M EM S封裝中的封帽工藝技術(shù)

孫瑞花 鄭宏宇 吝海峰

(河北半導(dǎo)體研究所)

摘要:

MEMS 封裝技術(shù)大多是從集成電路封裝技術(shù)繼承和發(fā)展而來(lái), 但 MEMS 器件自身有其特殊性, 對(duì)封裝技術(shù)也提出了更高的要求, 如低濕, 高真空, 高氣密性等。本文介紹了五種用于MEMS 封裝的封帽工藝技術(shù), 即平行縫焊、釬焊、激光焊接、超聲焊接和膠粘封帽。總結(jié)了不同封帽工藝的特點(diǎn)以及不同 MEMS 器件對(duì)封帽工藝的選擇。本文還介紹了幾種常用的吸附劑類型, 針對(duì)吸附劑易于飽和問(wèn)題, 給出了封帽工藝解決方案, 探討了使用吸附劑、潤(rùn)滑劑控制封裝內(nèi)部環(huán)境的方法。

1 引言

近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外的微電子機(jī)械系統(tǒng) ( MEMS )研究取得了較大的進(jìn)展, 很多種類的 MEMS 芯片研究已經(jīng)相當(dāng)成熟, 對(duì)于先進(jìn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 更多的關(guān)注已經(jīng)集中到這些系統(tǒng)的封裝上面。目前的封裝技術(shù)大多是從集成電路封裝技術(shù)繼承和發(fā)展而來(lái)的 , 但 MEMS 器件 自身 有其 特殊 性。MEMS 系統(tǒng)是一個(gè)含有多種材料組成的三維結(jié)構(gòu)和活動(dòng)組件, 并且常常要處于高溫、高濕或酸堿性惡劣環(huán)境之中, 所以對(duì)封裝技術(shù)提出了更高的要求:

( 1 ) 高真空。 EMS 系統(tǒng)常包括可動(dòng)部件, 如微型閥、微型泵、微齒輪等。為了使運(yùn)動(dòng)部件能長(zhǎng)期可靠地工作, 需要真空封裝以減小摩擦。

( 2 ) 高氣密性。一些 MEMS 器件, 如微陀螺必須在穩(wěn)定的氣密條件下才能長(zhǎng)期可靠地工作。

( 3 ) 特殊的封裝環(huán)境和引出。某些 MEMS 器件 ( 如光 MEMS 器件) 的工作環(huán)境是氣體、液體或透光的環(huán)境, MEMS 封裝就必須構(gòu)成穩(wěn)定的環(huán)境, 并能使氣體、液體穩(wěn)定流動(dòng), 使光纖輸入低損耗。

( 4 ) 高隔離度。對(duì) MEMS 射頻開(kāi)關(guān)隔離度尤為重要, 為了保證其他干擾信號(hào)盡可能小, 要求對(duì)傳感器的某些部位進(jìn)行封裝隔離, 否則干擾信號(hào)疊加在所采樣的有用信號(hào)上將使 MEMS 的正常功能難以發(fā)揮。

( 5 ) 低應(yīng)力。在 MEMS 器件中, μm 或 μm/nm 尺寸的部件, 如懸臂梁、微鏡等, 其精度高,但結(jié)構(gòu)脆弱易斷裂, 因此封裝對(duì)器件產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)盡可能小。要充分發(fā)揮 MEMS 的性能, 就要為其提供適宜的工作環(huán)境, 將芯片與外部環(huán)境隔離開(kāi), 避免不必要的外部干擾及侵害。本文將介紹 MEMS 封裝中的封帽工藝技術(shù)及封裝內(nèi)部環(huán)境的控制。

2 封帽工藝技術(shù)

將 MEMS 器件組裝到外殼內(nèi)并完成電連通后,需要用蓋板將外殼密封起來(lái), 即封帽。目前, 主要有平行縫焊、釬焊、激光焊、超聲焊和膠粘等五種封帽工藝技術(shù)。

2.1 平行縫焊

氣密 MEMS 器件最常用的封帽方法是平行縫焊, 平行縫焊是單面雙電極接觸電阻焊, 如圖 1( a ) 所示, 其工作原理是用兩個(gè)圓錐形的滾輪電極與金屬蓋板接觸形成閉合回路, 整個(gè)回路的高阻點(diǎn)在電極與蓋板接觸處, 電流在接觸處產(chǎn)生大量熱量, 使得蓋板與焊框上的鍍層呈熔融狀態(tài), 凝固后形成一個(gè)焊點(diǎn)。在焊接過(guò)程中, 電流是脈沖式的,每一個(gè)脈沖電流形成一個(gè)焊點(diǎn), 由于管殼做勻速直線運(yùn)動(dòng), 滾輪電極在蓋板上做滾動(dòng), 因此就在外殼蓋板的兩個(gè)邊的邊緣形成了兩條平行的、由重疊的焊點(diǎn)組成的連續(xù)焊縫, 如圖 1 ( b ) 所示。平行縫焊的工藝參數(shù)主要有焊接電流、焊接速度、電極壓力、電極錐頂角度等, 只要選擇好焊接規(guī)范, 就可以使彼此交迭的焊點(diǎn)形成一條氣密性很好的焊縫,漏氣率小于 5×10 -9 Pa · m 3 /s ( He ) 。平行縫焊僅對(duì)局部加熱, 內(nèi)部芯片溫升低, 因此封焊過(guò)程不會(huì)對(duì)芯片造成影響。平行縫焊機(jī)操作箱內(nèi)可充惰性氣體, 內(nèi)連的烘箱, 可對(duì)預(yù)封器件烘烤, 從而有效控制封裝腔體內(nèi)的水汽含量。

2.2 釬焊

釬焊可實(shí)現(xiàn)氣體填充或真空封帽, 它是將焊料放在蓋板和外殼之間施加一定的力并一同加熱, 焊料熔融并潤(rùn)濕焊接區(qū)表面, 在毛細(xì)管力作用下擴(kuò)散填充蓋板和外殼焊接區(qū)之間的間隙, 冷卻后形成牢固焊接的過(guò)程。蓋板焊料有金錫 (Au 80 Sn 20 ) 、錫 - 銀 - 銅 ( Sn 95.5 Ag 3.8 Cu 0.7 ) 等。高可靠 MEMS 器件最常用的蓋板釬焊材料是熔點(diǎn)為 280 ℃ 的金錫( Au 80 Sn 20 ) 共晶焊料。它具有熔點(diǎn)適中、強(qiáng)度高、浸潤(rùn)性優(yōu)良、低黏滯性、高耐腐蝕性、高抗蠕變性等優(yōu)點(diǎn)。焊料可以涂在蓋板上, 或根據(jù)蓋板周邊尺寸制成焊料環(huán)。圖 2 ( a ) 是金錫 ( Au 80 Sn 20 ) 焊料環(huán)用于陶瓷封裝氣密封帽示意圖; 圖 2 ( b ) 是釬焊封帽的微陀螺儀表頭。

影響焊接質(zhì)量的工藝因素有爐溫曲線、最高溫度、氣體成分、工夾具等。在爐內(nèi)密封時(shí), 需要采用惰性氣體 ( 一般為 N 2 ) 保護(hù), 以防止氧化; 或真空焊接, 焊接溫度在 280 ℃ 的共熔溫度以上約350 ℃的峰值溫度下, 保溫時(shí)間一般為 3～5 min 。選擇好焊接參數(shù), 封帽成品率可在 98% 以上。

2.3 激光焊接

激光焊接是利用激光束優(yōu)良的方向性和高功率密度的特點(diǎn), 通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚集在很小的區(qū)域和很短的時(shí)間內(nèi), 使被焊處形成一個(gè)能量高度集中的局部熱源區(qū), 從而使被焊物形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。利用激光器可以對(duì)熱塑性塑料、陶瓷和金屬封裝與幾乎所有透明材料制成的蓋板密封。不同的材料具有不同的密封機(jī)理, 熱塑性塑料可以軟化結(jié)合, 熱固性可以固化, 玻璃熔融, 焊料熔化, 金屬可以被釬焊甚至焊接。激光焊接能夠焊接不規(guī)則幾何形狀的蓋板和外殼且具有焊縫質(zhì)量高的特點(diǎn)。若進(jìn)行氣密性封焊, 一般都能很容易地達(dá)到漏氣率小于 5×10 -9 Pa · m 3 /s ( He ) 。激光器能量高度集中和可控, 加熱過(guò)程高度的局部化, 不產(chǎn)生熱應(yīng)力, 使熱敏感性強(qiáng)的 MEMS 器件免受熱沖擊。

利用穿過(guò)玻璃的激光能量將玻璃蓋板密封到LCP 模塑封裝上, 其示意圖如圖 3 所示。

玻璃密封能通過(guò)粗檢漏和氦細(xì)檢漏測(cè)試, 在靈敏度范圍為 1×10 -9 atm · cm 3 /s He 的情況下, 檢測(cè)25 只樣品沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一只漏氣。結(jié)果表明激光焊接是一種將玻璃蓋板密封到模塑 LCP 的實(shí)用方法。熱塑性塑料可以作為一種粘接材料, 放在非塑料封裝和玻璃之間。穿過(guò)玻璃的激光能量被塑料吸收,并轉(zhuǎn)換成熱使塑料軟化。 LCP 是用于玻璃和陶瓷粘接的準(zhǔn)氣密粘合劑。

2.4 超聲焊接

超聲焊接就是使用超聲能量來(lái)軟化或熔化焊點(diǎn)處的熱塑性塑料或金屬。其工作原理為: 震動(dòng)能量通過(guò)一個(gè)能放大波幅的增幅器傳輸, 然后超聲波傳輸?shù)铰晿O, 直接把震動(dòng)能量傳遞到要組裝的零件, 聲極也能施加焊接所需的焊接壓力, 震動(dòng)能量通過(guò)工件傳輸?shù)胶附訁^(qū), 在焊接區(qū)通過(guò)摩擦, 機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成熱能, 使材料軟化或熔化到一起。

通過(guò)施加一定的壓力和超聲震動(dòng), 可以將蓋板焊接到封裝體上: 典型頻率為 20 、 30 或 40 kHz 。焊接質(zhì)量取決于設(shè)備和零件的設(shè)計(jì)、焊接材料的性能以及能量過(guò)程, 常規(guī)零件的超聲焊接時(shí)間小于1 s 。此工藝的特點(diǎn)是能效高、成本低、生產(chǎn)效率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。一些 MEMS 使用的 LCP 模塑封裝和蓋板是用超聲焊完成的[ 4 ] 。對(duì)于低量程的MEMS 加速度計(jì)懸臂梁其諧振頻率在 5 kHz 以下,超聲頻率不會(huì)引起諧振也不可能造成粘附和損傷, 對(duì)于大量程的 MEMS 加速度計(jì)諧振頻率均在50 kHz 以上, 懸臂梁的剛度較大, 超聲頻率不會(huì)對(duì)其造成任何影響。

2.5 膠粘封帽

所有材料都可以采用有機(jī)粘合劑密封, 最通用的蓋板粘合劑是以熱固性環(huán)氧為典型代表的熱固化粘合劑, 環(huán)氧對(duì)大多數(shù)金屬 ( 尤其是含有某些氧化物的金屬) 、塑料、陶瓷和玻璃有很強(qiáng)的粘附性。粘合劑可以是觸變軟膏、低黏度流體或固態(tài)膜的形式。軟膏可以絲網(wǎng)印刷在蓋板底部或封裝墻體的上部邊緣上, 隨后, 將蓋板固定在封裝體上, 并加熱和加少量力, 可以直接加熱蓋板 - 封裝或?qū)⒄麄€(gè)封裝組件移進(jìn)一個(gè)爐子內(nèi)。 RJR 公司的預(yù)涂 B類粘合劑已經(jīng)用于不同種類型的零件和蓋板中, 它們用于光和 MEMS 腔型封裝的密封封帽。但是這

些 B 類環(huán)氧在室溫下會(huì)慢慢聚合, 它們都有儲(chǔ)存期限, 零件儲(chǔ)存在冰箱中, 儲(chǔ)存期可以延長(zhǎng)至一年左右。這種封裝形式非常適合對(duì)環(huán)境要求不是很苛刻的 MEMS 器件, 如 MEMS 光開(kāi)關(guān)、 MEMS光可變衰減器和一般用途的 MEMS 慣性器件。

五種封帽工藝的特點(diǎn)及適用于 MEMS 器件(或組件) 的類型列于表 1 。

3 封裝腔內(nèi)環(huán)境控制

3.1 使用吸附劑

吸附劑是選擇性的清除劑或吸引劑, 對(duì)于高真空密封封裝, 即使進(jìn)行了嚴(yán)格的密封前烘烤除氣,封裝完成后仍有一定的氣體從各部件內(nèi)部表面釋放出來(lái), 使用吸附劑可保證封裝內(nèi)部良好的真空狀態(tài)。吸附劑包括氣體、液體和固體吸附劑。重要的氣體吸附劑包括氧氣和氫氣吸附劑, 氫氣和氧氣在氣密封裝內(nèi)部均可被發(fā)現(xiàn), 并且已知是有害的。最重要的液體吸附劑的目標(biāo)是水, 水在高真空條件下是水蒸汽。一些濕氣吸附劑也能吸附封裝內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的氨、二氧化硫和其他有害物質(zhì)。吸附固體的吸附劑是通用的, 無(wú)論何種成分的微小粒子均可被其俘獲。表 2 列出了常用的吸附劑。

濕氣和微粒吸附劑是 MEMS 封裝中使用的最重要吸附劑類型。濕氣對(duì)任何電子器件一般都是有害的, 但是它對(duì)于所有 MEMS 產(chǎn)品尤其棘手, 因?yàn)闈駳鈺?huì)引起粘連。微粒吸附劑對(duì)微鏡陣列和可以活動(dòng)的 MEMS 器件更有價(jià)值。微粒吸附劑通常設(shè)計(jì)成一個(gè)多功能系統(tǒng), 常用的多功能吸附劑, 例如STAYDRY GA2000-2 ( CSPM ) , 具有除濕和吸附微粒的功能, 能夠增加工作壽命和 PIND 測(cè)試通過(guò)率。吸附劑有膏狀和固體膜形式,較常用的是固體膜形式, 塑性粘合劑制成的固體膜, 具有內(nèi)粘附特性, 可按尺寸切割并粘貼到封裝腔體內(nèi)。膏狀吸附劑可印刷或點(diǎn)涂在蓋板或封裝體上。這些產(chǎn)品都有特定的固化或烘干步驟。

使用吸附劑的 MEMS 器件在封帽時(shí), 應(yīng)先激活吸附劑, 以使其達(dá)到最大的效能。不同類型的吸附劑要求的激活溫度與時(shí)間不同。如 STAYDRYGA2000-2 ( CSPM ) , 激活溫度為 225 ℃ , 時(shí)間30 min , PaGe ( saes ) 激活溫度為 300 ℃ , 時(shí)間15 min 。要根據(jù)所選吸附劑的類型確定具體的封帽步驟。如果吸附劑的激活溫度低于焊料的熔點(diǎn), 可以將蓋板和管殼組裝后一同加熱, 達(dá)到吸附劑的激活溫度和時(shí)間后再升至封帽溫度完成封帽過(guò)程。如果吸附劑的激活溫度高于焊料的熔點(diǎn), 就要采用特殊的設(shè)備和工裝夾具, 保證在加熱激活吸附劑時(shí),管殼密封區(qū)溫度低于焊料的熔點(diǎn)。通常是將吸附劑固定到蓋板上, 焊料環(huán)固定到管殼的密封區(qū), 如圖4 所示。圖 5 是陀螺儀的封帽模具示意圖 ( SST ) ,將管殼置于模具的下層, 蓋板置于可移動(dòng)層, 蓋板和管殼之間有一定的距離, 在加熱激活吸附劑時(shí),管殼不加熱, 當(dāng)達(dá)到要求的激活溫度和時(shí)間后, 可移動(dòng)層下移, 使蓋板與管殼緊密接觸, 按封帽曲線進(jìn)行封帽。

3.2 使用潤(rùn)滑劑

在 MEMS 封裝中加入揮發(fā)性的潤(rùn)滑劑以降低摩擦和磨損, 所用材料可以是能釋放氣體的固體,其使用方法與吸附劑類似。也可以使用液體材料,在封蓋之前, 向封裝內(nèi)滴入一小滴即可。一個(gè)用Z-DOL ( monti edison ) 得到的全氟聚酯 ( PFPE )潤(rùn)滑劑單分子結(jié)合層, 可大大減小靜摩擦力, 也使得接觸界面對(duì)環(huán)境不敏感。高溫會(huì)引起潤(rùn)滑劑分子的解吸和分解, 不同種類的潤(rùn)滑劑容許的最高溫度不同, 如 Z-DOL 、 AM3001 和 A20H 容許的最高溫度分別為 183 ℃ 、 280 ℃和 326 ℃。在選擇封帽工藝, 確定封帽步驟時(shí), 要充分考慮所選擇的潤(rùn)滑劑的熱穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

封帽是 MEMS 封裝中的一道關(guān)鍵工藝, 對(duì)MEMS 而言, 封裝的內(nèi)部環(huán)境至關(guān)重要。有些器件必須高真空條件下才能具有功能, 有些 MEMS 器件則需要低濕和低氧環(huán)境以防止器件粘連及氧化;還有一些 MEMS 器件需要加入潤(rùn)滑劑以降低摩擦和磨損。 MEMS 是迄今為止封裝界所遇到的最為特殊的器件, 要針對(duì) MEMS 器件的不同要求, 選擇恰當(dāng)?shù)姆庋b方式才能充分發(fā)揮 MEMS 的性能。

來(lái)源：半導(dǎo)體封裝工程師之家

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