微机电系统(MEMS)器件低温封装方法研究

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微机电系统(MEMS)封装技术是制约微机电系统商业化的主要瓶颈。近年来随着RFMEMS和生化MEMS技术的飞速发展,对MEMS器件的封装提出了更高的技术要求,迫切需要开发MEMS器件低温封装方法。Au80Sn20焊料键合广泛应用于光电子器件和MEMS器件的封装,但该焊料属于硬焊料不能产生较大的塑性变形以释放结构中的应力,而且焊料中Au重量比占80%,成本较高。热压键合工艺流程简单,近年来开始用于MEMS器件的封装,为达到高键合强度和密封性的键合仍需对该方法做进一步的研究。局域加热键合是一种通用的低温键合方法,具有广阔的应用前景,但目前该技术还不成熟。本论文集中对富锡金锡焊料键合、金-金热压键合和局域加热键合这三种低温键合方法开展了研究,具体研究内容如下:  1.研究了富锡金锡焊料键合性能对金锡组分和键合条件的依赖关系,主要包括两方面的内容:具有高维氏硬度的AuSn2相对键合剪切强度有重要贡献,在此基础上,使用Au46Sn54富锡焊料在310℃时得到了最高的键合剪切强度(64MPa);通过减小键合压力到0.35MPa并在键合圆片上刻蚀出键合图形,使得键合环被不与Au-Sn焊料浸润的介电层包围,有效地解决了焊料的外流问题。  2.研究了不同键合条件对金-金热压键合质量的影响。通过使用高表面平整度的金薄膜,并优化金-金热压键合工艺:采用80MPa的键合压力,在300℃下键合60分钟,并在键合完成后于300℃下退火处理60分钟,显著提高了金-金热压键合的强度(32.7MPa)和密封性(90天内不漏水)。  3.研制了基于局域电阻加热的圆片级低温键合装置,并在此基础上使用富锡金锡焊料对局域加热键合进行了初步的研究,得到了剪切强度约为10MPa的局域加热键合。
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