專(zhuān)利名稱(chēng)：一種硅片與玻璃片的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS封裝中的焊接方法，尤其涉及一種基于超聲致熱的硅片與玻璃片的低溫陽(yáng)極鍵合方法。
背景技術(shù)：
陽(yáng)極鍵合和引線(xiàn)鍵合是MEMS封裝中的主要鍵合焊接方法。引線(xiàn)鍵合是一種利用超聲、熱、壓力將芯片和引線(xiàn)框架上的焊盤(pán)用金或銅導(dǎo)線(xiàn)互相連接起來(lái)的工藝過(guò)程，通過(guò)超聲摩擦能夠去除鍵合界面的氧化物，軟化鍵合界面，在熱和壓力的作用下將金或銅與焊盤(pán)(一般為鋁焊盤(pán))焊接在一起，例如專(zhuān)利文獻(xiàn):CN1773688A，其主要用于金屬之間的焊接。陽(yáng)極鍵合又稱(chēng)靜電鍵合或者場(chǎng)助鍵合，在MEMS技術(shù)領(lǐng)域中，主要是玻璃與硅的表面鍵合工藝，其基本原理是將直流電源正極接硅片，負(fù)極接玻璃片，由于玻璃在一定高溫下的性能類(lèi)似于電解質(zhì)，而硅片在溫度升高到300°C 400°C時(shí)，電阻率將因本征激發(fā)而降至
0.1Ω.m，此時(shí)玻璃種的導(dǎo)電粒子(如Na+)在外電場(chǎng)作用下漂移到負(fù)電極的玻璃表面，而在緊鄰硅片的玻璃表面留下負(fù)電荷，由于Na+的漂移使電路中產(chǎn)生電流流動(dòng)，緊鄰硅片的玻璃表面會(huì)形成一層極薄寬度約為幾μ m的空間電荷區(qū)(或稱(chēng)耗盡層)。由于耗盡層帶負(fù)電荷，硅片帶正電荷，所以硅片與玻璃之間存在較大的靜電吸引力，使兩者緊密接觸，并在鍵合面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成牢固結(jié)合的S1-O共價(jià)鍵，將硅與玻璃界面牢固地連接在一起。與其它鍵合技術(shù)相比，陽(yáng)極鍵合具有成本低、工藝簡(jiǎn)單、鍵合強(qiáng)度高和密封性好等優(yōu)點(diǎn)，此外相對(duì)于硅熔融鍵合技術(shù)還有對(duì)超凈環(huán)境要求不高且能容忍更大表面粗糙度的顯著優(yōu)勢(shì)。因此在對(duì)密封、鍵合強(qiáng)度要求較高的MEMS器件，如真空傳感器、微機(jī)械紅外探測(cè)器、三維微加速度計(jì)、機(jī)械微陀螺、微型原子鐘銣腔等，進(jìn)行后道封裝時(shí)陽(yáng)極鍵合是不可或缺的工藝手段。同時(shí)也在硅基混合微傳感器、微發(fā)生器以及微流控裝置等MEMS器件的制作、封裝中廣泛地應(yīng)用。因此陽(yáng)極鍵合技術(shù)發(fā)展水平對(duì)MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步具有重要的影響。在目前的高溫陽(yáng)極鍵合技術(shù)中，過(guò)低的溫度會(huì)使玻璃的導(dǎo)電性變差，同時(shí)玻璃無(wú)法軟化，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)玻璃表面微觀峰的蠕動(dòng)，造成玻璃與硅片的界面無(wú)法達(dá)到靜電力作用的距離，因此高溫是實(shí)現(xiàn)這種陽(yáng)極鍵合的必要條件。但高溫又使陽(yáng)極鍵合容易產(chǎn)生如下問(wèn)題:其一，高溫引起MEMS器件損壞。對(duì)于某些溫敏器件而言，過(guò)高的溫度會(huì)使其精度降低，甚至?xí)蛊淦茐亩?，而這些微結(jié)構(gòu)和電路所能承受的溫度是有嚴(yán)格限制的，否則就會(huì)造成器件的損壞或者影響其使用壽命，如CMOS電路在400°C下超過(guò)15分鐘就會(huì)發(fā)生S1-Al反應(yīng)，使電路結(jié)構(gòu)破壞。其二，高溫容易引起殘余應(yīng)力。高溫長(zhǎng)時(shí)間作用于硅-玻璃鍵合基體上容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，在完成鍵合冷卻后熱應(yīng)力無(wú)法釋放，會(huì)造成MEMS器件工作不穩(wěn)定和可靠性降低。其三，高溫誘發(fā)離子擴(kuò)散。在某些MEMS器件中，為了實(shí)現(xiàn)特定功能，往往在娃基底中摻入某些特定的離子，而在對(duì)這些摻雜過(guò)的MEMS器件進(jìn)行鍵合時(shí)，高溫的鍵合過(guò)程會(huì)使摻雜物質(zhì)重新擴(kuò)散，這將改變雜質(zhì)分布和電學(xué)特性，而且如果界面存在一些污染和缺陷，在高溫的作用下也會(huì)擴(kuò)散開(kāi)，使產(chǎn)品失效區(qū)域變得不可控，同時(shí)使鍵合界面電學(xué)特性劣化，嚴(yán)重地影響了 MEMS器件的性能。高溫鍵合過(guò)程中存在的這些問(wèn)題越來(lái)越不能適應(yīng)MEMS器件高性能發(fā)展的需求。針對(duì)高溫陽(yáng)極鍵合對(duì)MEMS器件所產(chǎn)生的不利影響，目前有介質(zhì)阻擋等離子體放電表面處理的方法實(shí)現(xiàn)低溫陽(yáng)極鍵合，例如專(zhuān)利文獻(xiàn):CN102659071A，但此方法需要的放電電壓為500-2000V，這對(duì)某些對(duì)高電壓敏感的MEMS器件來(lái)說(shuō)是不可行的，高壓容易擊穿MEMS器件中的電路，從而損壞需要鍵合的MEMS器件，另外，其工作臺(tái)加熱溫度范圍為250-350°C，溫度對(duì)于有的MEMS器件而言，仍然過(guò)高，會(huì)影響了 MEMS器件的性能。因此，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，有必要提供一種能夠在低溫條件下，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極鍵合的裝置和方法，以克服上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于超聲致熱的娃片與玻璃片的超聲陽(yáng)極鍵合方法，在施加較低溫度下即能實(shí)現(xiàn)性能良好的陽(yáng)極鍵合。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種硅片與玻璃片的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，該方法包括以下具體步驟:
(O設(shè)定溫控鍵合爐的加熱溫度；
(2)設(shè)置超聲參數(shù)，超聲參數(shù)包括超聲頻率，超聲功率，超聲持續(xù)時(shí)間；
(3)設(shè)置陽(yáng)極鍵合參數(shù)，陽(yáng)極鍵合參數(shù)包括鍵合電壓，鍵合壓力和鍵合時(shí)間；
(4)按照陽(yáng)極鍵合要求將玻璃片夾持在一手動(dòng)升降臺(tái)上，將硅片夾持在超聲變幅桿上，超聲變幅桿固定在一可動(dòng)工作臺(tái)上；
(5)可動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)硅片移動(dòng)，并按設(shè)定的鍵合壓力使硅片與玻璃片相互接觸，然后按照設(shè)定好的超聲參數(shù)在硅片上施加超聲，使硅片與玻璃相互摩擦，活化鍵合界面；
(6)去掉超聲的同時(shí)，施加鍵合電壓進(jìn)行陽(yáng)極鍵合；
(7)鍵合完成后拆下被鍵合件。優(yōu)選的，在上述超聲陽(yáng)極鍵合方法中，溫控鍵合爐的加熱溫度為18(T220°C，尤其是 200。。。優(yōu)選的，在上述超聲陽(yáng)極鍵合方法中，超聲頻率為55-75 kHz，尤其是65 kHz。優(yōu)選的，在上述超聲陽(yáng)極鍵合方法中，超聲功率為3-5 W，尤其是4W。優(yōu)選的，在上述超聲陽(yáng)極鍵合方法中，超聲持續(xù)時(shí)間為4-8秒，尤其是5秒。優(yōu)選的，在上述超聲陽(yáng)極鍵合方法中，鍵合電壓為350-450 V，尤其是400V。優(yōu)選的，在上述超聲陽(yáng)極鍵合方法中，鍵合壓力為IOgf _30gf，尤其是20gf。優(yōu)選的，在上述超聲陽(yáng)極鍵合方法中，鍵合時(shí)間為20-30秒，尤其是25秒。優(yōu)選的,所述可動(dòng)工作臺(tái)由Z軸自動(dòng)升降臺(tái)、X軸平臺(tái)、Z軸支架、Y軸平臺(tái)組成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
(O由于現(xiàn)有的超聲一般是用于有金線(xiàn)或者銅線(xiàn)或者鋁線(xiàn)引線(xiàn)鍵合，而在鍵合領(lǐng)域中，引線(xiàn)鍵合是不會(huì)用在硅和玻璃鍵合當(dāng)中的，本發(fā)明創(chuàng)造性地將超聲鍵合應(yīng)用到陽(yáng)極鍵合中，相對(duì)于傳統(tǒng)高溫陽(yáng)極鍵合方法，本發(fā)明的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法在同樣鍵合強(qiáng)度下，鍵合溫度，鍵合電壓及鍵合時(shí)間均能大大縮減，提高了 MEMS器件的鍵合效率。(2)降低了鍵合的殘余應(yīng)力，避免了高溫導(dǎo)致的溫度梯度的出現(xiàn)而造成比較大的熱應(yīng)力，使鍵合界面出現(xiàn)裂紋或者鍵合片破損，提高了 MEMS器件的穩(wěn)定性、可靠性、耐疲勞性以及一致性等性能指標(biāo)。(3)能夠?yàn)槠渌雽?dǎo)體封裝方法提供借鑒，在不適用高溫的領(lǐng)域引入超聲不失為一種切實(shí)可行的能量施加方法，為半導(dǎo)體封裝工藝提供新的思路。


圖1是本發(fā)明的低溫超聲陽(yáng)極鍵合裝置整體裝配示意圖。圖2是本發(fā)明的低溫超聲陽(yáng)極鍵合裝置的玻璃片夾持器示意圖。圖3是本發(fā)明的低溫超聲陽(yáng)極鍵合裝置的硅片夾持器示意圖。圖4是本發(fā)明的低溫超聲陽(yáng)極鍵合裝置的硅片夾持器的夾持部示意圖。圖5是本發(fā)明的低溫超聲陽(yáng)極鍵合裝置的硅片夾持器剖面圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示的一種低溫超聲陽(yáng)極鍵合裝置，包括底板1，手動(dòng)升降臺(tái)2，溫控鍵合爐3，玻璃片夾持器4，硅片夾持器5，超聲變幅桿6，Z軸自動(dòng)升降臺(tái)7，顯微鏡8，X軸平臺(tái)9，Z軸支架10，Y軸平臺(tái)11，超聲波發(fā)生器12，直流電源13，電器支架14，控制系統(tǒng)15。其中如圖2所示，玻璃片夾持器4由高壓氣體接頭4-1，第一夾持片4-2，第一預(yù)緊彈簧4-3，第一預(yù)緊片4-4，第一預(yù)緊螺釘4-5，第二夾持片4-6，第二預(yù)緊彈簧4_7，第二預(yù)緊片4-8，第二預(yù)緊螺釘4-9組成。其中如圖3-圖5所示，硅片夾持器5由變幅桿連接塊5-1，絕緣墊片5_2，高壓氣體接頭5-3，真空吸附接頭5-4，高壓電接片5-5，硅片夾持腔體5-6，第三預(yù)緊螺釘5_7，第三預(yù)緊片5-8，第三預(yù)緊彈簧5-9，第三夾持片5-10，真空吸附口 5-11，第四預(yù)緊螺釘5-12，第四預(yù)緊片5-13，第四預(yù)緊彈簧5-14，第四夾持片5-15，高壓氣體通道5-16，真空吸附通道5-17組成。運(yùn)用本發(fā)明的低溫超聲陽(yáng)極鍵合裝置進(jìn)行鍵合的方法如下:
首先，控制系統(tǒng)15控制溫控鍵合爐3設(shè)定至溫度為18(T200°C，當(dāng)溫控鍵合爐溫度穩(wěn)定后，控制系統(tǒng)15將連接玻璃片夾持器4上高壓氣體接頭4-1的電磁閥打開(kāi)，高壓氣體接頭
4-1接通高壓氣體，高壓氣體推動(dòng)玻璃片夾持器4上的第一夾持片4-2和第二夾持片4-6張開(kāi)一定距尚，將玻璃片放直在玻璃片夾持器4上,然后控制系統(tǒng)15控制電磁閥關(guān)閉，撤掉聞壓氣體，第一夾持片4-2和第二夾持片4-6分別在第一預(yù)緊彈簧4-3和第二預(yù)緊彈簧4-7的壓力作用下，推動(dòng)第一夾持片4-2和第二夾持片4-6壓緊玻璃片，將玻璃片固定在玻璃片夾持器4上。夾緊力的大小可由第一預(yù)緊片4-4、第一預(yù)緊彈簧4-3以及第二預(yù)緊片4-8、第二預(yù)緊彈簧4-7來(lái)決定，當(dāng)?shù)谝活A(yù)緊螺釘4-5和第二預(yù)緊螺釘4-9往玻璃片夾持器4內(nèi)部擰緊時(shí)，會(huì)相應(yīng)推動(dòng)預(yù)緊片第一預(yù)緊片4-4和及第二預(yù)緊片4-8壓緊第一預(yù)緊彈簧4-3和第二預(yù)緊彈簧4-7，從而使得夾緊力增大。反之，夾緊力減小。將硅片放置在玻璃片夾持器4的右前端，調(diào)整硅片位置使硅片的兩邊與玻璃片夾持器4的兩外邊緣對(duì)齊?？刂葡到y(tǒng)15控制X軸平臺(tái)9和Y軸平臺(tái)11運(yùn)動(dòng)，將顯微鏡8對(duì)準(zhǔn)硅片，控制系統(tǒng)15控制X軸平臺(tái)9和Y軸平臺(tái)11，將硅片夾持器5運(yùn)動(dòng)至硅片上方，將連接硅片夾持器5上高壓氣體接頭5-3的電磁閥打開(kāi)，高壓氣體接頭5-3接通高壓氣體，高壓氣體推動(dòng)娃片夾持器5上的第三夾持片5-10和第四夾持片5-15張開(kāi)一定距離,控制系統(tǒng)15控制Z軸自動(dòng)升降臺(tái)7往下運(yùn)動(dòng)，直至集成在超聲變幅桿6上的傳感器檢測(cè)到硅片夾持器5接觸到硅片時(shí)，Z軸自動(dòng)升降臺(tái)7停止運(yùn)動(dòng)。然后將連接硅片夾持器5上真空吸附接頭5-4的電磁閥打開(kāi)，真空吸附接頭5-4接通真空泵，將硅片吸附在硅片夾持器5上，控制系統(tǒng)15控制連接高壓氣體接頭5-3的電磁閥關(guān)閉，撤掉高壓氣體，第三夾持片5-10和第四夾持片5-15分別在第三預(yù)緊彈簧5-9和第四預(yù)緊螺釘5-12的壓力作用下，推動(dòng)第三夾持片5-10和第四夾持片5-15壓緊娃片,將娃片固定在娃片夾持器5上,夾緊力的大小可由第三預(yù)緊片5-8、第三預(yù)緊彈簧5-9以及第四預(yù)緊片5-13、第四預(yù)緊彈簧5-14來(lái)決定，當(dāng)?shù)谌A(yù)緊螺釘5-7和第四預(yù)緊螺釘5-12往硅片夾持器5內(nèi)部擰緊時(shí)，會(huì)相應(yīng)推動(dòng)第三預(yù)緊片5-8和第四預(yù)緊片5-13壓緊第三預(yù)緊彈簧5-9和第四預(yù)緊彈簧5-14，從而使得夾緊力增大；反之，夾緊力減小。Z軸自動(dòng)升降臺(tái)7向上運(yùn)動(dòng)一定距尚?？刂葡到y(tǒng)15控制X軸平臺(tái)9和Y軸平臺(tái)11運(yùn)動(dòng)，將硅片移動(dòng)至玻璃片上方，并完成娃片與玻璃片的自動(dòng)對(duì)齊，Z軸自動(dòng)升降臺(tái)7帶動(dòng)娃片向下運(yùn)動(dòng),直至集成在超聲變幅桿6上的傳感器檢測(cè)到硅片接觸到玻璃片時(shí)，Z軸自動(dòng)升降臺(tái)7停止運(yùn)動(dòng)。超聲變幅桿6末端的力控制器，施加20gf的鍵合壓力，控制系統(tǒng)15控制超聲波發(fā)生器輸出持續(xù)時(shí)間5秒的超聲，其中超聲頻率為65kHz，超聲功率為4W，超聲施加完畢后，控制系統(tǒng)15控制直流電源13輸出持續(xù)時(shí)間25秒的400V的電壓，電壓施加完畢后，此時(shí)硅片與玻璃片鍵合到一起?？刂葡到y(tǒng)15控制連接硅片夾持器5上高壓氣體接頭5-3的電磁閥打開(kāi)，高壓氣體接頭5-3接通高壓氣體，高壓氣體推動(dòng)硅片夾持器5上的第三夾持片5-10和第四夾持片
5-15張開(kāi)一定距離，使硅片夾持器5不再夾持硅片，控制系統(tǒng)15控制Z軸自動(dòng)升降臺(tái)7向上運(yùn)動(dòng)一段距離，關(guān)閉連接高壓氣體接頭5-3的電磁閥，撤掉高壓氣體，使第三夾持片5-10和第四夾持片5-15回復(fù)至初始位置?？刂葡到y(tǒng)15控制連接玻璃片夾持器4上高壓氣體接頭4-1的電磁閥打開(kāi)，高壓氣體接頭4-1接通高壓氣體，高壓氣體推動(dòng)玻璃片夾持器4上的第一夾持片4-2和第二夾持片4-6張開(kāi)一定距離，使玻 璃片夾持器4不再夾持玻璃片，將鍵合好的硅片與玻璃片從玻璃片夾持器中4取出，關(guān)閉連接高壓氣體接頭4-1的電磁閥，撤掉高壓氣體，使第一夾持片4-2和第二夾持片4-6回復(fù)至初始位置，完成硅片與玻璃片的低溫超聲陽(yáng)極鍵合。采用此該低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法后的硅片與玻璃片鍵合強(qiáng)度測(cè)得為9.8MPa，鍵合時(shí)間為25秒。下表為采用傳統(tǒng)高溫陽(yáng)極鍵合方法在不同的鍵合參數(shù)下測(cè)得的鍵合強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種硅片與玻璃片的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，該方法包括以下具體步驟: (1)設(shè)定溫控鍵合爐的加熱溫度； (2)設(shè)置超聲參數(shù)，超聲參數(shù)包括超聲頻率，超聲功率，超聲持續(xù)時(shí)間； (3)設(shè)置陽(yáng)極鍵合參數(shù)，陽(yáng)極鍵合參數(shù)包括鍵合電壓，鍵合壓力和鍵合時(shí)間； (4)按照陽(yáng)極鍵合要求將玻璃片夾持在一手動(dòng)升降臺(tái)上，將硅片夾持在超聲變幅桿上，超聲變幅桿固定在一可動(dòng)工作臺(tái)上； (5)可動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)硅片移動(dòng)，并按設(shè)定的鍵合壓力使硅片與玻璃片相互接觸，然后按照設(shè)定好的超聲參數(shù)在硅片上施加超聲，使硅片與玻璃相互摩擦，活化鍵合界面； (6)去掉超聲的同時(shí)，施加鍵合電壓進(jìn)行陽(yáng)極鍵合； (7)鍵合完成后拆下被鍵合件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，其特征在于:溫控鍵合爐的加熱溫度為 18(T220°C，尤其是 200°C。
3.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，其特征在于:超聲頻率為55-75 kHz，尤其是 65 kHz。
4.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，其特征在于:超聲功率為3-5 W，尤其是4W。
5.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，其特征在于:超聲持續(xù)時(shí)間為4-8秒，尤其是5秒。
6.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，其特征在于:鍵合電壓為350-450 V，尤其是 400V。
7.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，其特征在于:鍵合壓力為IOgf _30gf，尤其是 20gf。
8.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，其特征在于:鍵合時(shí)間為20-30秒，尤其是25秒。
9.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，其特征在于:所述可動(dòng)工作臺(tái)由Z軸自動(dòng)升降臺(tái)、X軸平臺(tái)、Z軸支架、Y軸平臺(tái)組成。
全文摘要
一種硅片與玻璃片的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法，該方法包括以下具體步驟將玻璃片夾持在一固定工作臺(tái)上，將硅片夾持在超聲換能器上，超聲換能器固定在一可動(dòng)工作臺(tái)上，設(shè)定工作臺(tái)的加熱溫度，設(shè)置超聲參數(shù)，設(shè)置陽(yáng)極鍵合參數(shù)，可動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)硅片移動(dòng)，并按設(shè)定的鍵合壓力使硅片與玻璃片相互接觸，使硅片與玻璃相互摩擦，活化鍵合界面；去掉超聲的同時(shí)，施加鍵合電壓進(jìn)行陽(yáng)極鍵合；鍵合完成后拆下被鍵合件。相對(duì)于傳統(tǒng)高溫陽(yáng)極鍵合方法，本發(fā)明的低溫超聲陽(yáng)極鍵合方法在同樣鍵合強(qiáng)度下，鍵合溫度，鍵合電壓及鍵合時(shí)間均能大大縮減，提高了MEMS器件的鍵合性能。
文檔編號(hào)B81C3/00GK103145096SQ20131010055
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者劉曰濤, 肖春雷, 王偉, 楊明坤, 魏修亭 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)