Cu/Sn等温凝固键合技术在MEMS圆片级气密封装中的应用

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随着MEMS技术发展和商业化进程的推进,MEMS封装成为关键问题之一,尤其是低成本和高可靠性的圆片级气密封装技术尚不能够完全满足应用要求。MEMS圆片级气密封装不仅能防止外部环境对内部器件的污染,还能防止划片工艺对MEMS器件内部结构的破坏;而真空气密封装可以提高多种MEMS器件(如RFMEMS开关、微谐振器、陀螺等)的性能,对MEMS技术的发展和应用具有至关重要的影响。 本文通过对常用气密性封装键合方法和键合材料存在的问题进行分析,提出了一种新颖的介质键合方法—Cu/Sn等温凝固键合。在研究了等温凝固和Cu/Sn反应机理的基础上,对Cu/Sn—Cu等温凝固键合工艺进行了优化,包括:Cu/Sn薄膜的电镀成形工艺,种子层的选择性干法去除工艺,表面杂质的等离子预处理技术,键合温度曲线的优化,以及键合温度的选择,最终成功实现了圆片级气密性封装。利用X射线检测、金相分析、剪切强度和气密性检测等方法对Cu/Sn键合质量进行了检测,分析了键合层材料结构、Sn膜的厚度和密封环宽度对Cu/Sn键合的气密性的影响。实验结果表明:优化后的Cu/Sn-Cu结构具有理想的键合效果,最小50μm线宽的密封环就能实现良好的气密性封装;其最大剪切强度达到27.7Mpa,漏率~2×10-9atm cc/s,达到了MIL-STD-883E标准的要求。 本文还应用Cu/Sn等温凝固键合气密性封装技术和硅MEMS工艺成功制备了三明治结构的微谐振器,分别测试了微谐振器在气密封装和大气环境下工作时的幅频特性,对比其品质因数Q,验证了Cu/Sn气密性封装技术的有效性和实用性。 本文讨论了MEMS可靠性的特点,总结了主要的失效模式和分析方法。在-55℃~125℃对Cu/Sn等温凝固气密封装的样品进行了1000次温度冷热循环实验,气密性测试结果表明Cu/Sn键合气密封装具有良好的温度可靠性。最后通过研究样品的气密性和剪切强度变化,我们对Cu/Sn键合可能的失效机理和使用寿命进行了分析。
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