玻璃浆料键合气密性研究*

喻兰芳，梁 庭，熊继军，崔海波，王心心，王涛龙

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051;2.中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室，山西 太原030051)

0 引 言

MEMS 器件需要芯片键合工艺来制作电极和空腔，目前主要有阳极键合、硅—硅直接键合、粘合剂键合、焊料键合和玻璃浆料键合几种方式。玻璃浆料键合是通过网印将玻璃浆料涂在键合面上，熔化所产生的结构并接触第二个衬底，冷却后形成稳定的机械性连接［1］。由于密封效果好、键合强度高、生产效率高，而且对封接基板表面没有特殊要求，可实现低成本、高可靠的圆片级封装而具有更为广泛的用途［2］。

本文对玻璃浆料键合全密性进行了研究，并对其影响因素进行了分析，实验结果达到了预期效果。

1 键合原理

玻璃浆料由玻璃粉料和粘合剂配制而成，预处理过程中，浆料中的水分和有机溶剂挥发分解耗尽，玻璃主要有两类，热塑性的玻璃态玻璃烧结时在同一温度下流动，热固性的结晶态玻璃在烧结过程中产生微晶，烧结的产物与原来的玻璃具有不同性质［3］。加热的过程中，玻璃浆料与封接表面达到浸润，如果表面接触良好，封装基面的原子层会扩散到玻璃浆料中，在表面处出现一层很薄的混合层，这样在封装基面跟玻璃浆料之间就能达到很大的键合强度［4］。

2 实验与结果讨论

实验前，需要根据要求制备网版，严格控制网版目数，由于此处选择的是美国SG 公司生产的VB1115 玻璃浆料，选择尼龙制网(尼龙具有理想的弹性和恢复性)［5］，设计网版目数为300。实验时，首先对需要键合的晶圆进行清洗保证表面清洁，如果晶圆表面存在杂质粒子，玻璃浆料与晶圆键合时会受其影响产生缝隙［6］，此时键合交界面扫描电子显微镜图如图1 所示。

图1 杂质对键合的影响Fig 1 Effect of impurities on bonding

2.1 印刷方式对键合气密性的影响

安装好网版以后，通过真空吸泵将晶圆固定在印刷台面上，扣下网版，在网版一端倒入适量玻璃浆料，利用刮板将浆料刮向网版另一端，印刷装置如图2 所示。由于是手动印刷，印刷过程中应尽量保持力度合适、速度一致，确保刷下来的浆料均匀连续［7］，印刷完成以后需要在显微镜下检查，确保印刷成功，见图3。

图2 手动印刷装置Fig 2 Manual printing device

图3 印刷浆料连续性Fig 3 Continuity of printing paste

若需要印刷多片晶圆而只有一块网版，下次印刷时应确保网版网孔通透(以保证印刷一致)，若经济允许可选择浓缩洗网剂进行清洗，在实验室可选用丙酮、异丙醇进行清洗(玻璃浆料的粘合剂为有机溶剂)，同时采用超声清洗机通过物理震动使浆料颗粒从丝网中脱离，去离子水洗净，氮气吹干，如图4 所示。

图4 网版清洗情况Fig 4 Cleaning situation of screen

2.2 预处理条件对键合气密性的影响

确保印刷成功以后，对晶片进行干燥烧结，干燥条件为在120 ℃恒温下保持12 min，经初步干燥后放入烧结炉内采用分段保温方式进行预烧结以充分挥发有机溶剂［3］。由室温经30 min 升高到295 ℃，维持25 min，这一温段低于浆料熔点而高于有机溶剂熔点，可以充分挥发水分燃尽有机溶剂，这一过程不充分会残留溶剂，形成孔洞;再由295 ℃经30 min升高到425 ℃，维持15 min，这一温段浆料颗粒相互熔融扩散粘连成一个整体，使表面变得平滑，在键合工工艺中获得较好的键合界面，这一过程不充分会使玻璃浆料表面不平整，导致后续键合工艺中与基板接触时在接触面产生气泡，严重影响键合的质量;最后由425 ℃自然降温到室温，浆料颗粒固化。图5 为VB1115 浆料厂家给出的的预烧结条件，实际预烧结过程中需根据预烧结后浆料形态微调温度和保温时间［4］，确保预烧结成功，预烧结后含气泡浆料形貌如图6。

图5 VB1115 预烧结条件Fig 5 Presintering conditions of VB1115

图6 预烧结后含气泡浆料形貌Fig 6 Bubble-containing slurry morphology after pre-sintering

2.3 键合工艺对键合气密性的影响

预烧结完成以后将基片和盖片对准，放入键合机内，工艺参数设置为键合温度450 ℃，键合力300 N，真空键合度2×10－4mbar，随着温度的升高，玻璃浆料再次熔融，在压力作用下2 片晶圆通过浆料夹层键合在一起实现器件的真空封装［8］。键合过程中，条件控制不当(键合温度过低致使浆料未完全熔融，压力过大导致熔融的浆料外延等)，同样会导致键合失败，键合完成以后，利用超声显微镜(勿需破坏器件)观察玻璃浆料形态(见图7)，得出键合是否成功的结论，并通过键合结果改善键合条件达到优化的目的。

图7 键合后超声显微镜图Fig 7 Ultrasonic microscope figure after bonding

3 结束语

本文对玻璃浆料键合的过程进行了详细的表述，观察各阶段玻璃浆料的形貌，并对键合过程中由印刷方式、预处理条件和键合工艺可能造成键合漏气的几个因素进行了分析。玻璃浆料键合过程中需要控制的条件比较复杂，实验过程中应该检查每一步是否做好:印刷浆料均匀一致连续，合理控制预处理过程条件，确保水分和有机溶剂充分挥发，预烧结后的玻璃浆料表面平整，键合时，调节合适的键合温度和压力，完全熔融浆料最后成功键合。

［1］ 王秀峰，伍媛婷.微电子材料与器件制备技术［M］.北京:化学工业出版社，2008:147－151.

［2］ Farrens S.晶片键合基础介绍［J］.集成电路应用，2007，30(5):52.

［3］ 陈 骁.玻璃浆料在MEMS 圆片级气密封装中的应用研究［D］.厦门:厦门大学，2009.

［4］ 许 薇.低温玻璃浆料在MEMS 气密封装中的应用研究［D］.上海:中国科学院研究生院上海微系统与信息技术研究所，2005.

［5］ 郑德均，石风俊.条形织物的折皱弯曲性研究［J］.纺织科技进展，2006，16(4):25－27.

［6］ 姚 莉.等离子清洗技术在键合工艺中的应用［J］.混合微电子技术，2003，14(3):53－57.

［7］ 王 伟，熊 斌，王跃林，等.低温玻璃浆料圆片级真空封装的研究［J］.传感器与微系统，2012，31(1):62－64.

［8］ 虞国平，王明湘，俞国庆.MEMS 器件封装的低温玻璃浆料键合工艺研究［J］.半导体技术，2009，34(12):1173－1176.