Au／Sn共晶键合技术在ＭＥＭＳ封装中的应用

转自半导体封装工程师之家

近年来，随着MEMS技术的发展，大量的MEMS器件实现了商业化应用。由于MEMS器件大都存在薄膜可动结构，为了提高器件的可靠性，MEMS封装是MEMS设计与制造中的关键因素之一，开发出低成本、高可靠性的圆片级封装技术将进一步推广MEMS产品市场化的应用范围。MEMS器件的封装还与传统的电子元器件封装不同，传统的微电子封装方法很难直接应用，尤其是针对于一些高性能要求的MEMS器件，大都对于封装的气密性有着特殊的要求。MEMS圆片级气密和真空封装不仅能防止外部环境（如后序工艺带来的沾污和环境气氛）等对内部器件的影响，还能防止外界不可控因素对MEMS器件内部可动或易碎结构的破坏，并且在真空或充压环境下进行气密封装还可以提高多种MEMS器件的性能，如MEMS陀螺仪就必须要求真空封装以提高谐振器的品质因数Ｑ值，因此采用最佳的封装形式能够使MEMS产品发挥出应有的功能。

目前，MEMS圆片级气密性封装常采用硅／玻璃静电键合、硅／硅直接键合、金属热压键合以及金属焊料键合４种键合方式实现。静电键合工艺简单，容易实现硅和玻璃之间的高强度键合，但是键合所需电压（约１０００Ｖ）较高，高电压会限制这种键合技术的应用，对某些MEMS器件的性能产生影响，也不适于在ＣＭＯＳ集成传感器中应用；硅／硅直接键合通常应用于ＳＯＩ材料的制备，这种键合技术键合强度大，键合表面平整度和颗粒度要求高，所需温度高（＞１０００℃），以至于这种键合技术无法实现带金属键合，应用面较小；热压键合需要较高的键合温度与压力，而且对金属表面粗糙度和硬度也有特殊要求。金属焊料键合具有键合温度低，受表面粗糙度影响很小，适于批量的气密封装，其还具有物理特性良好、导热性好、强度高、无需助焊剂以及低黏滞性等优点，广泛应用于半导体器件的芯片粘结。Ａｕ／Ｓｎ共晶键合速度快，键合时Ｓｎ出现瞬态液相降低了对表面平坦度的要求，本文采用Ａｕ／Ｓｎ共晶键合技术实现了MEMS圆片级气密封装。设计了键合多层材料结构和密封环图形，进行了键合工艺优化研究，并且进行了可靠性测试，利用该技术实现了MEMS晶圆级气密性封装。

１封装设计与制造

1.1 Au/Sn合金

Au/Sn合金是半导体后道管壳级封装中常用的焊料之一，常用的合金质量分数分别为80％的Au和20％的Sn，这种成分比例的Au/Sn焊料能够在280℃下形成共晶和金，在合金温度点附近，主要包括Au5Sn相和AuSn相。

１.2封装设计加工

图１（ａ）给出了键合环的尺寸：线宽700μｍ，环内面积4.5mm×4.5mm。图１（ｂ）给出了设计的Au/Sn多层结构，盖帽层采用Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｓｎ／Ａｕ结构，Ｔｉ作为金属与硅衬底的黏附层，Ｎｉ作为扩散阻挡层和焊料的浸润层。由于Ｓｎ在大气环境下容易氧化，在Ｓｎ的表面淀积一层Ａｕ作为钝化层，器件层采用Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ结构，对于Ａｕ／Ｓｎ合金，Ａｕ／Ｓｎ的比例将决定了金属间化合物的组合，金属间化合物的特性决定了键合的质量，比例的变化将导致膜组成发生变化而脱离共融数值，从而降低键合特性。因此电镀Ａｕ和Ｓｎ层的厚度严格按照质量分数分别为８０％的Ａｕ和２０％的Ｓｎ。

在键合的过程中，两层硅片靠静态的压力实现紧密接触，键合的环境必须在真空或惰性气体下，以防止Ｓｎ氧化影响键合的效果。加热的峰值温度为３００℃，持续时间２ｍｉｎ，由于Ａｕ／Ｓｎ合金的共熔温度为２８０℃，略高于共熔温度是为了保证焊料的充分互熔，由于峰值温度远高于Ｓｎ的熔点（２３１．９℃）。在升温的过程中，界面的Ｓｎ首先熔化，熔化的Ｓｎ溶解了两面接触的Ａｕ，实现了金属间的互熔，降温时通入氮气加速冷却，快速降温有利于生成的金属间化合物更小、结构更致密，最后将键合完成的硅片按照器件的尺寸划片形成独立的芯片单元，管芯照片如图２所示。

２封装结果分析

２．1键合界面分析

共晶键合的质量和可靠性很大程度上依赖于界面金属化合物的组合以及微结构。金属化合物的组合由键合材料的比例以及键合条件（如键合温度）决定，如果键合温度较低，形成的化合物组分大都由ＡｕＳｎ２与ＡｕＳｎ４构成，这两种金属间化合物很脆，键合强度低，无法满足气密性封装的要求；其次，在键合圆片的解剖分析中发现，Ａｕ／Ｓｎ键合界面容易出现空洞（图３），在键合界面的位置附近出现了１～５μｍ的一些孔洞，通过分析认为键合界面空洞的形成与键合表面状况和合金比例的改变有很大关系。例如，键合表面状态（如焊料氧化）和有机与无机沾污将影响Ａｕ与Ｓｎ之间的相互扩散，致使焊料界面出现非均匀性的合金，导致键合界面缺陷的形成。

采用氮气与氧气等离子清洗相结合的前处理方法能够有效去除无机与有机沾污，得到一个清洁的键合表面。氮气清洗属于物理清洗方法，去除表面吸附的颗粒以及无机物；氧气清洗属于化学清洗方法，采用微波氧气等离子体，通过微波提高氧活性和等离子体密度，与金属表面的有机物迅速反应去除残留的有机沾污。除此之外，同时使用氮气与氧气等离子处理能够显著改善键合面金属的表面性质，提高金锡焊料的浸润性，减少界面空洞的形成。图４显示了键合前采用优化等离子前处理后的Ａｕ／Ｓｎ键合界面，从ＳＥＭ截面图可以看见合金层致密，无空洞现象。

同时，采用ＳＥＭ对界面金属进行了成分分析，通过光谱可以确定界面共晶体的化学成分，判断化合物组分构成形式。分析结果如图５和表１所示（表中ｗ为质量分数，ｘ为原子数分数），从分析结果可以得到Ａｕ和Ｓｎ的原子数分数之比为２．９，通过原子数分数之比可以认为Ａｕ／Ｓｎ共晶界面主要由ξ相（ＡｕＳｎ）与ξ＇相（Ａｕ５Ｓｎ）构成，符合Ａｕ／Ｓｎ共晶点化合物组分构成。

２.２翘曲测试

由于大多数MEMS器件具有精密的可动结构，它们对于应力比较敏感，应力可以致使结构变形，影响器件的性能。圆片级封装可能带来较大的应力，封装类型和封装条件等参数都对应力有着较大的影响，例如硅玻璃键合由于封装材料类型差别造成热膨胀系数不匹配，圆片变形通常大于50μｍ。因此应力是MEMS圆片级封装监控的一个重要参数，共晶键合由于盖板以及结构层都是硅材料，因此热应力相对较小，工艺中通过优化共晶键合条件以及采用应力补偿方法降低结构应力。键合完成后采用应力测试仪测试圆片翘曲，通过翘曲度来评估圆片键合应力的大小。图６为Ａｕ／Ｓｎ圆片键合后翘曲度的测试曲线，横坐标代表测试扫描距离（ｄ），４英寸（１英寸＝２.５４ｃｍ）圆片扫描距离为８０ｃｍ，纵坐标表示在对应扫描距离内圆片的变形量（δ），从图中可得到翘曲度的测试结果为－２５．７５μｍ，相比于其他圆片级封装来说翘曲度较小，满足器件圆片级封装应用要求。

２.３剪切力测试

对于封装工艺检验来说，剪切强度是衡量封装质量的一个重要指标。由于是圆片级封装，从一个圆片上抽取封装好的１０只管芯，检测前先将管芯固定在平整的基板上。实验依据标准条款为检验标准ＧＪＢ５４８Ａ。根据芯片面积以及键合环的尺寸，技术要求实测剪切力应达到的范围要求值Ｆ≥５ｋｇ。表２给出了测试的结果。测试剪切力的平均值为１６．６６３ｋｇ，最小力为５．５０４ｋｇ，最大力为３１.８０３ｋｇ。从测试结果可以看出，虽然１０个管芯测试全部合格，但是键合强度差别较大，有４个管芯强度小于１０ｋｇ。分析原因主要由两个方面引起：Ａｕ／Ｓｎ电镀厚度的不均匀性或者是金属间互熔的不均匀性造成了金属间化合物组分的变化，影响了剪切力的强度；表面处理的不均匀性使界面性质有差别。因此，封装工艺条件还需要进一步优化。

２.４气密性测试

根据检验标准（ＧＪＢ５４８Ａ）定义方法对键合的１０只管芯进行气密性测试。首先进行细检，采用ＺＨＰ－３０Ｄ氦质谱检漏仪，样品在４×１０５Ｐａ的氦气罐中保压２ｈ，取出后用检漏仪测量漏率，技术要求样品的实际漏率（＜２×１０－３Ｐａ·ｃｍ３／ｓ）小于规范要求漏率值（５×１０－３Ｐａ·ｃｍ３／ｓ）。抽检的样品满足细检条件。

上一步细检合格后的全部样品进入下一步氟油粗检，测试设备采用ＨＦ－４型氦气氟油加压检漏装置，样品被轻氟油浸没后在４×１０５Ｐａ的氦气罐中保压２ｈ，然后浸入８５℃的重氟油中，技术要求实验过程中观察样品表面不应出现连续不断的冒泡现象或从同一点产生两个或多个大气泡，结果显示抽检样品全部合格。

３结论

基于Ａｕ／Ｓｎ共晶键合原理与MEMS器件的要求，设计了键合多层金属结构以及封装图形，进行了共晶键合工艺的研究，通过实验分析与工艺优化，提高了键合的一致性，避免了沾污引起的界面空洞，提高了键合的质量，取得了较好的封装效果。剪切力和气密性满足检验标准（ＧＪＢ５４８Ａ）的技术要求，为Ａｕ／Ｓｎ共晶键合技术在MEMS圆片级气密性封装中的实用化打下良好的基础。

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