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。     

内置皮拉尼计的硅通孔圆片级MEMS真空封装研究

针对现有的圆片级真空封装存在检测难、易泄漏等问题,提出了内置皮拉尼计的硅通孔圆片级MEMS真空封装方法。研制了用于圆片级真空封装导线互连的硅通孔,探讨了玻璃盖板与硅圆片之间阳极键合工艺与硅圆片与硅圆片之间的金硅共晶键合工艺,研制了用于检测封装壳体内部真空度的皮拉尼计; 研制了内置皮拉尼计的4英寸硅通孔圆片级真空封装,研制了低温激活非蒸散型吸气剂。实验研究表明,该研究解决了长时间保持真空度的问题。     

一种基于Au-In共晶的低温键合技术

介绍了Au-In键合在MEMS芯片封装中的应用.根据现有的工艺设备和实验条件对制备铟凸点阵列进行了工艺设计,对铟凸点制备技术进行了研究,最终在硅圆片上制备了6 μm高的铟凸点阵列.在150～300 ℃下成功地进行了Au-In倒装键合实验.在300 ℃,0.3 MPa压力下键合的剪切强度达到了5 MPa.     

玻璃浆料键合中的孔洞抑制和微复合调控

提出了包含三步式排泡过程的预烧结工艺以及双凹凼-凸台的微复合键合结构方案,以便有效控制玻璃浆料层中的孔洞生成并精确控制键合间隙。预烧结工艺涉及的三步式排泡包含玻璃液形成、真空排泡与孔洞流平3个过程,该过程有效地排除了气泡,从而抑制了键合中间层中的孔洞形成,其工艺的重复性和鲁棒性很强。微复合键合结构中的内外凹凼用于有效控制多余的熔融的玻璃浆料的流动路径,避免其对封装结构的污染;微阻挡凸台则可以精确地将玻璃浆料层的厚度即键合间隙控制到凸台高度。对键合性能的测试表明,该方案简单有效,键合强度和气密性良好,键合间隙为10.1μm,键合强度为19.07 MPa,键合漏率小于5×10-9 Pa·m3/s。     

谐振式MEMS压力传感器的制作及圆片级真空封装

为了提高传感器的品质因数,有效保护谐振器,提出了一种基于绝缘体上硅(SOI)-玻璃阳极键合工艺的谐振式微电子机械系统(MEMS)压力传感器的制作及真空封装方法。该方法采用反应离子深刻蚀技术(DRIE),分别在SOI晶圆的低电阻率器件层和基底层上制作H型谐振梁与压力敏感膜;然后,通过氢氟酸缓冲液腐蚀SOI晶圆的二氧化硅层释放可动结构。最后,利用精密机械加工技术在Pyrex玻璃圆片上制作空腔和电连接通孔,通过硅-玻璃阳极键合实现谐振梁的圆片级真空封装和电连接,成功地将谐振器封装在真空参考腔中。对传感器的性能测试表明:该真空封装方案简单有效,封装气密性良好;传感器在10kPa~110kPa的差分检测灵敏度约为10.66 Hz/hPa,线性相关系数为0.99999 542。     

多功能真空键合设备的研制

基于圆片键合技术，设计了一种在真空条件下进行圆片键合的工艺设备。在该设备的基础上，进行了阳极键合与金硅键合2种典型的键合试验，键合出来的样品结合强度高而且没有缺陷，验证了该设备的实用性。     

MEMS封装中阳极键合技术的影响因素研究和设计因素分析

结合MEMS气密性封装的需要,以玻璃与硅晶片阳极键合为例,给出阳极键合的封装工艺,从键合机理的角度研究了玻璃与硅阳极键合的影响因素,并就玻璃与硅阳极键合的设计因素做了分析,得到直径为100mm的Pyrex7740玻璃晶片和硅晶片在键合温度为500℃时,硅晶片的径向应力σrr=134.29MPa;键合后晶片的径向膨胀μ=0.1274mm。     

基于Ag-Sn焊片共晶键合的MEMS气密性封装

研究了在MEMS气密性封装中基于Ag-Sn焊片的共晶键合技术。设计了共晶键合多层材料的结构和密封环图形,在221℃实现了良好的键合效果,充N2保护的键合环境下,平均剪切强度达到9.4 MPa.三个月前后气密性对比实验表明氦泄漏不超过5×10-4Pa.cm3/s,满足GJB548B—2005标准规定,验证了Ag-Sn共晶键合技术在MEMS气密封装中应用的可行性。     

PDMS基体等离子法键合工艺及效果分析

为探究聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体在等离子法下以不同工艺参数处理及处理后在不同键合时间,键合加载压力下的PDMS-PDMS键合效果,设计进行了3因素4水平正交试验及对比试验。试验结果表明:因素影响从主到次的顺序为空气流量、改性时间、射频功率,得到快速不可逆键合(键合5 min)工艺参数:400 W,2.5 L/min,2 min;中、高射频功率(300 W以上)键合10 h键合效果达到实验要求,低射频功率(200 W以下)键合超过24 h仍未达到试验要求;当键合加载压力超过0.4 MPa时,键合效果显著提升。     

基于超声振动的阳极键合试验台设计

基于超声振动理论,针对当前阳极键合面临的键合温度较高、易产生残余应力对器件结构造成破坏等问题,在分析超声在机械加工中的应用后,创造性地将超声振动应用到MEMS封装中的阳极键合工艺中来,设计了一种键合强度高、试验温度低、结构简单、工作可靠的超声振动阳极键合试验台,为研制超声振动阳极键合机奠定了坚实基础,对于缩短阳极键合时间、降低阳极键合所需温度、提高MEMS器件的键合性能、满足实际生产需要具有重要意义。     

MEMS器件真空封装工艺、装备及真空度检测的研究

开发了一台利用电阻焊实现MEMS器件真空封装的设备，探索了内部真空度在10Pa以下的MEMS器件的真空封装工艺，即一次压力为0．4MPa、二次压力为0．6MPa、充电电压为325V时封装质量最好；研究了一种利用晶振测量真空度的方法，经试验，至少经两天老化后晶振的共振频率才能稳定；对7个真空封装器件进行高低温循环试验，其中有5个器件的真空度在三天后还保持在10Pa以下且趋于稳定，成品率达到71．43％。     

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1.175×10-8Pa·m3/s.     

面向即时检测芯片超声波精密键合的熔接结构及工艺参数

针对芯片即时检测(POCT)芯片对键合精度、键合强度、生产效率和生物兼容性的要求,基于超声波键合技术设计了结构化的导能筋布置形式和阻熔导能接头结构。研究了超声波键合时间和键合压力对微通道高度保持性能的影响,确定了精密超声波键合工艺参数。利用高精度显微镜、拉伸试验机和羊全血分别对键合后芯片的微通道高度、键合强度、微通道密闭性以及液体自驱动性能进行了测试。结果表明:所设计的导能筋布置形式合理可靠;利于芯片各功能的集成,阻熔导能接头结构能够较精确地控制键合后微通道的高度,键合精度达到2μm;全血驱动时间的极差在20s以内;所确定的键合工艺参数能够实现高强度的键合,键合强度不小于2.5 MPa。该熔接结构及工艺参数具有键合精度高、键合强度高、生物兼容性好和熔接均匀等优点,可应用于医用POCT芯片产品中。     

高温高湿环境对键合Cu线可靠性影响的研究

通过高温存储试验和高压蒸煮试验对铜线键合器件在高温高湿环境下的可靠性进行研究,分析试验前后键合球剪切力和键合球拉力的变化,利用扫描电镜、透射电镜观察试验前后键合界面形貌及金属间化合物类型,采用能谱仪对试验前后键合界面的成分进行分析。研究结果表明,键合初期,Cu/Al键合界面没有生成Cu、Al金属间化合物,键合界面具有一定的连接强度;高温存储试验后,Cu/Al键合界面生成CuAl、Cu_9Al_4金属间化合物,连接强度增加;高压蒸煮试验后,Cu/Al键合界面的Cu_9Al_4金属间化合物消失,键合界面由于卤素原子的加入使周围环境呈现弱酸性,Cu9Al4金属间化合物在该环境下被腐蚀,其反应式为Cu_9Al_4+12Br-~=4AlBr_3+9Cu +12e~-,键合界面出现孔洞,键合界面强度减小,降低了器件的可靠性。     

压电喷墨打印头聚合物喷孔制作工艺研究

描述了一种压电喷墨打印头SU-8光刻胶锥形喷孔的制作方法。该方法基于接近式曝光工艺和键合工艺,首先在PDMS基底上旋涂SU-8光刻胶,通过控制曝光量、曝光间隙、后烘、显影等工艺参数,得到带有微小锥形喷孔的SU-8光刻胶喷孔板,再将喷孔板与SU-8光刻胶开放腔室层键合,形成压电喷墨打印头腔室。采用耦合压电物理场和层流流场的方法,数值模拟了喷孔形状对喷墨速度的影响,确定了最佳喷孔形状。通过实验,确定了制作SU-8锥形喷孔的工艺参数为:曝光量110 m J/cm2,曝光间隙110μm,后烘60℃、15 min和显影时间3.5 min;并采用30μm孔径的掩模,制作出了大孔孔径30μm、小孔孔径20μm、孔高45μm的SU-8光刻胶微小锥形喷孔。     

PC微流控芯片黏接筋与溶剂的协同辅助键合

为了在微流控芯片上形成封闭的微通道等功能单元,克服热压键合中微流控结构的塌陷和热压所致芯片微翘曲对后续键合的影响,提出了一种适用于硬质聚合物微流控芯片的黏接筋与溶剂协同辅助的键合方法。以聚碳酸酯(PC)微流控芯片为研究对象,通过热压法在PC微流控芯片上的微通道两侧制作凸起的黏接筋,通过化学溶剂丙酮微溶PC圆片的表面,然后将PC圆片与带有黏接筋的PC微流控芯片贴合、加压、加热,从而实现微流控芯片的键合。分析了键合机理,并对键合工艺参数进行了优化。实验结果表明:键合质量受丙酮溶剂溶解PC圆片的时间和键合温度的影响,能够保证键合质量的最佳键合温度为80~90°,溶解时间为35~45s,芯片的键合总耗时为3min。与已有键合工艺相比,所提出的黏接筋与溶剂辅助键合工艺有效提高了键合效率。该键合方法不仅适用于具有不同宽度尺寸微通道的微流控芯片,还可扩展用于不同材料的硬质聚合物微流控芯片。     

基于硅-玻璃键合工艺的微惯性器件的材料热失配应力表征

基于硅-玻璃键合工艺实现敏感结构和衬底相接是微惯性器件的主流工艺方案之一。硅和玻璃热膨胀系数不同,在惯性器件环境工作温度发生变化时,硅玻璃接触表面会产生热应力,该应力严重影响器件的性能。为了测量异质材料间的热失配应力以及键合锚点尺寸对应力的影响,本文提出了一种以悬臂梁作为测试结构的锚点形变测量和数据处理方法,用于表征器件的工艺热失配应力。根据仿真结果将锚点设计成切块形式以减小最大应力和结构形变。测试结果表明,对于边长为600, 400和200μm的锚点,悬臂梁相对锚点的平均离面位移分别为0.43,0.30和0.20 nm/℃;结果具有良好的重复性。该结果说明锚点热形变与锚点的大小直接相关,这对MEMS惯性结构以及工艺设计改进具有重要的意义。     

表面处理对碳化硅直接键合的影响研究

SiC的直接键合对于许多应用于高温环境的MEMS微器件有着非常重要的应用价值,但是晶片的表面处理是影响SiC直接键合的关键因素。设计中采用改进后的湿法清洗方法和等离子体处理对晶片表面进行处理;从而得到满足直接键合的洁净度和粗糙度。最后利用热压法实现了SiC的直接键合,并且估计其键合能为14.47 MPa。     

辅助溶剂对PMMA微流控芯片模内键合的影响

为了提高聚合物微流控芯片的键合效率,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片为对象,以微型注塑机为平台,研究了聚合物模内键合方法.利用注塑机提供的合模力作为键合力,利用模温机提供键合温度,选择异丙醇作为辅助溶剂,借助溶剂溶解特性来降低模内键合中的键合温度和压力.在30～70℃,用测量显微镜和台阶仪测试分析了不同键合温度条件下,辅助溶剂对芯片的表面形貌和微通道结构的影响;利用辅助溶剂进行模内键合实验,用电子万能实验机测试了芯片的键合强度,对模内键合工艺参数进行了优化.结果表明:异丙醇对键合质量的影响与键合温度、键合时间有关,在较高温度下会使芯片产生皲裂、微沟槽变形和堵塞;在键合温度为35℃,键合时间为5 min时,芯片的表面质量和微沟槽形貌较完整,键合强度不小于2.64 MPa.     

压电PZT薄膜上超细电极的制备

压电PZT薄膜具有横向压电系数大,与MEMS工艺兼容性高等优点,在制作以压电PZT薄膜为核心的MEMS器件,如压电应力光开关时,需要将电极宽度缩小至10μm,甚至5μm,但长度仍需保持在8000μm,电极长宽比达1600:1.针对目前MEMS器件应用需求,提出使用双层光刻胶剥离法来实现超细电极的制备,使用溶胶凝胶法制备压电PZT薄膜作为电极沉积衬底,研究了电极剥离的工艺流程并对电极进行性能测试.结果表明,双层光刻胶剥离法可以在溶胶凝胶法制备的压电PZT薄膜上制备长8000μm、宽5μm的电极,电极剥离完全,图形完整,可以实现双端导通.