基于感应加热的MEMS封装技术与应用研究

摘要

随着MEMS技术的发展，封装已成为阻碍MEMS商业化的主要技术瓶颈。从某种角度而言，封装不仅是一门制造技术（Manufacturing technology），而且是一门基础科学（Science）,良好的封装需要对材料、工艺力学和热学等物理本质的理解和应用。 本文应用感应加热的原理，对感应加热封装键合的设计、模拟、试验和具体应用等方面进行了深入研究。主要内容如下： 1）介绍了圆片键合的原理、方法、质量评价、设计与模拟等。从材料选择和工艺条件方面，对圆片直接键合、阳极键合、共晶键合等常用MEMS键合方法进行了对比分析。采用自制的阳极键合机研究了阳极键合后处理工艺对键合强度的影响，发现冷却速度过快导致了玻璃内部热应力加大，键合强度降低，而一定温度范围内的热循环和热冲击有助于键合强度的提高。由于MEMS封装是一种专用封装，对每一种MEMS器件必须进行独立的封装设计，而封装模拟的目的就在于分析设计的可行性，加快研发进程，降低工艺成本。 2）由于感应加热具有加热速度快，非接触加热及对材料和结构具有选择性，可实现精确局部加热等特点，特别适合MEMS的封装键合。文中分别从感应电源（频率与功率）、感应器（结构与尺寸）、键合层（材料与尺寸）、阻抗匹配等方面对感应加热键合设计进行了分析。此外，由于高频电磁场对人体的危害，必须对高频感应加热装置进行电磁屏蔽。根据感应加热的特点，可以应用红外测温仪或温度指示漆对感应加热温度进行测量，而感应加热的模拟是电磁场和温度场的耦合场计算。 3）基于感应加热的原理和设计，对感应整体和局部加热键合进行了试验研究和分析。对于感应阳极键合，由于电磁场的存在，加速了带电粒子的迁移，可实现快速（几分钟内）、低温（低于250℃）下的阳极键合，并且键合过程中的电压对键合强度的影响降低；基于感应加热，文中对金硅共晶键合的原理和过程进行了分析讨论，由于键合速度快（几秒钟就可形成共晶相），感应加热金硅键合可有效降低键合过程中由于金扩散到硅中造成的污染，提高了器件性能；对局部加热封装的原理、特点和方法进行了评述，基于MEMS工艺，对感应局部加热实现金硅共晶键合的设计、试验过程和结果进行了重点分析。采用有限元分析软件（ANSYS）对感应局部加热键合过程进行了模拟分析，分析结果很好地验证了上述试验结果。此外，还进行了感应局部加热金锡共晶键合和阳极键合试验。 4）采用感应加热进行了微型陀螺仪的局部加热封装试验。结果表明，由于热量集中在键合焊料区，对陶瓷外壳底座上的陀螺仪芯片影响很小。封装过程中的温度测试和有限元模拟结果得到了相互验证。根据发光二极管（LED）封装散热的要求，选用Cu－Sn合金作为芯片和热沉间的封装材料，应用感应局部加热工艺实现了LED封装，提高了其使用性能。 5）自行研制和组装了阳极键合机、高频感应加热键合机、射频感应加热键合机等三套试验设备，编写了气密MEMS圆片级封装技术规范(试行稿)。 总结全文，主要创新之处有： 1）在国际上首次系统研究了感应加热封装键合过程中的关键技术问题。基于感应加热理论，从感应电源选择、感应器和键合层设计、阻抗匹配、温度测量等几个方面对感应加热键合进行了具体分析和试验研究。应用感应加热对微型陀螺仪和LED进行了局部加热封装，提高了封装效率和可靠性； 2）在国内首次进行了感应加热阳极键合试验。由于电磁场加速了带电粒子迁移，可实现快速低温阳极键合，并且键合过程中的电压对键合强度影响降低；而感应加热金硅键合可有效降低键合过程中由于金扩散到硅中造成的污染，提高了器件性能； 3）对阳极键合后处理工艺对键合强度的影响进行了具体研究，发现冷却速度过快导致了玻璃内部热应力加大，键合强度降低，而一定温度范围内的热循环和热冲击有助于键合强度的提高。