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金属化和电互连系统

2016-12-13 1 INTRODUCTION TO BIO- MEMS/NEMS 丁卫平 电子科学与技术系 网址: 电子邮件:wpdings@ 办公室:科技楼东楼 403/416 恶劣环境下的MEMS器件封装技术 A引言 C圆片级封装 E 粘合芯片结构的热 机械特性 B 封装材料 D 高温电气互连系统 F 高温陶瓷封装系统 G相关讨论 引言 封装是IC制造的最后过程,通常起到保护芯片和 方便装配的作用。 对于MEMS器件,由于其既为电子器件又为机械 器件。与传统IC封装相比,还应满足机械操作性、 非电学信号转换、热机械可靠性等不同要求。 此外,在恶劣环境下高温,高动态压强,氧化合 还原性的化学腐蚀会使传统的封装方法不在适用, 需要加以改良。 一般恶劣环境用MEMS器件应该可以经受500℃ 高温、氧化合还原性的化学腐蚀以及高动态压力 环境。 衬底 金属化和电互联系统 芯片粘合材料 01 02 03 04密封 封装材料 衬底材料 封装衬底的基本功能是提供一个平台,用于粘合器件芯片、金 属电气化互连、设置连接芯片和外界环境的导线、建立非化学 信号通路、提供机械和化学防护。 塑料和聚合材料在350℃以上会熔化或解 聚× 金属和合金材料在500℃会氧化,且易腐 蚀× 陶瓷材料化学电学稳定性良好,几乎不受 高温和腐蚀性气体环境影响√ 金属化和电互连系统 传统的金属化和电互联系统包括厚膜金属化电路连线。 传统金属和合金材料如:铜、铝、金/镍涂层的 铁钴镍合金等。200℃以上互连系统机械强度下 降、500℃以上易氧化 × 贵金属如金,高温下导电良好、化学性质稳定、 热应力小 √ 表面修正和增加涂层,可解决高温大电流密度 下电子迁移问题 √ 使用惰性气体或真空封装,可改善高温氧化和腐 蚀问题 √ 2016-12-13 2 芯片粘合材料 芯片粘合材料的基本功能是为芯片提供机械、电和热的支撑。 传统粘合材料均工作在250℃以下环境,500℃高温均出现问 题: 环氧结构材料解聚、共晶材料氧化和融化、 玻璃材料软化和融化。 结构 改变 主要是热膨胀系数不同导致的器件退化和 破损。 热机械特 性不匹配 导电导热性改变导致信号漂移失真。 性质 改变 理想粘合材料应有良好导电导热性和高温下物理化学性质稳定,以及不太高温度下 固化加工能力。 密封 A 材料性能 常用柔性密封材料如 塑料和聚合材料在高 温下失效。 B 热机械效应 密封常在不同材料间 进行,高温下这些材 料的热膨胀系数难以 匹配。 C 热过程 一些热过程如扩散和 放气在高温下变得活 跃或得到促进。 密封为封装器件创造和保持一个稳定的工作环境,有时 还需要化学惰性。 高温下密封的主要困难有: 圆片级封装 键合去氧化物 再清 洗清洗 A JTB-111清洗 B 10%v/v氢氟 酸 和 去 离 子 水清洗 C 1100℃超高 真 空 处 理 30min去除 表面氧化物 D 8 0 0 ℃ ~ 1000℃,单 轴 向 压 力 10MPa,持 续15h键合 圆片级工艺在MEMS的器件加工和封装中已经得到广泛应用。但是传统的大多数圆 片级封装技术都基于硅材料系统,不适用于高温环境。 一种合理的替代方案是使用SiC材料,SiC的电学和机械特性均适用于高温环境,目 前SiC材料的金属化,钝化,圆片键合等技术已经可以实现。 3×1018/cm3的n型掺杂6H-SiC晶片在(001)晶向上的熔融键合过程: 高温电气互连系统 本节给出一个高温微器件的实例: 陶瓷材 料(Al2O3 或AlN) 衬底 金 厚膜金属化 与引线键合 金属膜粘 合(镍) 粘合材料 SiC芯片 (二极管 和 MESFET) 测试芯片 厚膜金属化 厚膜金属化材料通常由 纯金属粉(金)、无机 粘接剂和有机载体组成。 在烘干过程(100~ 150℃)中有机载体蒸 发,固化过程(约 850℃)中金属粉末形 成粘性膜,无机粘合剂 迁移到金属-衬底表面 形成反应粘合链。 引线键合 确定材料后,引线键合 可以使用引线键合机直 接键合到金属膜金属化 焊盘上,但是需要对其 高温性能进行评测: 如图为室温和500℃温 度条件下对阻值的持续 监测图像,前1200h无 外界偏置,后500h加入 了50mA直流偏置。不 同温度、有无偏压情况 下都未发生明显改变。 2016-12-13 3 导电芯片的粘合 通过在圆片表面淀积一层镍薄膜,在氩气氛下 950℃退火5min可以将SiC粘合在金属厚膜上。 对键合后的二极管和MESFET进行高温电学测试, 可见其电学性质均无明显变化。 500℃温度下的二极管I-U特 性曲线。 923K温度下的MESFET的I-U特 性曲线 粘合芯片结构的热机械特性 架设粘合芯片结构中温度分布是静态的和均匀的, 且整个结构上外力为零,

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