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。     

芯片级原子器件MEMS碱金属蒸气腔室制作

提出了基于两步低温阳极键合工艺的碱金属蒸气腔室制作方法,用于实现原子钟、原子磁力计及原子陀螺仪等器件的芯片级集成.由微机电系统(MEMS)体硅工艺制备了腔室结构.首先采用标准工艺将刻蚀有腔室的硅圆片与Pyrex玻璃阳极键合成预成型腔室,然后引入氮缓冲气体和由惰性石蜡包覆的微量碱金属铷或铯.通过两步阳极键合来密封腔室,键合温度低于石蜡燃点198℃.第一步键合预封装腔室,键合电压小于缓冲气体的击穿电压.第二步键合在大气氛围中进行,电压增至1 200 V来增强封装质量.通过高功率激光器局部加热释放碱金属,同时在腔壁上形成均匀的石蜡镀层以延长极化原子寿命.本文实现了160℃的低温阳极键合封装,键合率达到95％以上.封装的碱金属铷释放后仍具有金属光泽,实现的最小双腔室体积为6.5 mm×4.5 mm×2 mm.铷的吸收光谱表明铷有效地封装在腔室中,证明两步低温阳极键合工艺制作碱金属蒸气腔室是可行的.     

键合技术在微机械Golay-cell红外探测器中的应用

介绍多种硅片键合技术及其在基于高菜盒（Golay-cell）原理的微机械红外探测器中的应用。对多种键合方法在该器件中的实验结果进行比较，确定了现阶段最优的键合方法，即采用局部电场屏蔽方法的阳极键合方法，键合成功率在90％以上，并初步实现了器件的标准化制作。     

新型硅-铝-硅结构MEMS加工技术及应用

提出了一种新型的硅-铝-硅结构的MEMS器件加工技术.采用了微电子工艺中的铝-硅烧结技术,将具有铝层的两个硅片键合在一起,并采用全干法深刻蚀技术在其中的一层硅片上进行MEMS器件的加工.该技术已成功应用到MEMS光开关及其他MEMS器件的制作中.     

面向聚合物微器件超声波精密封接的阵列微导能结构

聚合物超声波精密封接是一项重要的MEMS加工方法,对提高聚合物MEMS器件键合或封接效率具有重要意义。为提高封接可控性,预防高温度场下的聚合物熔融流延影响封接界面质量和精度,提出了阵列式微导能结构。以PMMA微小管道的封接为实验对象,研究了阵列微导能结构的尺度对超     

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。     

玻璃-硅微结构封装过程工艺参数对键合质量的影响

通过MEMS封装试验平台,对键合过程中的键合温度、键合时间等工艺参数以及试验硅片规格进行试验研究。通过改变键合温度、键合时间以及试验硅片规格等参数,进行玻璃-硅键合对比试验。计算每组对比试验的键合空隙率,分析每组对比试验空隙率的数据,归纳总结影响键合质量的因素以及达到键合最佳效果的键合条件。试验结果表明:键合电压为1 200 V,温度为445~455℃,键合时间为60 s时,空隙率小于5%,玻璃与硅片的键合质量达到最佳,为提高玻璃-硅键合质量提供了依据。     

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。     

面向微机电系统组装与封装的微操作装备关键技术

对微机电系统(Micro electro mechanical systems, MEMS)组装与封装工艺的特点进行了总结分析,给出了MEMS组装与封装设备的研究现状。针对MEMS产业发展的特点,分析了面向MEMS组装与封装的微操作设备中的工艺参数优化数据库、快速精密定位、模块化作业工具、快速显微视觉、柔性装夹和自动化物流等关键技术。在此基础上,详细介绍了研制的MEMS传感器阳极化键合设备和引线键合设备的组成结构、工作原理,并给出了组装和封装试验结果。最后,指出了MEMS组装与封装技术及设备研制的发展趋势。     

紫外光活化低温键合研究进展

随着电子及生物医疗元器件朝着微型化、便携式及多功能性的发展,连接(电子领域内常被称为“键合”)已成为材料或结构一体化集成不可或缺的关键环节。表面活化键合避免了传统焊接工艺中的高温,能够在较低温度条件下使热膨胀差异较大的材料或结构实现可靠连接,在微电子、微机电系统、光电子及微流控芯片等制造领域极具应用潜力,其中紫外光作为一种简易高效的表面活化手段近年来备受关注。本文对紫外光活化低温键合相关的研究进展进行综述,主要介绍了紫外光的基本性质,对有机及无机材料基板表面的作用效果,总结了面向微电子、微机电系统和光电子器件制造的紫外光表面活化晶圆键合成果,以及其在微流控器件封接、医用可植入器件制备中的应用实例,最后对该键合方法的未来发展和挑战进行了展望。     

PMMA面键合的热压法工艺研究

研究了PMMA热压键合工艺,测量了PMMA的键合强度,利用扫描电镜检测了键合后微流体管道的结构变化,讨论了键合温度、键合压力等因素对键合强度的影响;给出了热压键合的合理工艺参数范围.结果表明,经过参数优化后的热压键合法可以满足PMMA微流体器件对键合的需求.     

MEMS器件的W2W真空封装研究

开发了一种适于MEMS器件的基于W2W(圆片对圆片)工艺的简易的圆片级真空封装方法。通过电镀工艺在MEMS器件圆片和封盖圆片上各沉积含5μm Cu和1.5μm Sn金属层的键合环。器件圆片和封盖圆片在160℃及0.01Pa的真空环境中保持10 min以形成真空,之后在270℃及4 MPa保持30 min通过Cu和Sn的互溶扩散工艺完成键合。测量键合区内Cu元素和Sn元素的重量比,证实形成了Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物。通过剪切力测试对单个芯片的键合面强度进行标定,计算剪切强度达32.20 MPa。     

基于MEMS技术的原子气室封装工艺

在基于MEMS技术原子气室的制备工艺中，难度较大的是碱金属的填充技术及阳极键合封装工艺，该工艺流程直接影响原子气室的质量。为进一步简化原子气室的制备工艺，设计了“双腔式”原子气室结构，采用先阳极键合，再化学反应的方法实现了原子气室批量化的封装。单个原子气室体积为6 mm×4 mm×2.5 mm,经氦气细检漏气率平均达到5×10^-8 Pa·m³·s^-1,通过搭建实验平台，测得了不同温度下的原子气室D1线吸收谱线图，实验结果表明原子气室封装成功。     

MEMS微流量检测中寄生电容干扰的抑制方法

MEMS器件微流量流速检测中会受到寄生电容的严重干扰,针对两腔键合的压电驱动硅基微流量传感结构,通过对该结构中Si-Pt平行板电容分析及其对交变方波驱动的输出响应分析,确定了寄生电容产生于两腔键合处的上腔基质硅与检测热敏铂丝之间,提出了通过压电驱动电极的适当连接抑制寄生电容干扰的有效方法。     

基于感应加热的MEMS键合工艺研究

对感应局部加热实现MEMS封装键合进行了初步研究.试验中选用功率为1kW、频率为400kHz的高频电源,通过对感应线圈优化设计,实现了硅片上的焊料图形键合.为实现局部加热,感应加热图形(键合区)应设计为封闭环结构(同时也易于形成气密封装结构),而芯片上其他部分(包括电路、连线、焊点等),由于为非封闭结构和图形,无涡流产生或产生的涡流很小,仍处于较低温度,从而避免了高温对芯片上温度敏感结构的破坏.此外,还对影响键合效果的感应层材料和结构设计进行了探讨.     

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。     

热超声倒装键合振动传递与键合强度形成研究

采用多普勒激光振动测量系统，获得了热超声倒装键合过程中工具末端及芯片的振动速度曲线。通过比较分析两条曲线，揭示了热超声倒装键合强度的生成过程：在键合初始阶段，键合界面的相对运动主要发生在芯片金凸点与基板焊盘表面之间，并使其接触表面氧化层和污染层被破坏，裸露出新鲜原子，为金凸点与焊盘间的原子扩散并最终形成键合强度提供条件；随着键合的进行，芯片振动速度开始下降，而工具末端振动速度继续增大（即出现速度分离现象），工具末端和芯片间产生明显相对运动，表明键合强度已产生，芯片金凸点／基板焊盘间的结合力超过工具末端／芯片间的摩擦力；速度分离后芯片与工具末端的振动速度和位移曲线表明了超声振动能量部分耗散在芯片／工具的摩擦上。     

玻璃与铝多层阳极键合接头力学性能分析

阳极键合是一种利用电和热相互作用实现固体电解质玻璃(陶瓷)与金属材料固态连接的一种新方法.运用共阳极法实现多层玻璃/铝的键合,并采用微拉伸试验和MARC非线性有限元分析软件,分析了玻璃与铝多层键合试件冷却后,接头的力学性能和残余应力分布状况.试验发现,在玻璃/铝/玻璃多层连接区,键合界面附近的残余应力和应变呈对称分布,多层结构的对称性有利于缓解接头应变和应力,表明应用公共阳极法可实现多层玻璃/铝/玻璃的良好键合.     

微晶玻璃与不锈钢阳极键合残余应力分析

微机电系统封装过程中产生的应力会影响其封装效果与使用寿命,针对微晶玻璃与不锈钢阳极键合温度引起的残余应力问题,采用MARC有限元软件对微晶玻璃与不锈钢键合冷却过程模拟。分析了微晶玻璃与不锈钢在不同厚度比值与面积比值键合结构下的残余应力分布规律。结果表明:微晶玻璃与不锈钢厚度比值越小,最大残余应力越小;随着不锈钢与微晶玻璃面积比值的增大,残余应力逐渐趋于平稳。研究结果为改善微晶玻璃与不锈钢阳极键合质量提供了理论参考与设计依据。     

静电驱动的MEMS可变电容器

介绍了一种用硅-玻璃键合工艺制作的微型梁式可变电容器，通过ANSYS软件并结合MEMS器件的特点进行优化，设计并制作了由MEMS工艺实现的微型静电驱动的可变电容器件，给出了工艺流程和测试结果。通过实验测试证明：用这种方法制作的电容器件具有良好的线性、较小的滞后和稳定的工作特性。