MEMS器件的真空封装范文

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1键合工艺流程

首先使用SRO702设备在200℃通甲酸回流去除Sn表面氧化层;再使用SUSSMA6/BA6设备的背面对准功能将封盖圆片的背面标记与器件圆片的正面标记对准，从而间接实现两圆片正面的键合环对准，并通过键合夹具固定;最后放入SUSSCB6L设备进行真空键合。键合工艺曲线如图2所示。先在50～60℃抽真空10min，再升温至160℃并在0.01Pa真空环境中保持10min，以确保腔室保持较高的真空度。然后夹具的上半部分下降使两圆片的键合环接触，加压至4MPa并继续升温至270℃，保温保压30min实现Cu－Sn键合。最后降温降压并取出样片。

2测试分析

将完成W2W真空封装的样片依次进行表面扫描分析、X－Ray缺陷分析，然后用DAD340划为单个芯片，再依次进行断面观察、剖面组分分析及剪切试验分析。

2．1表面扫描分析图3为使用VEECODEKTAK150进行键合环内斜对角芯片表面13mm范围内连续扫描分析的图片，由图可见，芯片中心相对键合环边沿向封装腔内凹约3.87μm，表明封装腔室内处于一定的真空状态。

2．2X－Ray缺陷分析图4和图5为使用MetrisXTV160进行X－Ray缺陷分析的图片，其中，图4为单个芯片放大的细节检测图片，图5为多个芯片的整体检测图片。由图可见，键合区域没有气泡、孔洞等缺陷，键合环内外两侧也基本无Sn溢出。

2．3断面观察和剖面组分分析用显微镜观察键合结构断面(图6为断面观察图)，并使用EDS(能谱仪)测量键合区内各元素的重量比(图7为剖面组分分析图)。结合断面观察图和剖面组分分析图可知，整个键合断面大致分为5层:从上到下依次为Cu、Cu3Sn、Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu。其中两侧与衬底相邻的为未消耗完的Cu，与Cu相邻的中间大部分区域为Cu3Sn，最中心很薄的一层为Cu6Sn5。即键合已经形成了以Cu3Sn为主、含极少量Cu6Sn5的金属间化合物。此外，组分中氧含量较高，这与储存和工艺过程中键合环氧化有关。这可以在键合前通过增加甲酸回流时间来加以解决。

2．4剪切试验分析对单个芯片使用DAGE4000进行剪切破坏性试验，图8为键合面剪切力破坏性试验图片。芯片破环时，剪切力为49.287kgf，单个芯片键合面面积为15mm2，由此计算出键合面的剪切强度为32.20MPa。观察破坏后的键合面，发现大部分断裂位置为Si衬底。由此可见Cu－Sn键合强度强于Si衬底强度。

3结论

(1)本文对基于W2W封装工艺及Cu－Sn键合工艺的真空封装进行了研究。通过电镀制作Cu－Sn键合环，使用背面对准方法使mems器件圆片和封盖圆片上的Cu－Sn键合环对准，在0.01Pa的真空环境中270℃及4MPa保持30min，成功地使Cu、Sn互溶扩散形成了剪切强度达32．20MPa的Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物，从而实现了一种简易可靠的W2W圆片级真空封装方法。(2)本文的圆片级真空封装方法因键合温度相对较低，可应用于多种MEMS器件的真空封装。

作者：董艳 单位：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所