可能低的工艺温度过程,避免高温引起器件的失效或者性能退化;较低的应力,避免应力因素对器件的性能产生不利影响[1-2]。
国内外采用的圆片键合手段很多,主要有阳极键合、Si直接键合、玻璃熔封键合、共晶键合、热压键合和粘接键合等。阳极键合是通过在Si和玻璃间加电形成场助键合,键合温度300～600℃,特点是强度高,具有气密性,缺点是应力匹配较差。Si直接键合是Si片和Si片间通过热退火形成Si—O—Si共价键,形成键合,温度在1000℃左右。优点是键合强度高,气密性和应力匹配性好;缺点是键合温度高,对表面要求极高,键合难度较大。玻璃熔封键合采用玻璃料作为中间键合介质完成键合,键合温度400～600℃,特点是气密,工艺简单,缺点是键合温度较高,图形化精度不高。共晶键合利用冶金相变形成键合,键合温度较低,特点是残余应力小,图形化容易实现且精度高。固态热压键合和扩散键合特点类似于共晶键合,二者之间区别在于是否会形成合金,但是对表面质量要求较高,需要较大压力和较高温度。粘接键合是使用有机类材料,如环氧树脂或低k介电材料作为中间封装材料进行键合。具有便于应用、低材料成本、有足够的强度和渗透率、键合温度低以及工艺简单等优点,缺点是面对严格的可靠性试验时会存在较大的技术难度。
通过以上分析可以看出,目前采用中间介质进行键合,对表面要求不高、工艺简单且密封性良好的技术最具备应用前景。金属共晶、热压键合和粘接键合成为主流发展技术。
本文使用BCB进行M EMS传感器的粘接键合工艺试验,解决圆片级封装问题,计划采用国家标准完成考核,达到密封结果。
1 材料选择和特点
通过了解技术背景和常规的几种圆片键合手段,本文提出使用BCB材料实现不同圆片之间键合的技术路线,从技术范畴上讲属于粘接键合的一种。
BCB材料是由美国道化学公司研制,采用在高分子材料中混入一定比例Si粉的方法形成的一种特殊材料。微电子器件工艺过程中通常用作器件外部的钝化层,也用作集成电路多层布线结构的介质隔离层。虽然是有机材料,但是从性质上接近无机介质,强度高,热稳定性良好,同Si材料的匹配较好,微波性能良好。
早期的3000系列BCB材料属于非光敏材料,图形化需要附加光刻和刻蚀工艺步骤。新型的4000系列材料(材料特性见表1)[3],本身具备光敏特性,对G线和I线等较宽范围的光线都敏感,便于直接通过光刻形成图形,进一步简化了工艺,提高了适用性。所以,采用4000系列的新型BCB 材料作为圆片键合中介层,从其本身特性分析,可以实现较高的键合强度,良好的密封性,与Si匹配较好,内应力低,而且其固化温度低,可以实现低温键合,兼有制造工艺简单、工艺兼容性好等优点,可以满足一般的M EMS器件圆片级密封要求,具有比较广的应用范围[4]。
表1 4000系列BCB材料特性
Table1 BCB4000series specification
机械、电、热特性参数数值
介电常数k2.65(@1k Hz～20GHz)
耗散因子D0.0008击穿电压V B/(MV?cm-1)5.3
漏电流J/(A?cm-2)4.7×10-10(@1MV/cm)
体电阻率ρ/(Ω?cm)1×1010热导率λ/(W?m-1?K-1)0.29(@24℃)
热稳定性质量损失W L/(%?h-1)1.7(@350℃)热膨胀系数C T E/℃-142×10-6(@25℃)
玻璃转换温度T g/℃>350
拉伸模量E/GPa2.9±0.2
抗张强度σb/MPa87±9
断裂伸长率(Δl/l)/%8±2.5
泊松比ν0.34
S i表面应力σ/MPa(28±2)(@25℃)
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2 结构和工艺设计
目前,主要有两种圆片级封装结构形式:一种是直接把密封环放在M EMS 敏感结构的周围,通
过布线穿过密封环引出电信号,如图1(a )所示;另一种是采用通孔实现电信号导出,外围加密封环的结构,如图1(b )所示。通过比较,图1(a )结构简单、工艺容易实现,突出体现了BCB 键合的优势,本文选用了这种结构形式[5-6]
。
图1 圆片级封装结构示意图
Fig 11 Schematic structure of t he WL P
本文选用的方案虽然结构简单,但是为了实现电信号的输出,电导线势必通过密封环结构,这时就要求有介质层隔离,或者密封环结构本身就是绝缘的,而BCB 材料本身的绝缘特性恰好满足了设计需求,进一步简化了工艺步骤,这也是采用BCB 作为键合层的原因之一。
工艺过程[7-9]如下:
a )盖板选用Si 材料或者Perex 7740#玻璃片都可以,如果是Si 材料,为了保证绝缘或者电性能,需要先热生长400～800nm 厚的氧化层。
b )圆片表面前处理,通过A P 3000处理液和烘烤,达到增强粘附性的目的。
c )旋涂BCB 材料时,既要保证均匀性,还需要按照设计的台阶高度设置工艺条件,具体到本文的结构设计,在压阻器件中考虑到阻尼影响,设置BCB 膜厚度为10μm 。
d )按照对应的膜厚设置曝光和显影条件,显
影后形成键合图形。
e )后烘。
f )清除残胶工艺。由于BCB 表面的残留物对
键合影响很大,所以必须使用等离子刻蚀工艺清
除,达到平整光洁的表面。
g )表面处理技术。主要是进行键合层薄膜的工艺处理和表面激活,使键合更容易完成。
h )圆片对准。通过光刻机的拍照记忆存储圆片一面图形,另一圆片据此对准,夹具中间放置隔离片,以便控制芯片内部气氛,在下一步预键合后才撤出隔离片。
i )进行键合。为了保证产生最小化内应力,键合程序分为升温、恒温、再升温、固化、编程降温几个阶段,同时还要控制工艺腔体内部压力,控制管芯内部氛围。
j )划片。
k )裂片。
通过以上工艺设计,看出BCB 键合的主要技术难点是表面处理和确定键合工艺条件。主要解决途径有:使用专用处理剂处理表面,加入专门的刻蚀程序改善键合表面,试验摸索专门的键合工艺条
件。
3 工艺实验
实际工艺中,选用直径76mm (3英寸)玻璃片进行BCB 圆片封装试验,工艺版图选用一种惯性压阻类传感器版图,通过它来检验封装后的结
果。其剖面结构如图1(a ),俯视版图如图2所示,中间阴影区为键合位置
。
图2 俯视版图
Fig 12 Layout of t he chip
具体工艺中,参考BCB 材料特性的一些参数,设定了需要的工艺参数。例如考虑到设计需要,盖板同下面的可动结构之间具有10μm 间隙,最好
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的办法是键合层最终具有10μm厚度,这样盖板和结构层上就不用作任何附加工艺了,表2列出了BCB黏稠度(μ)和固化后的厚度(d)的关系。
表2 BCB黏稠度及固化后的厚度关系列表Table2 Relationship of BCB viscosity and the
thickness after curing
BCB材料型号μ/cp d/μm XU35133340.8～1.8
XU35132961.8～3.6
4022-351922.5～5.0
4024-403503.5～7.5
4026-4611007.0～14.0
XU35075195015～30
通过查表,选用4026-46型BCB材料,不同旋涂转速与BCB膜厚关系见表3。
表3 4026-46型BCB转速与膜厚度关系Table3 Relationship of BCB revolving speed of4026-46 series and the film thickness
νr/(r?min-1)
d/μm
前烘后固化后
150018.514.2
200015.211.6
250013.310.2
300012.29.4
350011.38.7
400010.68.1
50009.47.3
实际工艺参数如下:
1)盖板选用76mm Perex7740#玻璃片,厚度300μm,双面抛光。
2)对玻璃片进行表面处理。旋涂A P3000处理液,110℃条件下烘烤1min。
3)设定旋涂BCB工艺程序,首先100r/min,工艺时间20s;转速提高到500r/min,时间20s;最后设定为2500r/min,时间1min。
4)在85℃下预烘2min,膜厚为12～13μm,依据表2参数设置曝光条件,光刻机光强为60mJ/(cm2?μm),经计算设置曝光量为800mJ;在75℃下后烘2min。
5)使用DS2100显影液,500r/min转10s显影后,3000r/min转30s甩净残余液体,形成键合图形。
6)由于BCB中含有Si成分,一般的等离子取出残余物过程中,留下Si粉,阻止反应继续进行,所以必须使用特设工艺方法刻蚀,得到光洁表面[10]。
作者编制了特殊的RIE程序,通入一定量的F 基气体,保证匀速刻蚀掉表面的Si。
工艺后经过台阶仪测试,结果表明BCB表面粗糙度达到了纳米尺度。
7)玻璃片表面处理,主要是进行键合层薄膜的工艺处理和表面激活。
8)圆片对准,在SU SS MA6光刻机上进行对准。
9)键合,使用SU SS SB6键合设备进行键合工艺。从室温升温到170℃,恒温5min,继续升温到250℃,保持30min,然后开始降温至180℃保温3min,继续降温至50℃,取片。
10)划片。
11)裂片。
最终加工出样品的扫描电镜图如图3所示
。
图3 圆片封装压阻传感器SEM图片
Fig13 SEM image of t he WL P piezoresistance sensor
4 测试及其结果
因为圆片级封装技术属于比较新兴的技术,国内没有对应的检验标准,作者依据针对管壳级封装的G JB548A标准对芯片的键合强度与密封性能进行了检测。
411 键合强度检测
采用固定管芯下部,使用铲刀推动最上层的封
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接盖帽,测试需要的推力。测试设备为DA GE4000焊接强度和剪切强度测试仪。样品数量10只,测试温度25℃,湿度40%R H,测试结果如表4。
表4 剪切强度测试结果
Table4 Test results of the shear strength stress
样品号剪切力F/N类型分级1121.9316合格4
250.0486合格4
3112.504合格4
4128.9876合格4
5108.29合格4
6108.0058合格4
799.3818合格4
8112.9548合格4
991.826合格4
1074.6172合格4
通过表4可以看出,芯片最小剪切力达到了5010486N,最大剪切力达到12819876N,经计算平均剪切力为10018518N,标准方差为23152N。
412 密封检测技术
圆片级封装后的芯片内部的密封检测是评测封装水平的重要手段。漏率测试可采用常规的检漏仪器进行测试,即微电子封装中的粗检漏和细检漏技术。
粗检漏时使用测试设备为H F-4氦气氟油加压检漏装置,样品数量20只,测试温度30℃,湿度50%R H,测试时85℃下施加411kPa压力,加压时间2h。测试结果表明,样品均未出现冒泡现象。
细检漏时使用测试设备为ZHP-30D氦质谱检漏仪,样品数量20只,测试时25℃,湿度40%R H下,测试压力设为(413±1)kPa,时间2h。测试结果实际漏率小于5×10-3Pa?cm3/s。
最终芯片经过测试达到了M IL2STD2883 M ET HOD1014111测试标准的要求。
413 键合后圆片变形测试
这部分测试结果反映了圆片键合工艺后的整体应力情况。采用Mahr2100电感比较仪对键合后的圆片进行了变形测试,其精度2μm。具体测试办法如图4
。
图4 比较法测试圆片变形度
Fig14 Comparison test for t he wafer deformation degree
按照经验公式,应力正比于变形度,即正比于D1与D2的差值变化。进行推算,目前以76mm片为标准,Si2玻璃键合后的变形程度为30～50μm,而使用BC B键合的圆片变形度小于10μm。所以, BC B键合对于控制工艺应力具备很大优势。
5 结 论
通过工艺实验,使用4026-46型BCB材料成功实现了圆片级键合。按照G JB548A进行了测试和分析,达到密封封装的标准要求。由于键合温度低,仅在250℃就可以完成,而且应力匹配较好,键合后圆片变形很小。本文提出的圆片级封装办法具备了工艺简单、密封性能较高、内应力低等特点,可以广泛地应用在多种M EMS器件的制造中,对于促进M EMS技术的实用化具有重要意义。
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