CN103145096B - 一种硅片与玻璃片的低温超声阳极键合方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅片与玻璃片的低温超声阳极键合方法，该方法包括以下具体步骤：将玻璃片夹持在一固定工作台上，将硅片夹持在超声换能器上，超声换能器固定在一可动工作台上，设定工作台的加热温度，设置超声参数，设置阳极键合参数，可动工作台带动硅片移动，并按设定的键合压力使硅片与玻璃片相互接触，使硅片与玻璃相互摩擦，活化键合界面；去掉超声的同时，施加键合电压进行阳极键合；键合完成后拆下被键合件。相对于传统高温阳极键合方法，本发明的低温超声阳极键合方法在同样键合强度下，键合温度，键合电压及键合时间均能大大缩减，提高了MEMS器件的键合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS封装中的焊接方法，尤其涉及一种基于超声致热的硅片与玻璃片的低温阳极键合方法。
背景技术
阳极键合和引线键合是MEMS封装中的主要键合焊接方法。
引线键合是一种利用超声、热、压力将芯片和引线框架上的焊盘用金或铜导线互相连接起来的工艺过程，通过超声摩擦能够去除键合界面的氧化物，软化键合界面，在热和压力的作用下将金或铜与焊盘（一般为铝焊盘）焊接在一起，例如专利文献：CN1773688A，其主要用于金属之间的焊接。
阳极键合又称静电键合或者场助键合，在MEMS技术领域中，主要是玻璃与硅的表面键合工艺，其基本原理是将直流电源正极接硅片，负极接玻璃片，由于玻璃在一定高温下的性能类似于电解质，而硅片在温度升高到300℃～400℃时，电阻率将因本征激发而降至0.1Ω·m，此时玻璃种的导电粒子（如Na+）在外电场作用下漂移到负电极的玻璃表面，而在紧邻硅片的玻璃表面留下负电荷，由于Na+的漂移使电路中产生电流流动，紧邻硅片的玻璃表面会形成一层极薄宽度约为几μm的空间电荷区（或称耗尽层）。由于耗尽层带负电荷，硅片带正电荷，所以硅片与玻璃之间存在较大的静电吸引力，使两者紧密接触，并在键合面发生物理化学反应，形成牢固结合的Si-O共价键，将硅与玻璃界面牢固地连接在一起。与其它键合技术相比，阳极键合具有成本低、工艺简单、键合强度高和密封性好等优点，此外相对于硅熔融键合技术还有对超净环境要求不高且能容忍更大表面粗糙度的显著优势。因此在对密封、键合强度要求较高的MEMS器件，如真空传感器、微机械红外探测器、三维微加速度计、机械微陀螺、微型原子钟铷腔等，进行后道封装时阳极键合是不可或缺的工艺手段。同时也在硅基混合微传感器、微发生器以及微流控装置等MEMS器件的制作、封装中广泛地应用。因此阳极键合技术发展水平对MEMS技术的不断进步具有重要的影响。
在目前的高温阳极键合技术中，过低的温度会使玻璃的导电性变差，同时玻璃无法软化，则无法实现玻璃表面微观峰的蠕动，造成玻璃与硅片的界面无法达到静电力作用的距离，因此高温是实现这种阳极键合的必要条件。但高温又使阳极键合容易产生如下问题：其一，高温引起MEMS器件损坏。对于某些温敏器件而言，过高的温度会使其精度降低，甚至会使其破坏而失效，而这些微结构和电路所能承受的温度是有严格限制的，否则就会造成器件的损坏或者影响其使用寿命，如CMOS电路在400℃下超过15分钟就会发生Si-Al反应，使电路结构破坏。其二，高温容易引起残余应力。高温长时间作用于硅-玻璃键合基体上容易产生热应力，在完成键合冷却后热应力无法释放，会造成MEMS器件工作不稳定和可靠性降低。其三，高温诱发离子扩散。在某些MEMS器件中，为了实现特定功能，往往在硅基底中掺入某些特定的离子，而在对这些掺杂过的MEMS器件进行键合时，高温的键合过程会使掺杂物质重新扩散，这将改变杂质分布和电学特性，而且如果界面存在一些污染和缺陷，在高温的作用下也会扩散开，使产品失效区域变得不可控，同时使键合界面电学特性劣化，严重地影响了MEMS器件的性能。
高温键合过程中存在的这些问题越来越不能适应MEMS器件高性能发展的需求。针对高温阳极键合对MEMS器件所产生的不利影响，目前有介质阻挡等离子体放电表面处理的方法实现低温阳极键合，例如专利文献：CN102659071A，但此方法需要的放电电压为500-2000V，这对某些对高电压敏感的MEMS器件来说是不可行的，高压容易击穿MEMS器件中的电路，从而损坏需要键合的MEMS器件，另外，其工作台加热温度范围为250-350℃，温度对于有的MEMS器件而言，仍然过高，会影响了MEMS器件的性能。
因此，针对上述现有技术中存在的问题，有必要提供一种能够在低温条件下，实现阳极键合的装置和方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超声致热的硅片与玻璃片的超声阳极键合方法，在施加较低温度下即能实现性能良好的阳极键合。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种硅片与玻璃片的低温超声阳极键合方法，该方法包括以下具体步骤：
（1）设定温控键合炉的加热温度；
（2）设置超声参数，超声参数包括超声频率，超声功率，超声持续时间；
（3）设置阳极键合参数，阳极键合参数包括键合电压，键合压力和键合时间；
（4）按照阳极键合要求将玻璃片夹持在一手动升降台上，将硅片夹持在超声变幅杆上，超声变幅杆固定在一可动工作台上；
（5）可动工作台带动硅片移动，并按设定的键合压力使硅片与玻璃片相互接触，然后按照设定好的超声参数在硅片上施加超声，使硅片与玻璃相互摩擦，活化键合界面；
（6）去掉超声的同时，施加键合电压进行阳极键合；
（7）键合完成后拆下被键合件。
优选的，在上述超声阳极键合方法中，温控键合炉的加热温度为180~220℃，尤其是200℃。
优选的，在上述超声阳极键合方法中，超声频率为55-75 kHz，尤其是65 kHz。
优选的，在上述超声阳极键合方法中，超声功率为3-5 W，尤其是4W。
优选的，在上述超声阳极键合方法中，超声持续时间为4-8秒，尤其是5秒。
优选的，在上述超声阳极键合方法中，键合电压为350-450 V，尤其是400V。
优选的，在上述超声阳极键合方法中，键合压力为10gf -30gf，尤其是20gf。
优选的，在上述超声阳极键合方法中，键合时间为20-30秒，尤其是25秒。
优选的，所述可动工作台由Z轴自动升降台、X轴平台、Z轴支架、Y轴平台组成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）由于现有的超声一般是用于有金线或者铜线或者铝线引线键合，而在键合领域中，引线键合是不会用在硅和玻璃键合当中的，本发明创造性地将超声键合应用到阳极键合中，相对于传统高温阳极键合方法，本发明的低温超声阳极键合方法在同样键合强度下，键合温度，键合电压及键合时间均能大大缩减，提高了MEMS器件的键合效率。
（2）降低了键合的残余应力，避免了高温导致的温度梯度的出现而造成比较大的热应力，使键合界面出现裂纹或者键合片破损，提高了MEMS器件的稳定性、可靠性、耐疲劳性以及一致性等性能指标。
（3）能够为其它半导体封装方法提供借鉴，在不适用高温的领域引入超声不失为一种切实可行的能量施加方法，为半导体封装工艺提供新的思路。
附图说明
图1是本发明的低温超声阳极键合装置整体装配示意图。
图2是本发明的低温超声阳极键合装置的玻璃片夹持器示意图。
图3是本发明的低温超声阳极键合装置的硅片夹持器示意图。
图4是本发明的低温超声阳极键合装置的硅片夹持器的夹持部示意图。
图5是本发明的低温超声阳极键合装置的硅片夹持器剖面图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示的一种低温超声阳极键合装置，包括底板1，手动升降台2，温控键合炉3，玻璃片夹持器4，硅片夹持器5，超声变幅杆6，Z轴自动升降台7，显微镜8，X轴平台9，Z轴支架10，Y轴平台11，超声波发生器12，直流电源13，电器支架14，控制系统15。
其中如图2所示，玻璃片夹持器4由高压气体接头4-1，第一夹持片4-2，第一预紧弹簧4-3，第一预紧片4-4，第一预紧螺钉4-5，第二夹持片4-6，第二预紧弹簧4-7，第二预紧片4-8，第二预紧螺钉4-9组成。
其中如图3-图5所示，硅片夹持器5由变幅杆连接块5-1，绝缘垫片5-2，高压气体接头5-3，真空吸附接头5-4，高压电接片5-5，硅片夹持腔体5-6，第三预紧螺钉5-7，第三预紧片5-8，第三预紧弹簧5-9，第三夹持片5-10，真空吸附口5-11，第四预紧螺钉5-12，第四预紧片5-13，第四预紧弹簧5-14，第四夹持片5-15，高压气体通道5-16，真空吸附通道5-17组成。
运用本发明的低温超声阳极键合装置进行键合的方法如下：
首先，控制系统15控制温控键合炉3设定至温度为180~200℃，当温控键合炉温度稳定后，控制系统15将连接玻璃片夹持器4上高压气体接头4-1的电磁阀打开，高压气体接头4-1接通高压气体，高压气体推动玻璃片夹持器4上的第一夹持片4-2和第二夹持片4-6张开一定距离，将玻璃片放置在玻璃片夹持器4上，然后控制系统15控制电磁阀关闭，撤掉高压气体，第一夹持片4-2和第二夹持片4-6分别在第一预紧弹簧4-3和第二预紧弹簧4-7的压力作用下，推动第一夹持片4-2和第二夹持片4-6压紧玻璃片，将玻璃片固定在玻璃片夹持器4上。夹紧力的大小可由第一预紧片4-4、第一预紧弹簧4-3以及第二预紧片4-8、第二预紧弹簧4-7来决定，当第一预紧螺钉4-5和第二预紧螺钉4-9往玻璃片夹持器4内部拧紧时，会相应推动预紧片第一预紧片4-4和及第二预紧片4-8压紧第一预紧弹簧4-3和第二预紧弹簧4-7，从而使得夹紧力增大。反之，夹紧力减小。
将硅片放置在玻璃片夹持器4的右前端，调整硅片位置使硅片的两边与玻璃片夹持器4的两外边缘对齐。控制系统15控制X轴平台9和Y轴平台11运动，将显微镜8对准硅片，控制系统15控制X轴平台9和Y轴平台11，将硅片夹持器5运动至硅片上方，将连接硅片夹持器5上高压气体接头5-3的电磁阀打开，高压气体接头5-3接通高压气体，高压气体推动硅片夹持器5上的第三夹持片5-10和第四夹持片5-15张开一定距离，控制系统15控制Z轴自动升降台7往下运动，直至集成在超声变幅杆6上的传感器检测到硅片夹持器5接触到硅片时，Z轴自动升降台7停止运动。然后将连接硅片夹持器5上真空吸附接头5-4的电磁阀打开，真空吸附接头5-4接通真空泵，将硅片吸附在硅片夹持器5上，控制系统15控制连接高压气体接头5-3的电磁阀关闭，撤掉高压气体，第三夹持片5-10和第四夹持片5-15分别在第三预紧弹簧5-9和第四预紧螺钉5-12的压力作用下，推动第三夹持片5-10和第四夹持片5-15压紧硅片，将硅片固定在硅片夹持器5上，夹紧力的大小可由第三预紧片5-8、第三预紧弹簧5-9以及第四预紧片5-13、第四预紧弹簧5-14来决定，当第三预紧螺钉5-7和第四预紧螺钉5-12往硅片夹持器5内部拧紧时，会相应推动第三预紧片5-8和第四预紧片5-13压紧第三预紧弹簧5-9和第四预紧弹簧5-14，从而使得夹紧力增大；反之，夹紧力减小。Z轴自动升降台7向上运动一定距离。
控制系统15控制X轴平台9和Y轴平台11运动，将硅片移动至玻璃片上方，并完成硅片与玻璃片的自动对齐，Z轴自动升降台7带动硅片向下运动，直至集成在超声变幅杆6上的传感器检测到硅片接触到玻璃片时，Z轴自动升降台7停止运动。超声变幅杆6末端的力控制器，施加20gf的键合压力，控制系统15控制超声波发生器输出持续时间5秒的超声，其中超声频率为65kHz，超声功率为4W，超声施加完毕后，控制系统15控制直流电源13输出持续时间25秒的400V的电压，电压施加完毕后，此时硅片与玻璃片键合到一起。
控制系统15控制连接硅片夹持器5上高压气体接头5-3的电磁阀打开，高压气体接头5-3接通高压气体，高压气体推动硅片夹持器5上的第三夹持片5-10和第四夹持片5-15张开一定距离，使硅片夹持器5不再夹持硅片，控制系统15控制Z轴自动升降台7向上运动一段距离，关闭连接高压气体接头5-3的电磁阀，撤掉高压气体，使第三夹持片5-10和第四夹持片5-15回复至初始位置。
控制系统15控制连接玻璃片夹持器4上高压气体接头4-1的电磁阀打开，高压气体接头4-1接通高压气体，高压气体推动玻璃片夹持器4上的第一夹持片4-2和第二夹持片4-6张开一定距离，使玻璃片夹持器4不再夹持玻璃片，将键合好的硅片与玻璃片从玻璃片夹持器中4取出，关闭连接高压气体接头4-1的电磁阀，撤掉高压气体，使第一夹持片4-2和第二夹持片4-6回复至初始位置，完成硅片与玻璃片的低温超声阳极键合。
采用此该低温超声阳极键合方法后的硅片与玻璃片键合强度测得为9.8MPa，键合时间为25秒。
下表为采用传统高温阳极键合方法在不同的键合参数下测得的键合强度。
| 编号 | 压力（gf） | 温度（℃） | 电压（V） | 时间（min） | 键合强度（MPa） |
| 1 | 30 | 400 | 800 | 5 | 7.8 |
| 2 | 30 | 400 | 700 | 5 | 6.5 |
| 3 | 30 | 350 | 700 | 5 | 6.2 |
从以上对比可以看出，在阳极键合工艺中加入超声能够大大改善阳极键合工艺，在达到同样键合强度下，键合温度，键合电压及键合时间均能大大缩减，对MEMS阳极键合工艺的发展具有重要意义。
Claims (2)
1.一种硅片与玻璃片的低温超声阳极键合方法，该方法包括以下具体步骤：
（1）设定温控键合炉的加热温度；
（2）设置超声参数，超声参数包括超声频率，超声功率，超声持续时间；
（3）设置阳极键合参数，阳极键合参数包括键合电压，键合压力和键合时间；
（4）按照阳极键合要求将玻璃片夹持在一手动升降台上，将硅片夹持在超声变幅杆上，超声变幅杆固定在一可动工作台上；
（5）可动工作台带动硅片移动，并按设定的键合压力使硅片与玻璃片相互接触，然后按照设定好的超声参数在硅片上施加超声，使硅片与玻璃相互摩擦，活化键合界面；
（6）去掉超声的同时，施加键合电压进行阳极键合；
（7）键合完成后拆下被键合件。
2.根据权利要求1所述的低温超声阳极键合方法，其特征在于：温控键合炉的加热温度为180~220℃。
3. 根据权利要求1所述的低温超声阳极键合方法，其特征在于：超声频率为55-75 kHz 。
4. 根据权利要求1所述的低温超声阳极键合方法，其特征在于：超声功率为3-5 W。
5. 根据权利要求1所述的低温超声阳极键合方法，其特征在于：超声持续时间为4-8秒。
6. 根据权利要求1所述的低温超声阳极键合方法，其特征在于：键合电压为350-450 V。
7. 根据权利要求1所述的低温超声阳极键合方法，其特征在于：键合压力为10gf -30gf。
8. 根据权利要求1所述的低温超声阳极键合方法，其特征在于：键合时间为20-30秒。
9. 根据权利要求1所述的低温超声阳极键合方法，其特征在于：所述可动工作台由Z轴自动升降台、X轴平台、Z轴支架、Y轴平台组成。
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