一種微機(jī)電系統(tǒng)封裝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微機(jī)電系統(tǒng)封裝方法，屬于集成電路封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。所述方法包括：將P(EO)n-LiX與金屬材料進(jìn)行靜電鍵合，所述P(EO)n-LiX的n=4—60，X=SCN，N(CF3SO2)2，C1O4，CF3SO3。本發(fā)明通過(guò)組分的設(shè)計(jì)和添加劑的調(diào)整，制備出適合與金屬材料鍵合的離子導(dǎo)電高分子固體電解質(zhì)材料P(EO)n—LiX。
【專利說(shuō)明】一種微機(jī)電系統(tǒng)封裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)封裝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀(jì)后半葉，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和微制造技術(shù)的發(fā)展，制造毫微米尺寸的微型機(jī)電一體化系統(tǒng)成為可能，許多微型機(jī)械將機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)器、傳感器、控制器、電源集于很小的晶片上，從而形成了完備的微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectro Mechanical System,MEMS)。目前，MEMS已成為世界矚目的重大科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域之一，其研究成果廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車、信息通訊、生物技術(shù)、醫(yī)療、分析診斷等領(lǐng)域，涌現(xiàn)出許多基于制造MEMS技術(shù)的各種微器件系統(tǒng)，如壓力傳感器、流量傳感器、應(yīng)變傳感器、慣性運(yùn)動(dòng)傳感器、微致動(dòng)器、RF開關(guān)和生物芯片等。
[0003]封裝技術(shù)是復(fù)雜MEMS制造的重要環(huán)節(jié)之一，直接影響MEMS的使用壽命和應(yīng)用范圍。目前封裝技術(shù)主要有靜電鍵合、熔融鍵合和膠接等。相對(duì)于靜電鍵合，熔融鍵合和膠接技術(shù)存在效率低、污染晶片和壽命短等缺點(diǎn)，從而限制了他們的應(yīng)用范圍。而靜電鍵合具有連接溫度低、速度快、工藝簡(jiǎn)單、鍵合強(qiáng)度高、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，可以在不使用任何粘結(jié)劑的情況下對(duì)金屬、硅片、陶瓷(玻璃)、形狀記憶合金等功能材料進(jìn)行鍵合。其連接實(shí)質(zhì)是固體界面的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，在一定溫度和電場(chǎng)作用下，通過(guò)固體電解質(zhì)玻璃中堿金屬離子的離解和遷移，在連接界面產(chǎn)生高電場(chǎng)和強(qiáng)靜電吸引力，從而形成緊密接觸及電化學(xué)反應(yīng)連接。高分子固體電解質(zhì)(Soli d Polymer Electrolytes, SPE),是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型固體電解質(zhì)材料。高分子固體電解質(zhì)(Soli d Polymer Electrolytes, SPE),是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型固體電解質(zhì)材料。將SPE和金屬類材料的靜電鍵合封裝技術(shù)用于微電子器件、能源器件和新光源器件等方面的研究具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，該項(xiàng)研究已經(jīng)引起較多發(fā)達(dá)國(guó)家學(xué)者的關(guān)注。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，用離子導(dǎo)電SPE組裝的MEMS器件均涉及到高分子材料與金屬的連接方法常為聚合法、真空蒸鍍法、液態(tài)澆注法及粘接法等。
[0005]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問(wèn)題:
[0006]用離子導(dǎo)電SPE組裝的MEMS器件均涉及到高分子材料與金屬的連接方法導(dǎo)致:高分子固體電解質(zhì)界面結(jié)合疏松、表面質(zhì)量粗糙、電導(dǎo)率偏低，影響器件使用功能；縮短器件壽命，增加器件重量，降低器件機(jī)械效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種微機(jī)電系統(tǒng)封裝。所述技術(shù)方案如下:
[0008]—種微機(jī)電系統(tǒng)封裝方法，其特征在于，所述方法包括:
[0009]將P (EO) η — LiX與金屬材料進(jìn)行靜電鍵合。
[0010]可選地，所述P (EO) n—LiX 的 η=4—60，X=SCN, N(CF3SO2)2, ClO4, CF3S03。[0011 ] 可選地，所述方法還包括:
[0012]采用高壓脈沖電源設(shè)備對(duì)所述Ρ(Ε0)η — LiX與金屬材料進(jìn)行靜電鍵合。
[0013]可選地，所述高壓脈沖電源設(shè)備可輸出直流與脈沖方波兩種狀態(tài)。
[0014]可選地，所述靜電鍵合采用正交試驗(yàn)法和回歸分析法，結(jié)合第一性原理模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，確定工藝參數(shù)，所述工藝參數(shù)包括溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、電流、壓力、反應(yīng)時(shí)間、添加劑百分比。
[0015]可選地，所述靜電鍵合過(guò)程中應(yīng)用有限元軟件，分析溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律。
[0016]可選地，所述靜電鍵合過(guò)程中通過(guò)建立離子導(dǎo)電聚合物與金屬靜電鍵合模型，設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是:
[0018]通過(guò)組分的設(shè)計(jì)和添加劑的調(diào)整，制備出適合與金屬材料鍵合的離子導(dǎo)電高分子固體電解質(zhì)材料P (EO) η — LiX。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的引線鍵合強(qiáng)度與清潔氣體壓力的關(guān)系示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的平行封焊工藝過(guò)程中芯片上節(jié)點(diǎn)的溫度與焊接時(shí)間的關(guān)系不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0022]實(shí)施例一
[0023]將Ρ(Ε0)η — LiX與金屬材料進(jìn)行靜電鍵合的過(guò)程，詳述如下:
[0024]通過(guò)研究Li離子在離子導(dǎo)電高分子固體電解質(zhì)中的遷移機(jī)理，設(shè)計(jì)適合于和金屬材料進(jìn)行封裝鍵合的離子導(dǎo)電高分子固體電解質(zhì)Ρ(Ε0)η — LiX的成分，其中X=SCN,N(CF3SO2)2, ClO4, CF3SO3等，η=4_60，采用調(diào)整添加劑的種類和含量，研究溫度等參數(shù)對(duì)離子遷移率和電導(dǎo)率的影響機(jī)理和規(guī)律，制備獲得電性能良好的適合于和金屬材料鍵合的Li系列的離子導(dǎo)電高分子固體電解質(zhì)。
[0025]可選地，針對(duì)離子導(dǎo)電高分子固體電解質(zhì)與金屬的靜電鍵合設(shè)計(jì)一種高效率的高壓脈沖電源設(shè)備，該設(shè)計(jì)可輸出直流與脈沖方波兩種狀態(tài)，延長(zhǎng)鍵合過(guò)程中峰值電流的有效持續(xù)時(shí)間，從而提高鍵合過(guò)程的平均電流與鍵合速率。
[0026]實(shí)施例二
[0027]在Ρ(Ε0)η — LiX與金屬材料進(jìn)行靜電鍵合的過(guò)程中，主要采用正交試驗(yàn)法，選取最佳工藝參數(shù)，【具體實(shí)施方式】，詳述如下:
[0028]1.方案安排
[0029](I)制定因素及位級(jí)表，考察溫度，電壓，表面粗糙度，冷卻速度共四種因素，每種因素的取值為三個(gè)。
[0030](2)用L9 (34)表確定試驗(yàn)條件，則有4個(gè)縱列和9個(gè)橫行，4列最多能考察4種因素，每列有三個(gè)位級(jí)，現(xiàn)有四種因素，各分三個(gè)位級(jí)，把4種因素分別放到4列上，然后，按照因素位級(jí)表，把各列的位級(jí)數(shù)碼換成因素的取值。這時(shí)，9個(gè)橫行就是要試驗(yàn)的9個(gè)條件。
[0031]2.試驗(yàn)結(jié)果
[0032]每種條件做一次試驗(yàn)，每次結(jié)果按鍵合效果的質(zhì)量評(píng)分，質(zhì)量好的評(píng)分高，并記錄九次的評(píng)分。
[0033]3.計(jì)算與分析
[0034](I)算出每列因素各個(gè)位級(jí)的三次得分之和。
[0035](2)計(jì)算極差R，對(duì)每一列，從1，11和III中最大數(shù)減最小數(shù)，等于極差R，四個(gè)極差記在表中最下一行，極差大意味著三個(gè)位級(jí)造成的差別大，乃是重要的因素；極差小是不重要的因素。
[0036](3)比較和觀察；
[0037]比較四個(gè)極差，極差大的是最重要的因素，其余幾個(gè)因素，互相影響，通過(guò)觀察可以得出溫度，電壓，表面粗糙度，冷卻速度的最佳值。
[0038]通過(guò)以上的正交試驗(yàn)法，可選出P (EO) η — LiX與金屬材料靜電鍵合的最佳工藝參數(shù)。
[0039]其中，工藝參數(shù)包括但不限于選取溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、電流、壓力、反應(yīng)時(shí)間、添加劑百分比等，目標(biāo)檢驗(yàn)函數(shù)為離子遷移率、界面結(jié)合率及連接強(qiáng)度。
[0040]本發(fā)明實(shí)施例利用大型非線性有限元分析軟件模擬了試件的殘余應(yīng)力，對(duì)殘余應(yīng)力和殘余變形進(jìn)行分析，能有效的提出緩解的措施和工藝并提出提高鍵合性的方法。
[0041]實(shí)施例三
[0042]本實(shí)施例中MEMS封裝的工藝過(guò)程包括清洗、鍵合、貼片、引線鍵合、封帽等。其中:
[0043](I)鍵合工藝是MEMS封裝中的關(guān)鍵工藝。它是隨著集成電路和微機(jī)械的發(fā)展出現(xiàn)的一種封接工藝，鍵合技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于傳感器、執(zhí)行器、三維集成電路和光電子的制造中。它的出現(xiàn)使得微機(jī)械設(shè)計(jì)和制造更為靈活。
[0044](2)MEMS貼片工藝常見的有兩種，一種是膠接工藝，一種是釬焊工藝。膠的種類很多，貼片膠的選擇很重要，不同性能的膠，對(duì)MEMS的性能影響很大。
[0045](3)清潔工藝與引線鍵合工藝在微電子和MEMS封裝中，引線鍵合工藝仍然是實(shí)現(xiàn)芯片焊盤與外引線連接的重要方式。如何提高引線鍵合強(qiáng)度一直是人們研究的問(wèn)題。由于MEMS存在活動(dòng)部件，且常常要求與外界媒質(zhì)接觸使這個(gè)問(wèn)題顯得更加重要。污染是影響引線鍵合強(qiáng)度的一個(gè)重要原因，為此本實(shí)施例研究了清潔工藝與引線鍵合強(qiáng)度的關(guān)系。目前，射頻驅(qū)動(dòng)的低壓等離子清洗技術(shù)是一種有效的、低成本的清潔方法，它對(duì)提高引線鍵合強(qiáng)度作用很大。等離子清洗技術(shù)的成功應(yīng)用依賴工藝參數(shù)的優(yōu)化，包括過(guò)程壓力、等離子功率、時(shí)間和工藝氣體類型。
[0046]通過(guò)實(shí)驗(yàn)，本實(shí)施例研究了這些關(guān)鍵的工藝參數(shù)對(duì)引線鍵合抗拉力強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)用的金絲鍵合線直徑為25pm，按標(biāo)準(zhǔn)鍵合強(qiáng)度應(yīng)大于sgf，未清洗時(shí)其平均鍵合強(qiáng)度為4.7gf,超聲清晰后，其平均鍵合強(qiáng)度為5.1gf，剛好能滿足工藝要求，當(dāng)用等離子清洗后，其平均鍵合強(qiáng)度提高到6.6gf以上，如圖1所示。顯然氣體壓力在100120mT或140-180mT時(shí)，有很好的鍵合強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，用Ar等離子體，將樣品放在地極板，當(dāng)RF功率為200— 600W，氣體壓力為100— 120mT或140_180mT時(shí)，清洗10 — 15min的時(shí)間能獲得很好清洗效果。
[0047](4)封帽工藝研究:對(duì)高性能應(yīng)用的氣密MEMS器件，常采用氣密性封裝工藝。氣密封裝外殼有金屬外殼和陶瓷外殼，這兩種外殼都可以用平行縫焊機(jī)進(jìn)行封帽。平行封焊機(jī)的工作原理是一種電阻焊，它用兩個(gè)圓柱形的滾輪電極與金屬蓋板接觸形成閉合回路。整個(gè)回路的高阻點(diǎn)在電極與蓋板接觸處，電流在接觸處產(chǎn)生大量熱量，使其呈熔融狀態(tài)，凝固后即成一連串焊點(diǎn)。因焊接采用脈沖電流，故焊點(diǎn)能相互交疊，就形成了氣密填充焊縫。在平行封焊工藝中，由于焊接處的溫度很高，通過(guò)輻射和傳導(dǎo)到芯片上的熱量將使腔體中的芯片溫度升高。這個(gè)溫升有多少，是否會(huì)對(duì)芯片造成損壞一直是人們所關(guān)心的問(wèn)題。為此，本實(shí)施例以金屬外殼為例用有限元方法進(jìn)行了模擬分析。腔體的蓋板和墻體為可伐，底板為CuW，并假設(shè)腔體蓋板的熔焊溫度為1400°C，環(huán)境溫度為25°C，蓋板的發(fā)射率為1.0。計(jì)算結(jié)果如圖2所示，圖中給出了平行封焊工藝過(guò)程中芯片上某一節(jié)點(diǎn)的溫度與焊接時(shí)間的關(guān)系。這表明，在腔體內(nèi)芯片位置附近的最大溫升只有37°C，加上環(huán)境溫度，芯片的溫度為62°C。因此，平行封焊工藝是可靠的，封焊過(guò)程不會(huì)對(duì)芯片造成影響。由于PEO-鹽絡(luò)合物的致命缺點(diǎn)是室溫電導(dǎo)率較低(通常為10_6~10_8S ^nT1)，而電導(dǎo)率只有在10_4S ^nT1以上才具有應(yīng)用價(jià)值。提高室溫電導(dǎo)率的方法有兩種，其一是在聚合物基體中加入少量極性有機(jī)溶劑，如碳酸丙烯酯(PO、碳酸乙烯酯(EC)等，實(shí)現(xiàn)所謂的凝膠電解質(zhì)，但有機(jī)溶劑的加入不僅降低了電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度，而且增加了其與金屬鋰電極的反應(yīng)活性。方法之二是在PEO電解質(zhì)中加入無(wú)機(jī)填料以提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率，該方法同時(shí)還可以提高電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度和鋰/電解質(zhì)界面的穩(wěn)定性。
[0048]本發(fā)明實(shí)施例提供的方法，通過(guò)組分的設(shè)計(jì)和添加劑的調(diào)整，制備出適合與金屬材料鍵合的離子導(dǎo)電高分子固體電解質(zhì)材料P (EO)n-LiX。通過(guò)優(yōu)化鍵合工藝參數(shù)，控制鍵合過(guò)程中離子的傳輸和界面化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，獲得具有一定結(jié)構(gòu)和性能的界面生成物，保證鍵合質(zhì)量。
[0049]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例的全部或部分步驟可以通過(guò)硬件來(lái)完成，也可以通過(guò)程序來(lái)指令相關(guān)的硬件完成，所述的程序可以存儲(chǔ)于一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中，上述提到的存儲(chǔ)介質(zhì)可以是只讀存儲(chǔ)器，磁盤或光盤等。
`[0050]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)封裝方法，其特征在于，所述方法包括: 將P(EO)η — LiX與金屬材料進(jìn)行靜電鍵合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述Ρ(Ε0)η— LiX的n=4-60，X=SCN,N(CF3SO2)2, ClO4, CF3SO3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 采用高壓脈沖電源設(shè)備對(duì)所述Ρ(Ε0)η — LiX與金屬材料進(jìn)行靜電鍵合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述高壓脈沖電源設(shè)備可輸出直流與脈沖方波兩種狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述靜電鍵合采用正交試驗(yàn)法和回歸分析法，結(jié)合第一性原理模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，確定工藝參數(shù)，所述工藝參數(shù)包括溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、電流、壓力、反應(yīng)時(shí)間、添加劑百分比。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述靜電鍵合過(guò)程中應(yīng)用有限元軟件，分析溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述靜電鍵合過(guò)程中通過(guò)建立離子導(dǎo)電聚合物與金屬靜電鍵合模型，設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】B81B7/00GK103708412SQ201310533362
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】劉翠榮, 陰旭, 南粵, 杜超 申請(qǐng)人:太原科技大學(xué)