轉自半導體封裝工程師之家

近年來，隨著MEMS技術的發展，大量的MEMS器件實現了商業化應用。由于MEMS器件大都存在薄膜可動結構，為了提高器件的可靠性，MEMS封裝是MEMS設計與制造中的關鍵因素之一，開發出低成本、高可靠性的圓片級封裝技術將進一步推廣MEMS產品市場化的應用范圍。MEMS器件的封裝還與傳統的電子元器件封裝不同，傳統的微電子封裝方法很難直接應用，尤其是針對于一些高性能要求的MEMS器件，大都對于封裝的氣密性有著特殊的要求。MEMS圓片級氣密和真空封裝不僅能防止外部環境（如后序工藝帶來的沾污和環境氣氛）等對內部器件的影響，還能防止外界不可控因素對MEMS器件內部可動或易碎結構的破壞，并且在真空或充壓環境下進行氣密封裝還可以提高多種MEMS器件的性能，如MEMS陀螺儀就必須要求真空封裝以提高諧振器的品質因數Ｑ值，因此采用最佳的封裝形式能夠使MEMS產品發揮出應有的功能。

目前，MEMS圓片級氣密性封裝常采用硅／玻璃靜電鍵合、硅／硅直接鍵合、金屬熱壓鍵合以及金屬焊料鍵合４種鍵合方式實現。靜電鍵合工藝簡單，容易實現硅和玻璃之間的高強度鍵合，但是鍵合所需電壓（約１０００Ｖ）較高，高電壓會限制這種鍵合技術的應用，對某些MEMS器件的性能產生影響，也不適于在ＣＭＯＳ集成傳感器中應用；硅／硅直接鍵合通常應用于ＳＯＩ材料的制備，這種鍵合技術鍵合強度大，鍵合表面平整度和顆粒度要求高，所需溫度高（＞１０００℃），以至于這種鍵合技術無法實現帶金屬鍵合，應用面較小；熱壓鍵合需要較高的鍵合溫度與壓力，而且對金屬表面粗糙度和硬度也有特殊要求。金屬焊料鍵合具有鍵合溫度低，受表面粗糙度影響很小，適于批量的氣密封裝，其還具有物理特性良好、導熱性好、強度高、無需助焊劑以及低黏滯性等優點，廣泛應用于半導體器件的芯片粘結。Ａｕ／Ｓｎ共晶鍵合速度快，鍵合時Ｓｎ出現瞬態液相降低了對表面平坦度的要求，本文采用Ａｕ／Ｓｎ共晶鍵合技術實現了MEMS圓片級氣密封裝。設計了鍵合多層材料結構和密封環圖形，進行了鍵合工藝優化研究，并且進行了可靠性測試，利用該技術實現了MEMS晶圓級氣密性封裝。

１封裝設計與制造

1.1 Au/Sn合金

Au/Sn合金是半導體后道管殼級封裝中常用的焊料之一，常用的合金質量分數分別為80％的Au和20％的Sn，這種成分比例的Au/Sn焊料能夠在280℃下形成共晶和金，在合金溫度點附近，主要包括Au5Sn相和AuSn相。

１.2封裝設計加工

圖１（ａ）給出了鍵合環的尺寸：線寬700μｍ，環內面積4.5mm×4.5mm。圖１（ｂ）給出了設計的Au/Sn多層結構，蓋帽層采用Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｓｎ／Ａｕ結構，Ｔｉ作為金屬與硅襯底的黏附層，Ｎｉ作為擴散阻擋層和焊料的浸潤層。由于Ｓｎ在大氣環境下容易氧化，在Ｓｎ的表面淀積一層Ａｕ作為鈍化層，器件層采用Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ結構，對于Ａｕ／Ｓｎ合金，Ａｕ／Ｓｎ的比例將決定了金屬間化合物的組合，金屬間化合物的特性決定了鍵合的質量，比例的變化將導致膜組成發生變化而脫離共融數值，從而降低鍵合特性。因此電鍍Ａｕ和Ｓｎ層的厚度嚴格按照質量分數分別為８０％的Ａｕ和２０％的Ｓｎ。

在鍵合的過程中，兩層硅片靠靜態的壓力實現緊密接觸，鍵合的環境必須在真空或惰性氣體下，以防止Ｓｎ氧化影響鍵合的效果。加熱的峰值溫度為３００℃，持續時間２ｍｉｎ，由于Ａｕ／Ｓｎ合金的共熔溫度為２８０℃，略高于共熔溫度是為了保證焊料的充分互熔，由于峰值溫度遠高于Ｓｎ的熔點（２３１．９℃）。在升溫的過程中，界面的Ｓｎ首先熔化，熔化的Ｓｎ溶解了兩面接觸的Ａｕ，實現了金屬間的互熔，降溫時通入氮氣加速冷卻，快速降溫有利于生成的金屬間化合物更小、結構更致密，最后將鍵合完成的硅片按照器件的尺寸劃片形成獨立的芯片單元，管芯照片如圖２所示。

２封裝結果分析

２．1鍵合界面分析

共晶鍵合的質量和可靠性很大程度上依賴于界面金屬化合物的組合以及微結構。金屬化合物的組合由鍵合材料的比例以及鍵合條件（如鍵合溫度）決定，如果鍵合溫度較低，形成的化合物組分大都由ＡｕＳｎ２與ＡｕＳｎ４構成，這兩種金屬間化合物很脆，鍵合強度低，無法滿足氣密性封裝的要求；其次，在鍵合圓片的解剖分析中發現，Ａｕ／Ｓｎ鍵合界面容易出現空洞（圖３），在鍵合界面的位置附近出現了１～５μｍ的一些孔洞，通過分析認為鍵合界面空洞的形成與鍵合表面狀況和合金比例的改變有很大關系。例如，鍵合表面狀態（如焊料氧化）和有機與無機沾污將影響Ａｕ與Ｓｎ之間的相互擴散，致使焊料界面出現非均勻性的合金，導致鍵合界面缺陷的形成。

采用氮氣與氧氣等離子清洗相結合的前處理方法能夠有效去除無機與有機沾污，得到一個清潔的鍵合表面。氮氣清洗屬于物理清洗方法，去除表面吸附的顆粒以及無機物；氧氣清洗屬于化學清洗方法，采用微波氧氣等離子體，通過微波提高氧活性和等離子體密度，與金屬表面的有機物迅速反應去除殘留的有機沾污。除此之外，同時使用氮氣與氧氣等離子處理能夠顯著改善鍵合面金屬的表面性質，提高金錫焊料的浸潤性，減少界面空洞的形成。圖４顯示了鍵合前采用優化等離子前處理后的Ａｕ／Ｓｎ鍵合界面，從ＳＥＭ截面圖可以看見合金層致密，無空洞現象。

同時，采用ＳＥＭ對界面金屬進行了成分分析，通過光譜可以確定界面共晶體的化學成分，判斷化合物組分構成形式。分析結果如圖５和表１所示（表中ｗ為質量分數，ｘ為原子數分數），從分析結果可以得到Ａｕ和Ｓｎ的原子數分數之比為２．９，通過原子數分數之比可以認為Ａｕ／Ｓｎ共晶界面主要由ξ相（ＡｕＳｎ）與ξ＇相（Ａｕ５Ｓｎ）構成，符合Ａｕ／Ｓｎ共晶點化合物組分構成。

２.２翹曲測試

由于大多數MEMS器件具有精密的可動結構，它們對于應力比較敏感，應力可以致使結構變形，影響器件的性能。圓片級封裝可能帶來較大的應力，封裝類型和封裝條件等參數都對應力有著較大的影響，例如硅玻璃鍵合由于封裝材料類型差別造成熱膨脹系數不匹配，圓片變形通常大于50μｍ。因此應力是MEMS圓片級封裝監控的一個重要參數，共晶鍵合由于蓋板以及結構層都是硅材料，因此熱應力相對較小，工藝中通過優化共晶鍵合條件以及采用應力補償方法降低結構應力。鍵合完成后采用應力測試儀測試圓片翹曲，通過翹曲度來評估圓片鍵合應力的大小。圖６為Ａｕ／Ｓｎ圓片鍵合后翹曲度的測試曲線，橫坐標代表測試掃描距離（ｄ），４英寸（１英寸＝２.５４ｃｍ）圓片掃描距離為８０ｃｍ，縱坐標表示在對應掃描距離內圓片的變形量（δ），從圖中可得到翹曲度的測試結果為－２５．７５μｍ，相比于其他圓片級封裝來說翹曲度較小，滿足器件圓片級封裝應用要求。

２.３剪切力測試

對于封裝工藝檢驗來說，剪切強度是衡量封裝質量的一個重要指標。由于是圓片級封裝，從一個圓片上抽取封裝好的１０只管芯，檢測前先將管芯固定在平整的基板上。實驗依據標準條款為檢驗標準ＧＪＢ５４８Ａ。根據芯片面積以及鍵合環的尺寸，技術要求實測剪切力應達到的范圍要求值Ｆ≥５ｋｇ。表２給出了測試的結果。測試剪切力的平均值為１６．６６３ｋｇ，最小力為５．５０４ｋｇ，最大力為３１.８０３ｋｇ。從測試結果可以看出，雖然１０個管芯測試全部合格，但是鍵合強度差別較大，有４個管芯強度小于１０ｋｇ。分析原因主要由兩個方面引起：Ａｕ／Ｓｎ電鍍厚度的不均勻性或者是金屬間互熔的不均勻性造成了金屬間化合物組分的變化，影響了剪切力的強度；表面處理的不均勻性使界面性質有差別。因此，封裝工藝條件還需要進一步優化。

２.４氣密性測試

根據檢驗標準（ＧＪＢ５４８Ａ）定義方法對鍵合的１０只管芯進行氣密性測試。首先進行細檢，采用ＺＨＰ－３０Ｄ氦質譜檢漏儀，樣品在４×１０５Ｐａ的氦氣罐中保壓２ｈ，取出后用檢漏儀測量漏率，技術要求樣品的實際漏率（＜２×１０－３Ｐａ·ｃｍ３／ｓ）小于規范要求漏率值（５×１０－３Ｐａ·ｃｍ３／ｓ）。抽檢的樣品滿足細檢條件。

上一步細檢合格后的全部樣品進入下一步氟油粗檢，測試設備采用ＨＦ－４型氦氣氟油加壓檢漏裝置，樣品被輕氟油浸沒后在４×１０５Ｐａ的氦氣罐中保壓２ｈ，然后浸入８５℃的重氟油中，技術要求實驗過程中觀察樣品表面不應出現連續不斷的冒泡現象或從同一點產生兩個或多個大氣泡，結果顯示抽檢樣品全部合格。

３結論

基于Ａｕ／Ｓｎ共晶鍵合原理與MEMS器件的要求，設計了鍵合多層金屬結構以及封裝圖形，進行了共晶鍵合工藝的研究，通過實驗分析與工藝優化，提高了鍵合的一致性，避免了沾污引起的界面空洞，提高了鍵合的質量，取得了較好的封裝效果。剪切力和氣密性滿足檢驗標準（ＧＪＢ５４８Ａ）的技術要求，為Ａｕ／Ｓｎ共晶鍵合技術在MEMS圓片級氣密性封裝中的實用化打下良好的基礎。

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