CN1309015C - 硅芯片/玻璃环键合装置 - Google Patents

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王权
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Abstract

本发明的目的是提供一种适合于大批量生产的硅芯片/玻璃环键合装置，装置中电烙铁既作为上电极又作为加热件，其固定在不锈钢支架上并通过不锈钢支架可以上下前后移动，其上连接导线与开孔钢板通过直流变压器形成直流回路，提供静电场，自身通过220伏特的交流电源使得派来克斯玻璃环预热，键合时间由20min缩短为2min左右，键合电压由1500v降低为160v，实现了低温低压快速硅芯片/玻璃环键合。

Description

硅芯片/玻璃环键合装置
技术领域
本发明涉及硅芯片封装，特指硅芯片/玻璃环键合装置。
背景技术
微机电系统(Microelectromechanical system，MEMS)技术起源于微型硅传感器的发展，最初用于生产固态半导体硅压力传感器，当MEMS技术迅速崛起之后，大大促进了微型传感器的技术进步，并使各种类型的传感器微型化。微型传感器已经成为MEMS的重要组成部分之一，目前具有实用价值并得到较广泛应用的是微机械力敏传感器，主要有压力传感器、加速度传感器、角速度传感器等，而其中应用最广的是半导体硅压阻式压力传感器。
利用硅的压阻效应和微电子技术制作的压阻式压力传感器是近三十年来发展非常迅速的一种新的物性型传感器，其技术核心主要包括三个方面：硅敏感元件设计与制作、装配结构设计与封装和补偿电路与接口放大电路，其中如何实现硅敏感元件的无应力封装是难点之一。在微型和高温压力传感器的批量生产中，通常选用派来克斯(PYREX7740)硼硅玻璃环作为硅芯片的衬底，两者键合在一起，不用任何粘结剂，键合界面有良好的气密性和长期的稳定性。
考虑了市售的大部分键合炉不适合此硅芯片/玻璃环键合，其缺陷有二：一是键合时要求直流高压，一般为1000～1500伏特，极容易将带有惠斯登电桥的芯片击穿；二是键合操作时间长，一般在20分钟左右，不能满足大批量生产的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合于大批量生产的硅芯片/玻璃环键合装置。此目的是这样实现的：
硅芯片/玻璃环键合的装置，包括电烙铁与220伏特的交流电源组成的派来克斯玻璃环的加热系统、电炉与交流变压器组成的开孔钢板的加热系统、固定电烙铁的不锈钢支架、工作台，其特征在于：所述电烙铁去除焊接针换为平口小钢管，其外直径略大于派来克斯玻璃环的外直径，与220伏特的交流电源(7)连接；同时在电烙铁与开孔钢板之间增设由直流变压器构成的键合电路，其中电烙铁端部接直流变压器输出的电源负极，构成键合电路中的阴极，位于电炉上的开孔钢板接直流变压器输出的电源正极构成键合电路中的阳极，开孔钢板与电炉之间用耐高温石绵板绝缘。派来克斯玻璃环(2)与硅芯片(3)置于衬底开孔钢板(4)上，派来克斯玻璃环(2)的抛光面向下，放置在硅芯片(3)上，硅芯片(3)处于派来克斯玻璃环(2)内孔的中央，硅芯片(3)和派来克斯玻璃环(2)接触面平整。
本发明优点在于用电烙铁既作为上电极又作为加热件，其固定在不锈钢支架上并通过不锈钢支架可以上下前后移动，其上连接导线与开孔钢板通过直流变压器形成直流回路，提供静电场，自身通过220伏特的交流电源使得派来克斯玻璃环预热，键合时间由20min缩短为2min左右，键合电压由1500v降低为160v，实现了低温低压快速硅芯片/玻璃环键合。
附图说明
图1是本发明结构示意图
1.电烙铁  2.派来克斯玻璃环  3.硅芯片  4.开孔钢板  5.耐温石棉板  6.电炉  7.220伏特的交流电源  8.直流变压器  9.交流变压器  10.不锈钢支架  11.工作台
具体实施方式
首先将电炉(6)的调压交流变压器(9)的供电电压设定为100～150V，加热电炉(6)使衬底开孔钢板(4)的温度控制在200～450℃左右，接通电烙铁(1)220伏特的交流电源(7)，预热10分钟左右，使衬底开孔钢板(4)和电烙铁(1)达到所需的温度。
将严格清洗后的硅芯片(3)和派来克斯玻璃环(2)分别放置在超净的乙醇溶液中，将待键合的硅芯片(3)用干净的镊子夹取，放在已预热的衬底开孔钢板(4)上；用镊子夹取派来克斯玻璃环(2)，使派来克斯玻璃环(2)的抛光面向下，平稳地放置在硅芯片(3)上，并使硅芯片(3)处于派来克斯玻璃环(2)内孔的中央，硅芯片(3)和派来克斯玻璃环(2)接触面平整。
通过不锈钢支架(10)移动电烙铁(1)到派来克斯玻璃环(2)的正上方，电烙铁(1)下降使烙铁头轻轻地接触到派来克斯玻璃环(2)的上表面。转动工作台(11)上的直流变压器(8)的旋钮，调节直流电压至显示值160V，当硅芯片(3)和派来克斯玻璃环(2)加热到300℃左右时，在此直流电压作用下，派来克斯玻璃环(2)中的Na将向负极方向漂移，在紧邻硅芯片(3)的玻璃环表面形成耗尽层，耗尽层宽度约为几微米。耗尽层带有负电荷，硅芯片(3)带正电荷，硅芯片(3)和派来克斯玻璃环(2)之间存在较大的静电引力，使二者紧密接触。这样外加电压就主要加在耗尽层上。通过电路中电流的变化情况可以反映出键合的过程。当刚加上电压时，有一个较大的电流脉冲产生经过大约2分钟左右，电流减小，最后几乎为零，说明此时键合已经完成。转动直流变压器(8)旋钮，使直流电压降为零，并关掉开关，电烙铁(1)旋至上方并离开，取下已键合好的芯片/玻璃环。
键合中，从目测上，透过派来克斯玻璃环(2)，能看到空气隙中常出现的牛顿环逐渐消失，界面呈硅本色；键合体从派来克斯玻璃环(2)侧面看过去，在硅芯片(3)和派来克斯玻璃环(2)的界面有一个完全闭合的黑框，可定为合格键合体，将此键合体通过热压焊用退火后的金丝将硅芯片上力敏电阻连接成惠斯登检测电桥，然后固定到不锈钢基座上，制作成压阻式压力传感器。

Claims (2)

1.硅芯片/玻璃环键合的装置，包括电烙铁(1)与220伏特的交流电源(7)组成的派来克斯玻璃环的加热系统、电炉(6)与交流变压器(9)组成的开孔钢板的加热系统、固定电烙铁的不锈钢支架(10)、工作台(11)，其特征在于：所述电烙铁(1)去除焊接针换为平口小钢管，其外直径略大于派来克斯玻璃环的外直径，与220伏特的交流电源(7)连接；同时在电烙铁(1)与开孔钢板(4)之间增设由直流变压器(8)构成的键合电路，其中电烙铁(1)端部接上直流变压器(8)输出的电源负极，构成键合电路中的阴极，位于电炉(6)上的开孔钢板(4)接上直流变压器(8)输出的电源正极构成键合电路中的阳极，开孔钢板(4)与电炉(6)之间用耐高温石绵板(5)绝缘；派来克斯玻璃环(2)与硅芯片(3)置于衬底开孔钢板(4)上，派来克斯玻璃环(2)的抛光面向下，放置在硅芯片(3)上，硅芯片(3)处于派来克斯玻璃环(2)内孔的中央，硅芯片(3)和派来克斯玻璃环(2)接触面平整。
2.根据权利要求1所述的硅芯片/玻璃环键合的装置，其特征是固定电烙铁(1)的不锈钢支架(10)可以上下前后移动。
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