CN2780733Y - 一种感应加热封装键合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于MEMS和IC封装技术，为一种感应局部加热键合装置。该装置包括高频感应电源、位于键合腔内的感应器、绝缘导杆和绝缘垫板；感应器通过铜管与高频感应电源相连，并置于绝缘垫板上，绝缘导杆用于提供键合时的压力，感应器为蝴蝶形线圈或带导磁体的横模感应加热线圈组。本装置使用时只有键合层局部处于高温，避免了整体加热过程中高温对芯片上温度敏感结构的破坏。由于感应加热对材料具有选择性，通过对键合材料的选择，可更好地满足MEMS键合要求。相对于其他MEMS局部加热键合而言，该装置具有非接触、对材料和结构尺寸具有选择性、加热均匀、键合速度快等优点，可用于多种材料和多种键合方式的封装键合。

Description

一种感应加热封装键合装置

技术领域

本实用新型所属领域为微机电系统(MEMS)和集成电路(IC)封装技术，具体涉及一种基于电磁感应加热的封装键合装置。

现有技术

微机电系统(MEMS)是微电子学与微机械学相互融合的产物。经过十多年的发展，MEMS芯片已经相当成熟，但是很多芯片却没有作为最终产品得到实际应用，其主要原因在于没有解决封装问题。事实上只有已封装的MEMS芯片才能成为产品，才能投入使用，否则只能停留在实验室阶段。目前的MEMS封装技术大都是由集成电路封装技术发展和演变而来的，但MEMS封装完全不同于传统IC封装。传统IC封装的目的是提供IC芯片的物理支撑，保护其不受环境的干扰与破坏，同时实现与外界的信号、能源与接地的电气互连。MEMS器件或系统则既要感知外部世界，同时又要依据感知结果作出对外部世界的动作反应，由于这种与外部环境的交互作用以及自身的复杂结构使得对MEMS的封装除了高密度封装所面临的多层互联、散热问题、可靠性问题、可测试性问题之外，还要考虑将MEMS芯片、封装与工作环境作为一个交互作用的系统来设计MEMS的封装。因此，MEMS封装成本很高，一般占整个MEMS器件成本的70％或更高。

键合是MEMS及IC封装工艺的一项重要技术。简单而言，键合就是一个热压过程，在一定的温度和压力作用下的芯片表面贴合。常用的MEMS键合方法包括阳极键合，硅熔融键合，共晶键合、低温焊料键合和粘胶键合等。加热方法则包括电阻发热、红外加热、超声波、激光、微波加热等。一般键合都采用整体加热(即键合层与芯片一起加热)。为了提高键合质量和可靠性，通常整体加热键合的时间较长，温度较高，但由此造成键合的热应力大，高温易对芯片上温度敏感部分造成影响(如压力传感器、加速度计、光电器件等键合时，超过400℃的高温就会对CMOS铝电路造成破坏，影响成品质量和封装可靠性)，现在逐渐转向采用局部加热键合技术。文献1([1]Liwei Lin，MEMS Post-Packaging by Localized Heating and Bonding，IEEE Transactions on Advanced Packaging，23(4)，608-616，2000)最早提出了MEMS的局部加热键合方法。基于电阻加热，选用掺P多晶硅或金作为加热线，实现了金硅共晶键合、硅玻璃熔融键合等。由于在键合区额外布置了电阻加热线，且键合时必须同时通电流，工艺控制困难，该法在MEMS封装中受到很大限制。

电磁感应加热由于具有非接触、加热快，对材料和结构具有选择性加热等优点，非常适合于MEMS的局部加热键合。文献2([2]Andrew Cao，et al，Selective induction heating for MEMS packaging and fabrication，Proceedings of 2001 ASME-MEMS，Vol.3，763-767)采用高频电源，进行了硅片上的感应局部加热试验，由于采用螺旋形线圈，无法实现圆片级的图形均匀加热。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种感应加热键合装置，以实现MEMS封装键合时键合层的均匀局部加热。

本实用新型提供的一种感应加热封装键合装置包括：高频感应电源、位于键合腔内的感应器、绝缘垫板和绝缘导杆。感应器通过铜管与高频感应电源相连，并置于绝缘垫板上，绝缘导杆用于提供键合时的压力，其特征在于：感应器为蝴蝶形线圈或带导磁体的横模感应加热线圈组。

由于键合过程中只有微金属环局部感应加热处于高温，芯片上其他部分(包括电路、连线、焊盘等，由于为非环状结构，无涡流产生或产生的涡流很小)，仍处于较低温度，从而避免了整体高温对芯片上温度敏感结构的破坏。此外，由于感应加热对材料具有选择性，通过对键合层材料的选择，也可实现MEMS的局部加热键合。相对于其他局部加热键合而言，该装置具有非接触、对材料和结构尺寸具有选择性、加热均匀、键合速度快等特点，可用于多种材料(半导体、玻璃和陶瓷之间)和多种键合方式(共晶键合、焊料键合、扩散键合等)的封装键合。

附图说明

图1为蝴蝶形线圈感应加热装置图；

图2为横模感应局部加热装置图。

具体实施方式

本实用新型装置包括高频感应电源8、位于键合腔4内的感应器、绝缘导杆7、绝缘垫板9。感应器为蝴蝶形线圈5或带导磁体10的横模感应加热线圈组11，用于键合时的均匀加热。感应器置于绝缘垫板9上，并通过铜管6与高频感应电源8相连，感应电源提供键合时的高频电磁场，键合腔则形成电磁屏蔽并保障键合时的气氛。绝缘导杆7提供键合时的压力。

使用上述装置进行封装的步骤如下：

(1)清洗待键合的帽层1和衬底2试片；(2)在帽层待键合面刻蚀空腔，在衬底待键合面制作微金属环阵列3，作为感应键合层，微金属环材料为Au，Sn，In，Zn，Al或其合金。

(3)将帽层空腔和衬底上的微金属环对准，贴紧后置于键合室4内的感应器中，并通过绝缘导杆7压紧，感应器为蝴蝶形线圈5或带导磁体10的横模感应加热线圈组11；

(4)高频感应电源8通过感应器对微金属环加热，使感应键合层发生键合反应或焊料熔化，降温后，键合完成。其中，高频感应电源的频率f满足：

                    f≥2.25ρ/[πμR₀ ²]

ρ为金属材料电阻率，μ为材料磁导率，R₀为金属环内外半径差。

Claims (2)

1、一种感应加热封装键合装置，包括高频感应电源、位于键合腔内的感应器、绝缘导杆和绝缘垫板；感应器通过铜管与高频感应电源相连，并置于绝缘垫板上，绝缘导杆用于提供键合时的压力，其特征在于：感应器为蝴蝶形线圈或带导磁体的横模感应加热线圈组。

2、根据权利要求1所述感应加热封装键合装置，所述的高频感应电源的频率f满足：

                     f≥2.25ρ/[πμR₀ ²]

其中，ρ为金属材料电阻率，μ为材料磁导率，R₀为金属环内外半径差。

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