MEMS器件的W2W真空封装研究

董 艳

(中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏苏州 215123)

0 引言

近年来，随着MEMS技术的迅速发展，使其无论在军用还是民用上都得到了广泛的应用，这也对封装提出了很高的要求。MEMS器件并不是独立的，它一方面需要与集成电路连接以实现其功能;另一方面，MEMS及其集成电路又需要通过封装来加以保护［1］。而很多MEMS器件为提高性能，则进一步需要真空封装。

圆片级封装(WLP)、芯片级封装(CSP)正是为了适应MEMS封装新的要求而发展起来的。其主要要求有:⑴封装温度低，以降低对MEMS器件及其集成电路的影响;⑵封装强度高，以实现对MEMS器件及其集成电路的保护;⑶气密性好(这对需要真空封装的MEMS器件尤为重要)，以使MEMS器件能长期在真空环境中运行，保持其优良的性能。

PREMACHANDRAN C等人采用玻璃浆料作为键合环在430℃键合实现了加速度计的圆片级真空封装［2］。BLANCO S等人基于C2C(芯片对芯片)工艺实现了MEMS器件的芯片级真空封装［3］。HATA H和BAUER J等人先后基于 C2W(芯片对圆片)封装工艺及Cu－Sn键合工艺在300℃实现了红外焦平面阵列的芯片级真空封装［4－5］。CHEN Y、ORII Y、ZHANG R等人则先后对Cu－Sn互溶扩散机理进行了研究［6－9］。

本文对基于W2W封装工艺及Cu－Sn键合工艺的真空封装进行了研究。通过电镀制作Cu－Sn键合环，使用背面对准方法使MEMS器件圆片和封盖圆片上的Cu－Sn键合环对准，在0.01 Pa的真空环境中270℃及4MPa保持30 min，成功地使Cu、Sn互溶扩散形成了强度较高的Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物，从而实现了一种简易可靠的真空封装方法。

1 W2W真空封装工艺流程

本文选用4″Si圆片进行试验，其中，封盖圆片选用双抛Si圆片。

1.1 Cu－Sn键合环结构及制作工艺流程

首先在MEMS器件圆片和封盖圆片正面分别制作键合环。为避免Cu暴露在空气中氧化而影响与Sn的溶合，且为了使键合环制作后，应力形变匹配，本文在器件圆片和封盖圆片上制作相同的Cu－Sn键合环。

图1所示为Cu－Sn键合环结构及制作工艺流程。首先用FHR设备在圆片正面溅射种子层Ti100 nm－Cu250 nm(图1(a))，随后使用SUSS MA6/BA6设备进行AZ4620厚胶光刻形成掩膜(图1(b))，再通过电镀形成Cu－Sn键合环(图1(c))，然后去胶(图1(d))并刻蚀去除种子层(图1(e))。

为保证键合后形成再溶温度和强度较高的Cu6Sn5，甚至形成再溶温度和强度更高的Cu3Sn，电镀时Cu与Sn的原子个数比要大于 3［10］。

图1 Cu－Sn键合环结构及制作工艺流程

式中:δ为膜厚，μm;m为质量，g;γ为密度，g/cm3;S为电镀面积;n为物质的量，mol;M为摩尔质量，g/mol。

由式(1)可知，形成Cu6Sn5所需Cu/Sn膜厚比值为0.52;形成Cu3Sn所需Cu/Sn膜厚比值为1.31。本文据此选定膜厚Cu 5 μm和Sn 1.5 μm，以确保Sn能完全融合完毕。

电镀膜厚公式为［11］:

式中:K为电化学当量，g/(A·h);D为电流密度，A/dm2;t为电镀时间，min;η为电流效率。

由式(2)得:

本文设定Cu和Sn电流密度分别为2 A/dm2和1A/dm2，由此通过式(3)及选定的膜厚计算所需电镀Cu和Sn的时间分别为12 min和3 min。

1.2 键合工艺流程

首先使用SRO702设备在200℃通甲酸回流去除Sn表面氧化层;再使用SUSS MA6/BA6设备的背面对准功能将封盖圆片的背面标记与器件圆片的正面标记对准，从而间接实现两圆片正面的键合环对准，并通过键合夹具固定;最后放入SUSS CB6L设备进行真空键合。键合工艺曲线如图2所示。

先在50～60℃抽真空10 min，再升温至160℃并在0.01 Pa真空环境中保持10 min，以确保腔室保持较高的真空度。然后夹具的上半部分下降使两圆片的键合环接触，加压至4 MPa并继续升温至270℃，保温保压30 min实现Cu－Sn键合。最后降温降压并取出样片。

图2 键合工艺曲线

2 测试分析

将完成W2W真空封装的样片依次进行表面扫描分析、X－Ray缺陷分析，然后用DAD340划为单个芯片，再依次进行断面观察、剖面组分分析及剪切试验分析。

2.1 表面扫描分析

图3为使用VEECO DEKTAK 150进行键合环内斜对角芯片表面13 mm范围内连续扫描分析的图片，由图可见，芯片中心相对键合环边沿向封装腔内凹约3.87μm，表明封装腔室内处于一定的真空状态。

图3 表面扫描分析图

2.2 X －Ray缺陷分析

图4和图5为使用Metris XTV 160进行X－Ray缺陷分析的图片，其中，图4为单个芯片放大的细节检测图片，图5为多个芯片的整体检测图片。由图可见，键合区域没有气泡、孔洞等缺陷，键合环内外两侧也基本无Sn溢出。

2.3 断面观察和剖面组分分析

用显微镜观察键合结构断面(图6为断面观察图)，并使用EDS(能谱仪)测量键合区内各元素的重量比(图7为剖面组分分析图)。

结合断面观察图和剖面组分分析图可知，整个键合断面大致分为 5 层:从上到下依次为 Cu、Cu3Sn、Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu。其中两侧与衬底相邻的为未消耗完的Cu，与Cu相邻的中间大部分区域为Cu3Sn，最中心很薄的一层为Cu6Sn5。即键合已经形成了以Cu3Sn为主、含极少量Cu6Sn5的金属间化合物。

此外，组分中氧含量较高，这与储存和工艺过程中键合环氧化有关。这可以在键合前通过增加甲酸回流时间来加以解决。

图4 X－Ray缺陷分析图(单个芯片)

图5 X－Ray缺陷分析图(多个芯片)

图6 断面观察图

图7 剖面组分分析图

2.4 剪切试验分析

对单个芯片使用DAGE4000进行剪切破坏性试验，图8为键合面剪切力破坏性试验图片。

芯片破环时，剪切力为49.287 kgf，单个芯片键合面面积为15 mm2，由此计算出键合面的剪切强度为32.20 MPa。

图8 剪切力破坏性试验图

观察破坏后的键合面，发现大部分断裂位置为Si衬底。由此可见Cu－Sn键合强度强于Si衬底强度。

3 结论

(1)本文对基于W2W封装工艺及Cu－Sn键合工艺的真空封装进行了研究。通过电镀制作Cu－Sn键合环，使用背面对准方法使MEMS器件圆片和封盖圆片上的Cu－Sn键合环对准，在0.01 Pa的真空环境中270℃及4 MPa保持30 min，成功地使Cu、Sn互溶扩散形成了剪切强度达32.20 MPa的Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物，从而实现了一种简易可靠的W2W圆片级真空封装方法。

(2)本文的圆片级真空封装方法因键合温度相对较低，可应用于多种MEMS器件的真空封装。

［1］LAU J，LEE C，PREMACHANDRAN C，et al.Advanced MEMS packaging.New York:McGraw － Hill，2009:5 －6.

［2］PREMACHANDRAN C，CHONG S，NAGARAJAN R.Fabrication and testing of a wafer-level vacuum package for MEMS device.IEEE，2009，32(2):486 －490.

［3］BLANCO S，TOPART P，DESROCHES Y，et al.Low-temperature vacuum hermetic wafer-level package for uncooled microbolometer FPAs.SPIE，2008，6884:1 －8.

［4］HATA H，NAKAKI Y，INOUE H，et al.Uncooled IRFPA with chip scale vacuum package .SPIE，2006，6206:1 －10.

［5］BAUER J，WEILER D，RUB M，et al.Fabrication method for chipscale-vacuum-packages based on a chip-to-wafer-process.SPIE，2010，7834:1 －8.

［6］CHEN Y，LEE S，LEE C.High temperature Cu － Sn joints manufactured by a 250℃ fluxless bonding process.IEEE，1995:206－211.

［7］ORII Y，TORIYAMA K，KOHARA S，et al.Effect of preformed Cu －Sn IMC Layer on Electromigration Reliability ofSolder Capped Cu Pillar Bump Interconnection on an organic substrate.IEEE，2012:1－4.

［8］ZHANG R，TIAN Y，LIU B L，et al.Growth mechanism of Cu － Sn full IMC joints on polycrystalline and single crystal Cu substrate.IEEE，2013:1276 －1279.

［9］LIU H，WANG K，AASMUNDTVEIT K，et al.Intermetallic Cu3Sn as oxidation barrier for fluxless Cu －Sn bonding.IEEE，2010:853 －857.

［10］RONG Y B，CAI J，WANG SHUI D，et al.Low temperature Cu － Sn bonding by Lsothermal solidification technology .IEEE，2009:96 －98.

［11］刘仁志.现代电镀手册.北京:化学工业出版社，2010.