CN102489810B - 基于钎料球激光重熔工艺的mems自组装方法 - Google Patents

Abstract

基于钎料球激光重熔工艺的MEMS自组装方法，它涉及一种MEMS自组装方法。针对现有基于熔融钎料表面张力的MEMS自组装方法中钎料合金集成工艺复杂，MEMS器件整体加热重熔不适用于对于热、力敏感的光学MEMS器件以及电阻局部加热实现具有逻辑顺序的多次自组装工艺复杂，无法应对复杂结构的问题。方案一：通过激光对释放在MEMS芯片金属焊盘上的钎料球进行加热，使之熔化并拉动MEMS芯片的活动结构实现翻转运动；方案二：释放钎料合金球在多个焊盘连接中心，对钎料合金球进行加热重熔，依次完成第一旋转机构、第二旋转机构和第三旋转机构的自组装。本发明用于微加工制造技术。

Description

基于钎料球激光重熔工艺的MEMS自组装方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS自组装方法。

背景技术

微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)是采用微加工技术制造的特征尺寸限于微米级别的新器件或系统，它集成了微型机构、传感器、执行器和处理电路等单元。MEMS器件的种类繁多，有加速度计、压力传感器、流量传感器、陀螺仪等，已被广泛应用在汽车电子、消费电子、生物医学、工业及宇航领域。然而，目前常用的微加工技术，如表面微加工技术和体硅微加工技术仍具有一定的局限性，难以实现复杂的三维MEMS器件的制造。因此，如何对MEMS微结构实现高精度地再组装和再装配，最终形成真正意义上的三维微结构，是制造复杂三维MEMS器件所亟待解决的关键问题，同时也是MEMS器件大批量、低成本、高可靠工业化生产的关键。

现有的针对MEMS微结构的组装过程主要还是通过人工手动方式，或者其它外部驱动机制完成。例如利用聚合物的热收缩应力、薄膜残余应力、磁力等驱动微结构进行翻转、位移、对准等运动。但这些自组装方法都有可控性差，适应性差的问题。利用熔融钎料表面张力驱动MEMS微结构活动器件自行装配至理想位置的自组装技术的出现正好解决了上述问题。该方法不仅能有效地完成MEMS微结构的组装过程，而且精度高、可靠性高。同时，组装过程完毕时可同时形成可靠的机械和电气连接，与现有的微电子封装具有良好兼容性。

目前，现有的基于熔融钎料表面张力的MEMS自组装方法已经被广泛地应用在各种MEMS器件的制造中。例如，美国国家专利《SELF-ASSEMBLED,MICROPATTERNED AND RADIO-FREQUENCY(RF)SHIELDED BIOCONTAINERS AND THEIR USES FOR REMOTE SPATIALLYCONTROLLED CHEMICAL DELIVERY》（中文译名：微成型及自组装工艺制备的射频屏蔽生物容器以及其在遥控化学管路中的应用），专利号:US2009/0311190A1，通过在二维展开的平面图形微结构对应焊盘位置上浸镀或电镀钎料合金，形成钎料铰链，并对整体微结构进行加热使芯片温度达到钎料合金熔点。之后，利用熔融钎料的表面张力，使二维微结构的各平面旋转、聚拢形成三维立方体微容器(专利图2、图6)。然而，上述专利中的自组装方法是通过电镀、浸镀或沉积的方法在微结构上方形成钎料合金层，并通过光刻、刻蚀工艺使钎料合金形成特定的尺寸和形状，大大增加了微加工工序及工艺集成难度。美国国家专利《SELF-ASSEMBLY MICRO BLADE》(中文译名：自组装微型扇叶)，专利号：US2009/0185909A1，用聚酰亚胺代替钎料合金，通过光刻成型在微型风扇的转子和扇叶之间形成特定图形和尺寸，之后通过整体加热，是该微型风扇达到聚酰亚胺的熔点，利用熔融态聚酰亚胺的表面张力将扇叶拉起一定角度，形成最终的风扇结构。但是，上述专利中对该风扇结构进行整体加热重熔的的方法并不能用在对于热、力敏感的MEMS器件，特别是光学MEMS器件。同时，整体加热重熔的方法是无法用来制作具有一定逻辑顺序的多次自组装器件。美国国家专利《MULTI-DIMENSIONAL MICRO-ELECTROMECHANICAL ASSEMBLIES AND METHOD OF MAKINGSAME》，(中文译名:多维微机电系统组装方法)专利号:US2002/0170290A1,通过典型的MUMPs三层多晶硅工艺制造了带铰链的多晶硅二维微结构，并在固定器件和翻转器件的焊盘上通过预键合的方法在微结构中集成钎料合金，之后通过整体加热重熔的方法完成自组装结构的翻转和制造。在该专利中，虽然针对具有多次顺序自组装结构的器件，设计通过电阻局部加热的方法实现组装。然而，利用电阻热局部对单个钎料合金铰链实行加热时，必须在器件制造中事先集成加热电阻，同时还需要控制电路进行逻辑控制，不仅微电阻的集成工艺复杂，而且仅适合于简单微结构的自组装。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于钎料球激光重熔工艺的MEMS自组装方法，以解决现有基于熔融钎料表面张力的MEMS自组装方法中钎料合金集成工艺复杂，MEMS器件整体加热重熔不适用于对于热或力敏感的光学MEMS器件以及电阻局部加热实现具有逻辑顺序的多次自组装工艺复杂，无法应对复杂结构的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：方案一：所述方法包括以下步骤：步骤一：将已完成牺牲层释放的具有自组装基本结构的MEMS芯片固定在在夹持装置上，通过吸嘴装置吸取钎料合金球；

步骤二：吸嘴装置将钎料合金球释放在MEMS芯片上固定微结构和活动微结构焊盘连接中间；

步骤三：钎料合金球释放完毕的同时，采用激光对钎料合金球进行加热重熔，钎料合金球在加热到熔点后，熔融钎料润湿MEMS芯片上的金属焊盘，MEMS芯片的活动微结构即在熔融钎料表面张力的作用下实现翻转运动；

步骤四：通过控制激光的加热时间和功率，MEMS芯片的活动微结构在熔融钎料的作用下达到平衡位置，形成最终的自组装结构；

方案二：它基于凸台微结构完成，所述凸台微结构包括基底、第一斜边、第一固定边、第二固定边、第二斜边和凸台顶边，第一斜边和第一固定边设在基底的一侧的上端面上，第二固定边、第二斜边和凸台顶边顺次设在基底另一侧的上端面上，第一斜边的一端上设有定位卡槽，第一斜边的另一端上对应设置第一固定边且二者的上端面上设有第一旋转机构，第二固定边的一端和第二斜边的一端上设有第三旋转机构，第二斜边的另一端和凸台顶边的一端上设有第二旋转机构，第一斜边、第二斜边和凸台顶边的底端面上设有牺牲层；

自组装方法包括以下步骤：步骤一：释放第一斜边的牺牲层，并吸取第一钎料合金球，释放在第一斜边与第一固定边的焊盘连接中心，同时通过激光对钎料合金球进行加热重熔，完成第一旋转机构的自组装；

步骤二：释放凸台顶边的牺牲层，并吸取第二钎料合金球，释放在第二斜边与凸台顶边的焊盘连接中心，同时通过激光对钎料合金球进行加热重熔，完成第二旋转机构的自组装；

步骤三：释放第二斜边的牺牲层，并吸取第三钎料合金球，释放在第二斜边与第二固定边的焊盘连接中心，同时通过激光对钎料合金球进行加热重熔，完成第三旋转机构的自组装；当凸台顶边滑入定位卡槽时，形成限位及止动，从而完成整个凸台微结构的制造。

本发明具有以下有益效果：1、采用钎料合金球实现自组装过程，不需要复杂的钎料合金的沉积以及图形化的过程。同时钎料合金成分和体积可以方便的进行更换，适合于形成多种不同角度和位置的自组装器件；

2、使用激光对钎料合金球进行加热重熔，实现自组装。相对于整体器件加热重熔的工艺，不会因为整体器件加热对高精度的易受热力影响的微结构产生破坏，可以适用于热敏感器件，应用范围更广；

3、使用钎料合金球的激光重熔工艺，相对于整体加热而言，能任意控制自组装的先后顺序。可根据MEMS微结构的制造需求进行顺序结构的自组装；

4、使用激光加热，有利于控制钎料在重熔过程中金属间化合物的生长，自组装精度更高。

5、在钎料球释放完毕的同时，激光直接对钎料球进行加热重熔，并完成自组装过程。整个微结构的组装过程仅需一道工序即可完成。

附图说明

图1是具体实施方式一的工艺流程图，图2是具体实施方式四的结构示意图，图3是具体实施方式五的工艺流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的方法包括以下步骤：步骤一：将已完成牺牲层释放的具有自组装基本结构的MEMS芯片6固定在在夹持装置上，通过吸嘴装置7吸取钎料合金球8；

步骤二：吸嘴装置7将钎料合金球8释放在MEMS芯片上固定微结构和活动微结构焊盘连接中间；

步骤三：钎料合金球8释放完毕的同时，采用激光9对钎料合金球8进行加热重熔，钎料合金球8在加热到熔点后，熔融钎料润湿MEMS芯片6上的金属焊盘6-1，MEMS芯片6的活动结构即在熔融钎料10表面张力的作用下实现翻转运动；

步骤四：通过控制激光的加热时间和功率，MEMS芯片6的活动结构在熔融钎料的作用下达到平衡位置，形成最终的自组装结构12。

具体实施方式二：本实施方式的步骤一中钎料合金球8直径为200μm-400μm；钎料合金球8的合金成分为Sn3.0Ag0.5Cu，步骤三中钎料合金球8加热到熔点为217℃；步骤四中所用激光的功率范围为3-15w，激光加热时间为80-800ms，此步骤的优点是激光快速加热的特性保证了自组装效率。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式的步骤三中激光束斑点直径小于钎料合金球8的直径，且仅作用于钎料合金球8的顶部对其加热，此步骤的优点是激光集中加热的特性保证了钎料球以外的芯片结构不受损坏。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的它基于凸台微结构完成，所述凸台微结构包括基底13、第一斜边14、第一固定边16、第二固定边17、第二斜边18和凸台顶边19，第一斜边14和第一固定边16设在基底13的一侧的上端面上，第二固定边17、第二斜边18和凸台顶边19顺次设在基底13另一侧的上端面上，第一斜边14的一端上设有定位卡槽15，第一斜边14的另一端上对应设置第一固定边16且二者的上端面上设有第一旋转机构21，第二固定边17的一端和第二斜边18的一端上设有第三旋转机构26，第二斜边18的另一端和凸台顶边19的一端上设有第二旋转机构27，第一斜边14、第二斜边18和凸台顶边19的底端面上设有牺牲层20；

自组装方法包括以下步骤：步骤一：释放第一斜边14的牺牲层20，并吸取第一钎料合金球23，释放在第一斜边14与第一固定边16的焊盘连接中心，同时通过激光对钎料合金球进行加热重熔，完成第一旋转机构21的自组装；

步骤二：释放凸台顶边19的牺牲层20，并吸取第二钎料合金球24，释放在第二斜边18与凸台顶边19的焊盘连接中心，同时通过激光对钎料合金球进行加热重熔，完成第二旋转机构27的自组装；

步骤三：释放第二斜边18的牺牲层，并吸取第三钎料合金球25，释放在第二斜边18与第二固定边17的焊盘连接中心，同时通过激光对钎料合金球进行加热重熔，完成第三旋转机构26的自组装；当凸台顶边19滑入定位卡槽15时，形成限位及止动，从而完成整个凸台微结构的制造。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式的钎料合金球直径为200-400μm，合金成分为Sn3.0Ag0.5Cu。此步骤的优点是自组装过程完成后能同时形成可靠的机械和电气连接。其它步骤与具体实施方式四相同。

Claims (5)

1.一种基于钎料球激光重熔工艺的MEMS自组装方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：步骤一：将已完成牺牲层释放的具有自组装基本结构的MEMS芯片（6）固定在在夹持装置上，通过吸嘴装置（7）吸取钎料合金球（8）；

步骤二：吸嘴装置（7）将钎料合金球（8）释放在MEMS芯片上固定微结构和活动微结构焊盘连接中间；

步骤三：钎料合金球（8）释放完毕的同时，采用激光（9）对钎料合金球（8）进行加热重熔，钎料合金球（8）在加热到熔点后，熔融钎料润湿MEMS芯片（6）上的金属焊盘（6-1），MEMS芯片（6）的活动微结构即在熔融钎料（10）表面张力的作用下实现翻转运动；

步骤四：通过控制激光的加热时间和功率，MEMS芯片（6）的活动微结构在熔融钎料的作用下达到平衡位置，形成最终的自组装结构（12）。

2.根据权利要求1所述基于钎料球激光重熔工艺的MEMS自组装方法，其特征在于步骤一中钎料合金球（8）直径为200μm-400μm；钎料合金球（8）的合金成分为Sn3.0Ag0.5Cu，步骤三中钎料合金球（8）加热到熔点为217℃；步骤四中所用激光的功率范围为3-15w，激光加热时间为80-800ms。

3.根据权利要求1或2所述基于钎料球激光重熔工艺的MEMS自组装方法，其特征在于步骤三中激光束斑点直径小于钎料合金球（8）的直径，且仅作用于钎料合金球（8）的顶部对其加热。

4.一种基于钎料球激光重熔工艺的MEMS自组装方法，其特征在于它基于凸台微结构完成，所述凸台微结构包括基底（13）、第一斜边（14）、第一固定边（16）、第二固定边（17）、第二斜边（18）和凸台顶边（19），第一斜边（14）和第一固定边（16）设在基底（13）的一侧的上端面上，第二固定边（17）、第二斜边（18）和凸台顶边（19）顺次设在基底（13）另一侧的上端面上，第一斜边（14）的一端上设有定位卡槽（15），第一斜边（14）的另一端上对应设置第一固定边（16）且二者的上端面上设有第一旋转机构（21），第二固定边（17）的一端和第二斜边（18）的一端上设有第三旋转机构（26），第二斜边（18）的另一端和凸台顶边（19）的一端上设有第二旋转机构（27），第一斜边（14）、第二斜边（18）和凸台顶边（19）的底端面上设有牺牲层（20）；

自组装方法包括以下步骤：步骤一：释放第一斜边（14）的牺牲层（20），并吸取第一钎料合金球（23），释放在第一斜边（14）与第一固定边（16）的焊盘连接中心，同时通过激光对钎料合金球进行加热重熔，完成第一旋转机构（21）的自组装；

步骤二：释放凸台顶边（19）的牺牲层（20），并吸取第二钎料合金球（24），释放在第二斜边（18）与凸台顶边（19）的焊盘连接中心，同时通过激光对钎料合金球进行加热重熔，完成第二旋转机构（27）的自组装；

步骤三：释放第二斜边（18）的牺牲层，并吸取第三钎料合金球（25），释放在第二斜边（18）与第二固定边（17）的焊盘连接中心，同时通过激光对钎料合金球进行加热重熔，完成第三旋转机构（26）的自组装；当凸台顶边（19）滑入定位卡槽（15）时，形成限位及止动，从而完成整个凸台微结构的制造。

5.根据权利要求4所述基于钎料球激光重熔工艺的MEMS自组装方法，其特征在于钎料合金球直径为200-400μm，合金成分为Sn3.0Ag0.5Cu。

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