MEMS玻璃粉封裝綱要

1、MEMS玻璃粉封裝綱要低溫玻璃封接具有工藝簡單、性能優(yōu)良、封接強(qiáng)度高、密封效果好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是大批量作業(yè)使成本太大降低，是靜電封接無法比擬的因此，在滿足穩(wěn)定性和可靠性的條件下，采用低溫玻璃封接具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。然而長期以來，低溫玻璃封接的主要問題是燒結(jié)層引人應(yīng)力過大，造成器件的整體性能變壞。1，材料（選取具有典型應(yīng)用意義的若干中材料和配方進(jìn)行試驗(yàn)）選擇玻璃漿料時(shí)滿足以下幾點(diǎn)要求1：（1）熱膨脹系數(shù)與基底材料匹配；（2）封接溫度應(yīng)低于基板材料的耐熱極限溫度；（3）漿料與基板及芯片有良好的浸潤性。實(shí)驗(yàn)中采用硅或者玻璃為基板材料。考慮到Al布線，選擇的玻璃焊料的封接溫度應(yīng)低于550度（AlSi共熔

2、點(diǎn)577度）。對于非晶低熔點(diǎn)玻璃，屈服溫度低，但其膨脹系數(shù)很高，不能與芯片匹配，形成良好封接。結(jié)晶性焊料玻璃在耐熱性、強(qiáng)度、電性能等方面比非品質(zhì)焊料玻璃優(yōu)越，且和組成與之類似的玻璃相比，熱膨脹系數(shù)低2。1選Fern公司提供的玻璃漿料，這是一種非晶態(tài)厚膜玻璃，封接溫度約為450C,熱膨脹系數(shù)90X10-7/C（與Si26X10-7/C以及Pyrex7740玻璃33X10-7/C接近）.并且該玻璃漿料與si及玻璃基板均有良好的浸潤性。利用掃描電鏡上的x一射線能譜儀對玻璃漿料進(jìn)行得出各組分的百分比MgO：6.59wt%；A12O3:29.76wt%；SiO2：43.67wt%；PbO:19.09wt

3、%；Zn0：0.88wt%。評：預(yù)燒溫度400C，封接溫度500C時(shí)，實(shí)驗(yàn)測得的漏率值均為10-8量級，漏率檢測合格率達(dá)85%，符合要求。強(qiáng)度平均為15kg。2參考ZnO一B2O3一PbO三元系相圖，選出一種結(jié)晶性焊料玻璃。其屈服溫度為460C，膨脹系數(shù)為a=70X10-7/C與硅a=25X10-7/C比較接近，并且該焊料與玻璃基座有良好的浸潤性。將分析純玻璃原料按一定重量比配料，在高溫爐內(nèi)900C熔化，待熔化均勻澄清后，倒蒸餾水中急冷淬火，再經(jīng)研磨得到焊料玻璃粉。ML或用孔花廿出査示i圖1ZnO一B2O3一PbO系玻璃形成區(qū)及熱膨脹系數(shù)（10-7/C）（1）過渡層的引人大大降低了封接應(yīng)力，器

4、件整體性能良好；（2）該工藝成本低廉，有一定的市場競爭力；（3）封接溫度仍嫌太高，需進(jìn)一步降低到0C以下評：對芯片封接完成的半成品進(jìn)行封接強(qiáng)度測試，可達(dá)7MPa，進(jìn)行耐水性檢測，水煮2h無變化。經(jīng)室溫到150C迅速溫度沖擊10次，封接處無異常現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)1玻璃漿料低溫氣密封裝MEMS器件研究2壓力傳感器芯片的低溫玻璃封接技術(shù)算熱靈敏度漂移：0.107%FS/C；熱零點(diǎn)漂移：0.27%FS/C。但燒結(jié)溫度仍然偏高，為530C。3結(jié)晶性玻璃熔點(diǎn)比凝固點(diǎn)高，耐熱性強(qiáng)度比非晶質(zhì)玻璃優(yōu)越，且熱膨脹系數(shù)小更接近于硅。這樣，在PbO-ZnO-BO三元相圖中選出一種結(jié)晶性焊料玻璃。其晶相有ZnOBO,PbOZn

5、OB2O3，2Pb0ZnOB2O3等。其中還可加入少量A120、SiO、CuO、SnO2、Ti02、BaO、VO、PO以改善封接性能。可以看出，增加PbO有利于降低軟化點(diǎn)T,但線膨脹系數(shù)增加。BO取代PbO,軟化點(diǎn)升高。用ZnO取代BO可使a和T同時(shí)降低。一般來說，軟化點(diǎn)越低。線膨脹系數(shù)越大。同時(shí)兼顧這兩個(gè)指標(biāo)及玻璃焊料的耐水性，取PbO：ZnO：BO=58：18：24（wt）。其膨脹系數(shù)7X10-7/K，與硅的2.6X10-7/K比較接近。而且實(shí)踐證明，該玻璃焊料與基座101#玻璃有良好的浸潤性。評：封接強(qiáng)度可達(dá)7MPa，與上述1.2配方相比，其可靠性和穩(wěn)定性有所提高，但問題同上，封接溫度仍

6、偏高，為530Co4Ferro公司生產(chǎn)的11-036sealingglass。玻璃焊料的CTE為90X10-7/C，而所用的基板玻璃的e丁E為33X10-7/C，蓋板硅片的TCE為26X10-7/C。通過對玻璃漿料進(jìn)行熒光分析，可得到EXD能譜圖，并根據(jù)該圖計(jì)算出各組分的百分比。表1玻璃漿料成分組成蛆分Wt%At%MgO6.5912.84AljO?29.7622.93SjQ；43,6757.10,PbO219.096.27ZnOOSS0.35Total100.00100W燒結(jié)溫度越高，鍵合后的剪切力越大。燒結(jié)溫度為400C和425C時(shí)，剪切力較小，分別為7.7kg和9.9kg,沒有達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

7、的要求。當(dāng)燒結(jié)溫度為450C時(shí)，剪切力平均值為14.6kg，己能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求o480C的燒結(jié)溫度下剪切力相對于450C時(shí)增加不大，因此認(rèn)為450C是一個(gè)比較合適的溫度。注：其只指出剪應(yīng)力大小，未直接提供強(qiáng)度。按照面積為1cmX1cm計(jì)算,其強(qiáng)度為1.46MPa。優(yōu)勢是溫度較低。1.55實(shí)驗(yàn)所選用的玻璃漿料為DIEMAT公司提供的DM2700O該玻璃漿料與Si及玻璃基板均有良好的浸潤性，其封接溫度為320370C,熱膨脹系數(shù)為7.7X10-6/C,Si熱膨脹系數(shù)為2.6X10-6/C,玻璃熱膨脹系數(shù)為3.3X10-6/C。經(jīng)測量，燒結(jié)溫度在350及其以上時(shí)，鍵合后可以得到較高的鍵合強(qiáng)度，剪

8、切強(qiáng)度平均值為363kPa;但是在350以下時(shí)，剪切強(qiáng)度較低。實(shí)驗(yàn)樣品的漏率檢測上限值應(yīng)為1010-9Pam3/s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得，在30個(gè)測試樣品中，有兩個(gè)樣品的測試結(jié)果不合格。是鍵合采用預(yù)燒結(jié)溫度250，燒結(jié)溫度350，鍵合壓力20kPa時(shí)，封裝器件仍具有較高的剪切強(qiáng)度（363kPa），鍵合界面均勻、完整、無空洞，氣密性檢測合格率達(dá)到93.33%。3壓力傳感器芯片鍵合用低溫玻璃焊料的研制4低溫玻璃漿料在MEMS氣密封裝中的應(yīng)用研究5MEMS器件封裝的低溫玻璃漿料鍵合工藝研究評：最大優(yōu)勢是封接溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他材料。但存在明顯不足，就是剪切強(qiáng)度偏小，未達(dá)到MPa級別。1.66DM2700Psea

9、lingglasspasteisdesignedtohermeticallyseallowthermalexpansionmaterialssuchassilicon,alumina,Kovar,andborosilicateandsodalimeglassesattemperaturesaslowas320C.DM2700Ppastecanbescreen-printed,stencil-printedordispensed.Itisglazedtothesubstrateat350C.DM2700Pissuppliedreadytouse.1.77Analumina（96%ofAl2O3,

10、Rubalit708S,CeramTecAG,Marktrendwitz,Germany）sheetof1-mmthick-nesswasusedasthesubstratematerial.SCHOTTsolderglassG017-393intheformoffrit（withanaverageparticlesizeof10pm）wasusedasllermaterial.Thesolderglass-fritpastewaspreparedbymixinganappropriateamountoftheglassfritwithasolutioncontaining80%（involu

11、me）ofterpineoland20%（byvolume）ofstyrene.ResultsshowthatthebondingstrengthofthebondedjointsismainlygovernedbytheBondingtemperature,bondingtime,andsurfaceroughness.Densityandspreadingareaoftheglass-fritlayerplayimportantrolesinbondingstrength.Theappropriatecombinationofdensityandspreadingareacanproduc

12、eoptimumbondingstrength.注：1，文章提到的強(qiáng)度使用的是斷裂力的大小，而不是用壓強(qiáng)表示。提到的平均的斷裂力大小為2kN,如果按照有效接觸面積為lcmXlcm計(jì)算（一般不會(huì)大于此面積），那么其強(qiáng)度可達(dá)到20MPa,還是相當(dāng)可觀的。2,文章提到了不同表面處理對于表面粗糙度,浸潤角和強(qiáng)度的影響,討論了鍵合時(shí)間,鍵合溫度,鍵合壓力對與鍵合強(qiáng)度的影響?？勺鳛樘岣哝I合性能的有效參考。工藝（典型的工藝流程和工藝參數(shù)的影響）2.ll預(yù)燒結(jié)工藝對鍵合質(zhì)量的影響燒結(jié)溫度對鍵臺強(qiáng)度的影響鍵合氣氛對鍵合強(qiáng)度的影響壓力對鍵合強(qiáng)度的影響設(shè)備（指出應(yīng)有的玻璃粉制作和鍵合設(shè)備,并指出如何實(shí)現(xiàn)之）評價(jià)（指出加速度計(jì)和壓力計(jì)應(yīng)用背景下的關(guān)鍵性能參數(shù)以及測試設(shè)備）（詳細(xì)見華中科技大學(xué)微系統(tǒng)研究中心編