eng
Выпуск #6/2016
А.Скупов
Обеспечение вакуума при корпусировании на уровне пластины – сварка стеклокерамическим припоем
Обеспечение вакуума при корпусировании на уровне пластины – сварка стеклокерамическим припоем
Просмотры: 2510
Рассказано о применении технологии сварки стеклокерамическим припоем для корпусирования микроэлектронных устройств на уровне пластины. Рассмотрены вопросы выбора материала припоя и режима обработки пластин, а также границы применимости такой технологии сварки.
Теги: getters glass frit microelectromechanical systems (mems) mikrooptoelectromechanical systems (moems) геттерыб микроэлектромеханические системы (мэмс) микрооптоэлектромеханические системы (моэмс) стеклокерамический припой
В акуумное корпусирование микроэлектромеханических систем (МЭМС), микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС) и прочих устройств электроники на уровне пластины выполняется при использовании следующих основных методов: сварка полимерами, металлами и сплавами, стеклокерамическим припоем, непосредственная, анодная [1].[1] Выбор метода сварки определяется, прежде всего, уровнем вакуума, который требуется поддерживать внутри герметичного объема между пластинами. В предыдущем материале отмечалось, что обеспечить низкий вакуум (>103 Па) можно любым из вышеперечисленных методов. Для сохранения среднего вакуума (103-10-1 Па) пригодны все методы, кроме сварки через полимеры. Поддержание высокого вакуума (< 10-1 Па) - более сложная задача, и применяемый метод сварки должен быть совместим с использованием газопоглотителей - геттеров. Метод сварки, обеспечивающий высокий вакуум в герметичном объеме, - наиболее универсальный, а значит, предоставляет производителю возможность изготавливать широкую номенклатуру изделий. Один из универсальных методов - сварка пластин стеклокерамическим припоем - применим для корпусирования устройств, требующих среднего и высокого вакуума, например, микроболометров и МЭМС-резонаторов (рис.1) [2]. Данные изделия имеют широчайшую перспективную область применения. Автопроизводители проявляют интерес к использованию сенсоров на основе микроболометров для построения систем инфракрасного зрения, повышающих безопасность дорожного движения в условиях плохой освещенности. МЭМС-резонаторы из кремния во многих приложениях могут заменить собой традиционные кварцевые, а радиочастотные переключатели на основе МЭМС - ключи на транзисторах. Данные области применения требуют выпуска огромного количества таких изделий, причем недорогостоящих. Для их производства необходимы высокопроизводительные технологии, и вакуумное корпусирование с помощью стеклокерамического припоя отвечает этому требованию. Для решения задачи по поддержанию вакуума в герметичном объеме между пластинами необходимо тщательно подойти к выбору материалов, оборудования и режимов обработки пластин. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА Стеклокерамический припой для соединения пластин стекла, кремния либо иных материалов представляет собой пастообразное вещество. Основу пасты составляют оксиды различных металлов (англ.: fritt), органическое связующее и растворитель, корректирующий вязкость. Такую пасту можно нанести на пластину путем дозирования либо трафаретной печати. Затем пластину подвергают температурной обработке, в результате чего удаляются все органические вещества, и паста превращается в стеклообразное неорганическое вещество, обладающее малыми газовыделением и газопроницаемостью. Благодаря данному способу, который применяется для корпусирования МЭМС, МОЭМС и прочих устройств, удавалось обеспечить внутрикорпусное давление менее 0,1 Па, то есть высокий вакуум [3, 4]. Подобные соединения пластин отличаются высокой герметичностью - 7 ∙ 10-9 атм ∙ см 3/с [5]. СВОЙСТВА СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ПРИПОЕВ Стеклокерамические припои могут быть кристаллическими (crystallizing, non-vitreous) и некристаллическими (vitreous). В первом случае после оплавления пасты в ней образуются включения кристаллической фазы. Физические свойства такого материала существенно отличаются от свойств частиц порошка для приготовления пасты. Некристаллические пасты имеют аморфную структуру, это стеклообразные материалы, полностью идентичные исходному сырью, из которого сформирована твердая часть пасты. Стеклокерамические припои могут быть как диэлектриками, так и проводниками. Для проводимости в пасту добавляют порошок металла, например серебра. Чаще всего для герметизации МЭМС и МОЭМС данным способом используют диэлектрические пасты. Коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) припоев зависит от их состава. Припои с малыми КТЛР дают возможность соединять пластины кремния или стекла, существуют также припои, позволяющие соединять пластины, КТЛР которых сильно различаются. Примером паст для сварки стеклокерамическим припоем являются продукты компаний Ferro (США) и Namics (Япония) (табл.1). ТЕХНОЛОГИЯ Вакуумное корпусирование производится в два этапа. Суть первого в подготовке пластины-крышки, второй включает обработку стека пластин и заключается в их совмещении, откачке до требуемого давления, активации геттера и сращивании (рис.2). Перед сваркой паста и геттер наносятся только на одну пластину, причем последний в целях экономии площади кристалла чаще всего формируют на пластине-крышке. На ту же пластину наносится и паста, поскольку выполняются процессы с высокой вероятностью привнесения дефектности. Дефекты могут быть очень критичны для МЭМС, МОЭМС и устройств вакуумной электроники. ПОДГОТОВКА ПЛАСТИНЫ-КРЫШКИ. НАНЕСЕНИЕ И ТЕРМООБРАБОТКА ПАСТЫ Два наиболее распространенных способа нанесения пасты на поверхность пластин - трафаретная печать и дозирование. Первый метод - самый популярный благодаря высокой производительности, относительно высокому разрешению и малому разбросу по толщине наносимого слоя. При печати используется сетчатый трафарет. Данный метод требует специального принтера, позволяющего контролировать скорость печати и давление, подаваемое на ракель. Трафаретная печать отличается высокой производительностью. При использовании этого метода минимальная воспроизводимая ширина герметизирующих рамок из стеклокерамического припоя составляет 150 мкм, шаг между линиями - не менее 120 мкм, а точность совмещения ±90 мкм [6]. При нанесении пасты путем дозирования используется специальный принтер с прецизионным перемещением пластины относительно печатающей головки, из сопла которой с определенным давлением и скоростью подается паста. При этом требуются менее вязкие пасты, чем для трафаретной печати. Минимальная ширина линий составляет около 200 мкм (примерно соответствует диаметру сопла), точность совмещения - как при трафаретной печати. Производительность дозирования в значительной мере зависит от числа кристаллов на пластине. При большом их количестве это недостаточно производительный и эффективный способ. Поскольку ширина линий при любом способе нанесения составляет сотни микрон, а точность совмещения - десятки, необходимо обеспечить довольно большое расстояние между кристаллами. После нанесения пасты она подвергается термообработке (в англоязычной литературе - глазурованию, glazing) (рис.3). Можно выделить три ключевых этапа термообработки: сушка (drying), выжигание органического связующего (organics burn-out) и оплавление пасты (firing, glazing). На первом этапе температура подложки повышается до 100-120 °C, при этом происходит испарение растворителей. Продолжительность этапа при данной температуре - 10-15 мин. Обычно в термопрофиле не выделяют отдельное плато в этом диапазоне, поскольку скорость нагрева не должна превышать 3-5 °C/мин, чтобы за время нагрева до нужной температуры следующего этапа гарантировать испарение растворителя [6]. Органическое связующее выжигается при температуре TBO (рис.3, табл.1), которая должна быть ниже температуры стеклования твердой фазы пасты (TG). Продолжительность выжигания зависит от размера частиц пасты, толщины нанесенного слоя и свойств использованного органического вещества. Важно выбрать правильную температуру и время на данном этапе поскольку при ненадлежащем выжигании органических связующих в герметизирующей линии останутся пустоты и не удастся обеспечить желаемые уровни герметичности и прочности соединения. На последнем этапе термообработки пластина нагревается до температуры плавления припоя (TF). Необходимое для данного процесса время определяется условиями хорошей смачиваемости поверхности и освобождения расплава от захваченных на предыдущих этапах газов. После оплавления пасты пластина охлаждается со скоростью, равной скорости нагрева на предыдущих этапах: 3-5 °C/мин. Термическую обработку пасты лучше всего проводить в нормальной атмосфере либо в азоте. Если паста нанесена на пластину, где уже сформированы пленки геттера, то подвергать ее термообработке нужно в инертной атмосфере. При контакте с воздухом после извлечения из печи геттер покроется защитной пленкой оксидов и гидридов, его финальная активация должна производиться уже непосредственно перед сваркой в камере бондера. По окончании термообработки пластины охлаждаются до комнатной температуры. После этого они готовы для совмещения с приборной пластиной и к последующей сварке. Перед совмещением пластины можно отмыть в органическом растворителе либо снимателе фоторезиста - последовательность процедуры такая же, как между операциями осаждения диэлектриков (либо отжига) и фотолитографией. Применять сильные окислители (смесь Каро, SC-1, SC-2) недопустимо. При обработке пластин с оплавленным припоем рекомендуется использовать оборудование, которое не задействовано в производстве микросхем (из-за опасности привнесения загрязнений). СОВМЕЩЕНИЕ, АКТИВАЦИЯ ГЕТТЕРА И СВАРКА Поскольку путем сварки стеклокерамическим припоем невозможно обеспечить точность совмещения свыше нескольких десятков микрон, использовать оптическое совмещение по специальным меткам нецелесообразно. Достаточно совместить пластины по базовым срезам. Стандартные допуски на длины срезов обеспечивают точность ±50 мкм. Толщина проставок, разделяющих пластины в камере бондера во время откачки газа, может превышать 150 мкм. Величина зазора, созданного проставками, существенно влияет на точность совмещения при остальных методах сварки, но в этом случае не принципиальна. Напротив, при данном способе можно обеспечить максимальный зазор между пластинами при откачке, что позволит быстро удалить газ и свести к минимуму разброс давления между центральными и периферийными кристаллами. При сварке контролируются следующие параметры: давление (откачка), температура, усилие прижима пластин. Все они задаются во времени согласно определенному профилю (рис.4) [7]. После откачки до требуемого давления пластина с геттером нагревается до температуры его активации. Эффективность процесса зависит от температуры и времени (рис.5) [8]. Для оптимизации производительности достаточно активировать геттер на 70-80%. Температура внутри камеры при активации геттера не должна приводить к преждевременному плавлению припоя. В противном случае он может непредсказуемо растекаться, могут меняться его свойства, особенно если припой нанесен на слой SiO2 [6, 9]. После активации геттера обе пластины нагреваются до температуры сварки и припой плавится. Температура должна быть подобрана так, чтобы, с одной стороны, обеспечить надлежащую герметизацию, а с другой - предотвратить попадание расплавленного припоя в область кристалла, где расположены функциональные элементы. Обычно растекание ограничивают канавками или выступами, предусмотренными в топологии одной из пластин (рис.6) [6]. Когда температура внутри камеры достигает диапазона плавления припоя, необходимо выдержать паузу в несколько минут для гарантированного выравнивания температур. По окончании паузы разделительные проставки автоматически убираются и сборка сжимается. Давление, прикладываемое к сборке при сращивании, необходимо лишь для сглаживания неоднородностей поверхностей пластин, обычно оно составляет 0,3-1,5 бар, что обеспечивает конечную толщину припоя 5-10 мкм. Давление вызывает скольжение пластин относительно друг друга из-за возникновения составляющей внешней силы, параллельной поверхности. Для минимизации этого эффекта давление прикладывают максимально равномерно, а также используют проставки с КТЛР, приближенным к КТЛР материала пластин. Тем не менее это приводит к дополнительному рассовмещению в 10-20 мкм [6]. После приведения пластин в контакт при заданном усилии прижима сборка выдерживается в течение нескольких минут для гарантированного смачивания припоем поверхности противоположной пластины, а затем охлаждается с заданной скоростью. Давление прижима снимается только после того, как температура опустилась ниже температуры стеклования припоя (TG), одновременно можно отключить откачку. ГРАНИЦЫ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДА Описанный способ сварки пластин для реализации вакуумного корпусирования - гибкий и простой - позволяет обеспечить глубокий вакуум в герметизируемом объеме с геттером. Поэтому сварка стеклокерамическим припоем подходит для применения в производстве микроболометрических сенсоров, МЭМС-гироскопов и других приборов, которым необходимо обеспечить высокий вакуум. Малая чувствительность к неровностям поверхности - одно из главных преимуществ данного метода (табл.2) по сравнению с другими, пригодными для вакуумного корпусирования. Его использование обеспечивает простое решение задачи по созданию электрических контактов к элементам, находящимся в вакууме (рис.7) [2]. Однако недостатки данного метода не позволяют применить его там, где требуются высокая точность совмещения пластин, определенный зазор между ними и / или экономичное использование площади пластины. В остальных случаях сварка стеклокерамическим припоем - оптимальный метод. При выборе способа сварки нужно учитывать его особенности и соотносить их с требованиями к устройствам, производство которых планируется. Специалисты группы компаний Остек готовы оказать поддержку при выборе стеклокерамических припоев, оборудования для работы с ними, а также реализации процесса вакуумного корпусирования с помощью сварки пластин стеклокерамическим припоем. Компанией накоплен большой опыт поставок оборудования и материалов для сварки пластин при производстве МЭМС, МОЭМС и других изделий микроэлектроники, в том числе с помощью описанного метода.
Скупов А. Вакуумное корпусирование на уровне пластины - геттеры. - ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ. 2016. № 5.</reference>
<reference>Wu G. et al. Wafer-Level Vacuum Packaging for MEMS Resonators Using Glass Frit Bonding. - Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 21, No. 6, 2012, pp.1484-1491.</reference>
<reference>Sparks D. et al. Reliable Vacuum Packaging Using NanoGetters and Glass Frit Bonding. - Proc. SPIE Vol. 5343, Jan 2004, pp. 70-78.</reference>
<reference>Lemoine D. Vacuum WLP for MEMS and Monolitic Integration of MEMS and CMOS, McGrill University, 2009.</reference>
<reference>Chang H. et al. High Hermetic Performance of Glass Frit for MEMS Package. - IEEE 2010 5th International Microsystems Packaging Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT), 2010.</reference>
<reference>Knechtel R. Glass frit bonding: an universal technology for wafer level encapsulation and packaging. - Microsyst. Technol. 2005. Vol. 12. № 1-2. PP. 63-68.</reference>
<reference>Sridharan S., Dragoi V. et al. Effect of Process Variables on glass Frit Wafer Bonding in MEMS Wafer Level Packaging. - Proceedings of Symposium GG: MEMS, materials and devices II - MRS, 2005.</reference>
<reference>Ramesham R. Evaluation of Non-Evaporable Getters for High Vacuum Hermetic Packages, California Institute of Technology, 1999.</reference>
<reference>Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologie / Edited by V. Lindroos [and co-authors]. Burlington: Elsevier Inc., 2010, 636 p.</reference>
Скупов А. Вакуумное корпусирование на уровне пластины - геттеры. - ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ. 2016. № 5.</reference>
<reference>Wu G. et al. Wafer-Level Vacuum Packaging for MEMS Resonators Using Glass Frit Bonding. - Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 21, No. 6, 2012, pp.1484-1491.</reference>
<reference>Sparks D. et al. Reliable Vacuum Packaging Using NanoGetters and Glass Frit Bonding. - Proc. SPIE Vol. 5343, Jan 2004, pp. 70-78.</reference>
<reference>Lemoine D. Vacuum WLP for MEMS and Monolitic Integration of MEMS and CMOS, McGrill University, 2009.</reference>
<reference>Chang H. et al. High Hermetic Performance of Glass Frit for MEMS Package. - IEEE 2010 5th International Microsystems Packaging Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT), 2010.</reference>
<reference>Knechtel R. Glass frit bonding: an universal technology for wafer level encapsulation and packaging. - Microsyst. Technol. 2005. Vol. 12. № 1-2. PP. 63-68.</reference>
<reference>Sridharan S., Dragoi V. et al. Effect of Process Variables on glass Frit Wafer Bonding in MEMS Wafer Level Packaging. - Proceedings of Symposium GG: MEMS, materials and devices II - MRS, 2005.</reference>
<reference>Ramesham R. Evaluation of Non-Evaporable Getters for High Vacuum Hermetic Packages, California Institute of Technology, 1999.</reference>
<reference>Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologie / Edited by V. Lindroos [and co-authors]. Burlington: Elsevier Inc., 2010, 636 p.</reference>
Отзывы читателей
