吕文龙,占 瞻,虞凌科,杜晓辉,王凌云,孙道恒*

(1.厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院，2.厦门大学物理与机电工程学院,福建 厦门 361005)

圆片级封装(wafer level package,WLP)技术是以晶圆片为单位进行封装操作,在圆片前道工序完成后,直接对圆片进行封装、测试,然后切割分离成单个器件．WLP技术不仅提高了封装密度,降低了封装成本,提高了封装效率,同时还提高了电路性能和品质,有效降低了I/O间的电感、电容和其他不希望的特性．随着微机电系统(MEMS)对封装的尺寸、密度和成本等要求不断提高,WLP已经成为一种趋势[1]．

由于MEMS器件自身的特殊性,感应结构比较敏感、脆弱,MEMS封装一般都会为其提供一个腔体,该腔体在保护器件的同时为器件的正常工作提供一个良好的环境,如气密、真空等．在WLP中为了给MEMS器件提供这样的腔体,通常采用盖板方式．盖板工艺主要包括2个关键技术:1) 圆片键合技术,用于盖板与芯片基板的键合;2) 通孔互连技术,用于芯片与外界的电学连接．盖板一般采用玻璃材料,以形成玻璃-硅-玻璃结构或玻璃绝缘衬底上的硅(SOI)结构[2]．

其中,激光刻蚀和喷砂工艺是在玻璃上刻蚀通孔的常用方法．然而,这2种工艺制作的通孔底部一般会产生脆性崩边,导致硅和通孔之间形成5～40 μm的断层,如图1所示．这一缺陷极大降低了通孔金属互联的电学可靠性．针对这类普遍存在的工艺缺陷,通常采用增加沉积金属厚度[3]或改变通孔底部结构[4]两类方法加以解决．

(a) 横截面;(b) 通孔底部;(c) 破损细节.图1 破损通孔的SEM图Fig.4 SEM of the breakage in the through-hole

气浮沉积(AD)技术是一种新型按需喷印方法,在许多领域已进行了探索性的研究,尤其在柔性电子制造、机电工程和表面修复等领域已经取得了创新性的突破,国外研究小组已经成功地将AD技术应用于太阳能电池、薄膜晶体管、微传感器、微执行器等的制造[5-7]．AD(使用银浆作为墨水)喷印得到的线宽在10～200 μm,喷头与基板之间的距离可在1～5 mm内调整．另外,它能喷印的墨水的黏度范围更广(0.7～2 500 mPa·s),这使它能加工金属墨水、聚合物厚膜浆料、稀释后的陶瓷粉末,甚至环氧树脂．基于以上工艺特点,本文提出了将AD技术应用于制作通孔互联结构中,该方案具有以下优点:1) 按需喷印,节省金属材料;2) 适应于填充各种形状的通孔[8-9]．

本文以玻璃-硅-玻璃封装结构为例,针对喷砂方法制作的通孔,提出一种高可靠性、低成本的结合AD技术的金属互联制作方法．制作工艺:首先在玻璃通孔图案化溅射一层铝膜,然后采用AD方法向通孔内喷印纳米银浆,最后加热蒸发掉银浆中的有机成份,形成Ag/Al/Si的接触结构,以实现MEMS器件与外界的电学连接．

1 AD系统

Optomec公司AJTM300气溶胶喷射系统主要包括雾化器、喷头和XY运动平台等,如图2所示．沉积过程:雾化器使纳米材料雾化,生成一层致密的颗粒蒸气,该蒸气被一股气流从雾化器中带出来,随后这股气流被鞘气包裹形成同轴气流,最后同轴气流从喷头喷射到位于XY运动平台的收集板上．气浮喷射的材料线宽范围10～200 μm,喷头到收集板的距离在1～5 mm之间[10]．

图2 带超声雾化器的AD系统原理图Fig.2 Schematic of aerosol deposition system with ultrasonic atomizer

2 试 验

2.1 通孔欧姆接触结构的制作流程

金属银的电导率为63.01×106S/m,是良好的导电材料,而且容易制成纳米浆料,目前已被广泛地应用于AD系统．本文选择型号为Cabot CSD-32的纳米银浆,但考虑到Ag-Si 共熔点为835 ℃[11],远高于MEMS工艺中大部分电极以及基材的极限温度[12]．因此无法直接制作Ag/Si接触结构．为了实现通孔的金属互联,同时获得良好的欧姆接触特性,提出一种基于AD工艺的Ag/欧姆金属/Si三层结构．其中,相比于Ag,Lee研究得到500 ℃是MEMS中的Al电极形成欧姆接触的经验温度,而7740玻璃的标定软化点为840 ℃,500 ℃退火不会影响器件的性能．基于AD的喷印特性,选择Ag作为通孔底部的填充金属,通过局部喷印,实现玻璃通孔与硅的电学连接．

Ag/Al/Si 接触结构的制作流程见图3,包括以下2个步骤:

1) 采用光刻工艺制作掩膜图形,限定玻璃盖板上沉积Al的具体区域;

2) 采用电子束蒸发法,在通孔底部和侧面沉积1.5 μm的Al,然后在500 ℃,N2气氛中退火30 min;

3) 采用AD法,在通孔内沉积纳米银浆,然后在N2气氛中烧结．

图3 Ag/Al/Si 接触结构的制作流程Fig.3 Processing flow of Ag/Al/Si contact structure

2.2 工艺试验

为验证方案可行性,首先在硅衬底上制作Ag/Al/Si接触结构,考察引入Ag后Al/Si接触电阻的变化量．详细步骤:1) 在P型硅衬底上制作2个半径为1.5 mm,中心距为4.5 mm的Al圆电极;2) 采用AD法,在Al电极表面沉积相同尺寸的Ag电极,得到如图4所示的Ag/Al/Si接触结构．AD系统的基本参数：雾化器为超声，雾化器功率为32.69 W，载气流量为14 mL/min，鞘气流量为185 mL/min，喷印线宽为46 μm.

图4 平面Ag/Al/Si接触结构Fig.4 Plane Ag/Al/Si contact structure

图5为Ag在不同温度烧结后,接触电阻的相对变化量．由图5可知,当烧结温度低于500 ℃时,Ag/Al/Si结构相较于Al/Si结构,接触电阻的变化量小于4%,表明Ag的引入,基本不影响Al/Si的接触电阻．

图5 不同烧结温度下,引入Ag后接触电阻的相对变化量Fig.5 The relative change of the resistance at different sintering temperatures after Ag was deposited on Al/Si

采用3M 600胶带对Ag/Al/Si结构进行黏附性测试,测试结果如图6所示．结果表明,烧结温度不高于300 ℃时,Ag与Al的黏附性较好,基本上不脱落,其拉伸强度超过9.8 N/cm2,当Ag烧结温度超过400 ℃时,Al表面的Ag发生不同程度的脱落．

图6 不同烧结温度下Ag与Al的黏附性测试Fig.6 Adhesion test at different sintering temperatures

3 通孔的电学性能测试

采用与上述试验相同的工艺条件,在喷砂工艺制作的玻璃通孔(底部半径为110 μm)底部填充纳米银浆,并在300 ℃,N2气氛中烧结．随后对填充好的两通孔进行I-V测试,测试结构如图7所示．

图7 两通孔的I-U测试结构Fig.7 I-U test structure between two through-holes

两通孔间的I-U特性曲线如图8所示．测试结果表明,电子束蒸发的Al无法有效填充玻璃通孔底部的破损区域,玻璃通孔与硅仍处于断路状态;AD法沉积的Ag完全填充了玻璃通孔底部与硅之间的断层,形成了较低电阻的Ag/Al/Si欧姆接触结构,实现了玻璃通孔与硅的电学连接．

图8 两通孔之间的I-U特性曲线Fig.8 I-V characteristic curve between two through-holes

4 结 论

激光刻蚀和喷砂工艺制作的玻璃通孔底部容易产生破损．本文首先在玻璃通孔底部和侧面蒸发一层1.5 μm的Al,然后采用AD方法在通孔底部沉积15 s的纳米银浆,经过300 ℃烧结的Ag完全填充了玻璃通孔底部与硅之间的断层,形成了较低电阻的Ag/Al/Si欧姆接触结构,实现了玻璃通孔与硅之间的电学连接．试验结果表明,AD方法作为一种新型的直写方法,能够有效解决通孔底部破损造成的玻璃通孔与硅的电学连接问题,对研究MEMS WLP中微结构与外界的电互联提供了新思路．

此外,通过移动XY运动平台,AD方法可实现对通孔的点对点沉积,不仅节省了金属材料,而且整个过程也不再需要掩膜来确定沉积区域,简化了制作工艺．

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