一种基于Ag-Sn等温凝固的圆片键合技术

研究了用Ag-Sn作为键合中间层的圆片健合。相对于成熟的Au-Sn键合系统(典型键合温度是280℃),该系统可以提供更低成本、更高键合后分离(De-Bonding)温度的圆片级键合方案。使用直径为100mm硅片,盖板硅片上溅射多层金属Ti/Ni/Sn/Au,利用Lift-off工艺来形成图形。基板硅片上溅射Ti/Ni/Au/Ag。硅片制备好后,将盖板和基板叠放在一起送入键合机进行键合。键合过程在N2气氛中进行,键合过程中不需要使用助焊剂。研究了不同键合参数,如键合压力、温度等对键合结果的影响。剪切强度测试表明样品的剪切强度平均在55.17MPa。TMA测试表明键合后分离温度可以控制在500℃左右。He泄漏测试证明封接的气密性极好。     

应用于三维集成的金铟键合技术研究

由于埋置芯片耐受温度的限制,圆片级低温键合技术是MEMS三维集成的关键工艺之一。金属In凭借自身熔点低而金属间化合物（Intermetallic compound, IMC）熔点高且性质稳定的特点,使得Au-In固液扩散键合法成为颇具前景的低温键合技术之一。本文采用Au-In二元共晶化合物进行圆片级低温键合,在键合衬底上先后制备了0.4μm的SiO/SiN介质层、3.5μm的Au层和1.7μm的In层,然后分别研究了先预加热键合极板再贴合圆片和先贴合再加热两种键合方式。电性能测试、An/In组分分析和剪切试验结果表明：先贴合再加热的键合样品芯片形成了性质稳定的IMC组分,具有良好的电学互连特性稳定性,且剪切强度达到100 MPa。一定样本容量的实验结果证明隔绝键合前Au-In的相互扩散能够有效增强键合的可靠性。     

压阻加速度计的Au-Si共晶键合

通过将压阻加速度计上帽与结构片的键合(365℃保温10min),再进行下帽与结构片的键合(380±10℃保温20min),成功进行了三层键合.测得的键合强度约为230MPa.硅片-基体/SiO2/Cr/Au层和硅片之间键合时,SiO2溶解而形成CrSi2硅化物.共晶反应因Cr层而被推迟,键合温度高出共晶温度20℃左右,从而避免了由于Au元素向硅中扩入而造成的污染,进而避免可能造成的对集成微电子器件性能的影响.试验还证明硅基体-SiO2/Cr/Au/Poly-Si/Au键合层结构设计模型也遵循这一键合过程中的原子扩散理论.     

压阻加速度计的Au-Si共晶键合

通过将压阻加速度计上帽与结构片的键合 ( 36 5℃保温 10min) ,再进行下帽与结构片的键合 ( 380± 10℃保温2 0min) ,成功进行了三层键合 .测得的键合强度约为 2 30MPa.硅片 基体 /SiO2 /Cr/Au层和硅片之间键合时 ,SiO2 溶解而形成CrSi2 硅化物 .共晶反应因Cr层而被推迟 ,键合温度高出共晶温度 2 0℃左右 ,从而避免了由于Au元素向硅中扩入而造成的污染 ,进而避免可能造成的对集成微电子器件性能的影响 .试验还证明硅基体 SiO2 /Cr/Au/Poly Si/Au键合层结构设计模型也遵循这一键合过程中的原子扩散理论.     

Au/Sn共晶键合技术在MEMS封装中的应用

研究了Au/Sn共晶圆片键合技术在MEMS气密性封装中的应用。设计了共晶键合多层材料的结构和密封环图形,盖帽层采用Ti/Ni/Au/Sn/Au结构,器件层采用Ti/Ni/Au结构,盖帽层腔体尺寸为4.5 mm×4.5 mm×20μm,Au/Sn环的宽度为700μm,优化了键合工艺,对影响气密性的因素(如组分配比、键合前处理和键合温度等)进行了分析。两层硅片在氮气气氛中靠静态的压力实现紧密接触。在峰值温度为300℃、持续时间为2 min的条件下实现了良好的键合效果,其剪切力平均值达到16.663 kg,漏率小于2×10-3 Pa·cm3/s,满足检验标准(GJB548A)的要求,验证了Au/Sn共晶键合技术在MEMS气密封装中的适用性。     

基于聚合物介质的低温硅硅键合研究

聚合物低温键合技术是MEMS器件圆片级封装的一项关键技术。以苯并环丁烯(BCB)、聚对二甲苯(Parylene)、聚酰亚胺(Polyimide)、有机玻璃(PMMA)作为键合介质,对键合的温度、压力、气氛、强度等工艺参数进行了研究,并分析了其优缺点。通过改变Parylene的旋涂、键合温度、键合压力、键合时间等工艺参数进行了优化实验。结果表明,在230 ℃的低温键合条件下封装后的MEMS器件具有良好的键合强度(＞3.600 MPa),可满足MEMS器件圆片级封装要求。     

利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414 ℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.     

利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414 ℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.     

玻璃中介硅圆片键合研究

研究了玻璃中介圆片键合的方法.当采用低转化温度的玻璃粉末为中介玻璃层时,可在410℃实现强度较好的硅圆片键合,而如果将温度提高到430℃,键合强度可以达到4MPa.     

基于金基钎料的毫米波T/R组件连接技术研究

介绍了对金锡(Au-Sn)及金锗(Au-Ge)二元合金相图、Au-Sn及Au-Ge钎料的综合性能,讨论了Au-Sn及Au-Ge钎料在芯片封装领域的应用.基于金基钎料(Au-Sn、Au-Ge)采用BTU烧结炉研究了毫米波T/R组件连接技术,研究了芯片共晶焊接技术和组件气密封装技术.试验结果表明,共晶焊接试验芯片通过X-ray检测焊透率高于95%,焊接接头剪切强度满足国军标要求;组件气密封装试验组件气密性达到10-10Pa·m3/s,毫米波T/R组件电性能测试满足设计要求.