粘片工藝對(duì)MEMS器件應(yīng)力的影響研究

吳　慧，段寶明，秦　盼，謝　斌，李蘇蘇

(北方電子研究院有限公司214所，安徽 蚌埠 233042)

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粘片工藝對(duì)MEMS器件應(yīng)力的影響研究

吳慧，段寶明，秦盼，謝斌，李蘇蘇

(北方電子研究院有限公司214所，安徽 蚌埠 233042)

粘片工藝是電路封裝過程的重要工藝，粘片工藝的質(zhì)量直接影響IC的導(dǎo)熱性和可靠性。對(duì)于MEMS器件，粘片質(zhì)量還可能造成MEMS器件運(yùn)動(dòng)部件和功能部件的損壞。試驗(yàn)表明，MEMS器件與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件在工藝上的差距較大，采用傳統(tǒng)的工藝方式，對(duì)MEMS器件內(nèi)部的質(zhì)量塊有較大的影響，通過選擇適合的貼片膠，優(yōu)化粘片工藝方式，可以降低粘接工序造成的應(yīng)力，從而保證MEMS器件的合格率。

MEMS；粘片；應(yīng)力

粘片工藝是電路封裝過程的一個(gè)重要工藝。尤其是在MEMS器件中，粘片工藝不僅影響MEMS的導(dǎo)熱性和可靠性，還可能造成MEMS器件運(yùn)動(dòng)部件和功能部件的損壞[1]。

MEMS器件的應(yīng)力來源有2種：1)當(dāng)多晶硅被沉積時(shí)，大量應(yīng)力產(chǎn)生在膜層中；2)來自于MEMS器件與基板(或管殼)的粘接材料。MEMS封裝的界面應(yīng)力是由芯片及封裝之間的粘接材料和材料的熱膨脹系統(tǒng)不匹配引起的，封裝中過剩的應(yīng)力是造成器件可靠性下降的主要原因之一。在MEMS器件的封裝過程中，時(shí)常發(fā)生晶圓測(cè)試合格的MEMS器件，在封裝后的測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)改變或不合格的現(xiàn)象[2]。

在粘片過程中，為了保證合適的粘接強(qiáng)度，對(duì)粘片膠的點(diǎn)膠位置、施膠的方式、膠點(diǎn)的大小(施膠面積)和厚度等都有嚴(yán)格的要求。本文通過計(jì)算膠點(diǎn)的最佳厚度和粘片膠的最佳施膠方式，改進(jìn)工藝方式，優(yōu)化粘片膠的固化條件，給出了對(duì)MEMS器件應(yīng)力影響較小的粘片工藝方式。

1　粘片工藝概述[3]

粘片又稱固晶，是通過介質(zhì)(膠體或合金片)把

芯片粘接在基板(或管殼)的指定區(qū)域，形成熱通路或電通路，為后序的鍵合提供條件的工序。粘片工藝是IC器件和MEMS器件封裝工藝中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。在IC貼片中，該工藝主要影響IC的導(dǎo)熱性和可靠性；在MEMS電路中，粘片工藝還會(huì)造成MEMS器件運(yùn)動(dòng)部件和功能部件的損壞。

粘片工藝通常采用膠體粘片(粘片膠)和焊料片(合金焊片)粘片等2種。使用膠體粘片不僅具有工藝靈活、簡(jiǎn)單、工藝溫度低和不需要助焊劑等優(yōu)點(diǎn)，而且其工藝設(shè)備也相對(duì)便宜、簡(jiǎn)單，無論是工藝操作、工藝要求，還是成本，都比較低，所以應(yīng)用更為廣泛。本文主要介紹膠體粘片工藝。

2　不同工藝方式對(duì)MEMS器件產(chǎn)生的應(yīng)力

2.1不同的施膠量對(duì)MEMS器件產(chǎn)生的應(yīng)力

在考察施膠方式的同時(shí)，還對(duì)施膠厚度與施膠面積對(duì)于應(yīng)力的影響進(jìn)行了試驗(yàn)。以厚度為600μm，外形尺寸為5 000μm×5 000μm的MEMS器件為試驗(yàn)對(duì)象，分別做了施膠厚度和施膠面積的試驗(yàn)(見圖1和圖2)，結(jié)果分別見表1和表2。

圖1　施膠厚度對(duì)器件應(yīng)力結(jié)構(gòu)間應(yīng)力的影響

施膠厚度/μmMEMS器件的最大應(yīng)力/kPa2082603057204045205037106032307028308025809023101002170

圖2　施膠面積對(duì)器件應(yīng)力結(jié)構(gòu)間應(yīng)力的影響

注：重疊比例越小，施膠面積越小。重疊比例=100%，為施膠面積與MEMS器件面積相等；重疊比例>100%，即施膠面積超出器件面積。

表2　施膠面積對(duì)應(yīng)力的影響

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，施膠厚度與粘接應(yīng)力呈反比，即厚度越大則應(yīng)力越?。欢┠z面積與MEMS器件面積大小呈非正態(tài)分布，當(dāng)施膠面積小于MEMS器件面積時(shí)，施膠面積與粘接應(yīng)力明顯呈正比，即面積越小則應(yīng)力越小，在施膠面積與器件面積相等時(shí)，應(yīng)力值最大，之后會(huì)逐漸緩慢呈微弱下降趨勢(shì)。

2.2不同的施膠方式對(duì)MEMS器件產(chǎn)生的應(yīng)力

以往的MEMS器件與封裝結(jié)構(gòu)為MEMS器件直接與腔體(或基板)進(jìn)行粘接，粘接面采用整面施膠環(huán)氧樹脂。由上述試驗(yàn)可以看出，這樣的結(jié)果使總體應(yīng)力較大?，F(xiàn)有的MEMS器件內(nèi)部包含有2塊可動(dòng)結(jié)構(gòu)，整面施膠的粘接方法也會(huì)造成2塊可動(dòng)結(jié)構(gòu)之間存在較大的應(yīng)力差。為了降低因粘接造成的應(yīng)力，結(jié)合之前的試驗(yàn)，考慮采用點(diǎn)狀粘接材料的方法替代原有的整面施膠的方法。

傳統(tǒng)的100%整面施膠方式及相應(yīng)的熱應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3　　　　整面施膠的MEMS器件組裝方式、熱應(yīng)力分布及2個(gè)質(zhì)量塊的最大應(yīng)力

由圖3可以看出，整面施膠方式下的最大熱應(yīng)力為2 347Pa，應(yīng)力差為160Pa，不適合敏感結(jié)構(gòu)的MEMS器件。

經(jīng)分析，考慮采用3種點(diǎn)狀施膠方式：1)X軸方向三點(diǎn)點(diǎn)狀施膠；2)Y軸方向三點(diǎn)點(diǎn)狀施膠；3)四角點(diǎn)狀施膠。3種點(diǎn)狀施膠方式、相應(yīng)的熱應(yīng)力分布以及3種點(diǎn)狀施膠方式下2個(gè)質(zhì)量塊的最大應(yīng)力圖分別如圖4～圖6所示。

圖4　　　　四角點(diǎn)狀施膠的MEMS器件組裝方式、熱應(yīng)力分布及2個(gè)質(zhì)量塊的最大應(yīng)力

由圖4可以看出，四角點(diǎn)狀施膠方式下的最大熱應(yīng)力為374Pa，應(yīng)力差為7Pa，效果較為理想。

圖5　　　　X軸方向三點(diǎn)點(diǎn)狀施膠的MEMS器件組裝方式、熱應(yīng)力分布及2個(gè)質(zhì)量塊的最大應(yīng)力

由圖5可知，X軸方向三點(diǎn)點(diǎn)狀施膠方式下的最大熱應(yīng)力為566Pa，應(yīng)力差為283Pa，差值過大。

圖6　　　　Y軸方向三點(diǎn)點(diǎn)狀施膠的MEMS器件組裝方式、熱應(yīng)力分布及2個(gè)質(zhì)量塊的最大應(yīng)力

由圖6可知，Y軸方向三點(diǎn)點(diǎn)狀施膠方式下的最大熱應(yīng)力為284Pa，應(yīng)力差為6Pa。

因此，沿Y軸方向?qū)ΨQ的3點(diǎn)排布作為導(dǎo)電膠的粘貼方式，左、右質(zhì)量塊的應(yīng)力差值最小，是最佳的施膠方式。幾種施膠方式的應(yīng)力對(duì)比見表3。

表3　幾種施膠方式的應(yīng)力對(duì)比

2.3增加襯底以減小應(yīng)力

為了進(jìn)一步減小粘接應(yīng)力對(duì)于MEMS器件的影響，引入了去藕隔離襯底結(jié)構(gòu)，即在MEMS器件和陶瓷外殼之間增加一層起去耦作用的硅材料襯底，隔離襯底與陶瓷外殼粘接，MEMS器件再與隔離襯底粘接。關(guān)于MEMS器件、硅隔離襯底和陶瓷外殼的組裝方式，試驗(yàn)了4種情況(見圖7)。引入去耦隔離襯底后幾種施膠方式的應(yīng)力對(duì)比見表4。

圖7　引入去耦隔離襯底的4種方式

粘接方式2個(gè)可動(dòng)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力/Pa2個(gè)可動(dòng)結(jié)構(gòu)間的最大應(yīng)力差/Pa未采用隔離襯底整面施膠2347160圖7a112.3348圖7b14.960.51圖7c5.850.45圖7d2.450.27

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用了隔離襯底可以大大減小粘接應(yīng)力，而結(jié)合了點(diǎn)狀施膠方式，又可以進(jìn)一步降低粘接應(yīng)力，MEMS器件與隔離襯底，隔離襯底與陶瓷外殼之間均采用點(diǎn)狀施膠方式進(jìn)行粘接，可以獲得較為優(yōu)化的粘接應(yīng)力分布。

3　粘接材料及固化條件對(duì)電路應(yīng)力的影響

眾所周知，膠體需要具有較好的流動(dòng)性，以便于覆蓋整個(gè)表面，在施膠時(shí)達(dá)到既無孔洞也不發(fā)生分層的狀態(tài)，否則將影響粘接后器件的剪切力及相應(yīng)的應(yīng)力。另外，通過多年的工作經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)除了膠體的選擇，其固化條件也可以改變膠體的流動(dòng)性。

3.1貼片膠彈性模量對(duì)芯片應(yīng)力的影響

彈性模量大的貼片膠為硬膠；反之，稱為軟膠。為了分析粘片膠彈性模量對(duì)芯片應(yīng)力的影響，假設(shè)使用一系列貼片膠，它們的熱膨脹系數(shù)相同。彈性模量與芯片中心點(diǎn)應(yīng)力值的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8　彈性模量與芯片中心點(diǎn)應(yīng)力值的關(guān)系曲線

由圖8可以看出，彈性模量越大的膠，熱應(yīng)力引起芯片的應(yīng)力更大，但當(dāng)彈性模量增大到一定的值(20GPa)之后，溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)力就會(huì)減小，也就是說，很軟的膠對(duì)應(yīng)力有一定的吸收作用，非常硬的膠對(duì)芯片有較好的應(yīng)力隔離作用，但實(shí)際中沒有彈性模量大到上述情況的膠；所以，在滿足剪切應(yīng)力和氣密性等要求的前提下，應(yīng)盡可能地選用軟膠。

3.2固化條件對(duì)MEMS芯片應(yīng)力的影響[4]

同一膠體的固化條件并不是一成不變的，在膠體自身的失效溫度范圍內(nèi)，通常可以通過增加溫度、減少時(shí)間，或者降低溫度、增加時(shí)間甚至改一步固化為兩步固化來完成。

相同粘接方式、相同膠體在不同固化條件下的應(yīng)力對(duì)比見表5。

表5　不同固化條件下的應(yīng)力對(duì)比

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，溫度降低，時(shí)間延長(zhǎng)，可以有效釋放氣體，降低膠體對(duì)MEMS器件的應(yīng)力，且采用兩步固化的方法，效果更加理想。

4　結(jié)語

在MEMS器件的封裝工藝中，膠體的選擇和工藝的優(yōu)化對(duì)器件的可靠性和有效性存在直接的影響，應(yīng)根據(jù)不同器件的具體要求有針對(duì)性地處理。為解決MEMS器件中的應(yīng)力問題，在粘接工藝中，通過增加襯底、采用多點(diǎn)施膠的工藝方式，可以使應(yīng)力值明顯降低，同時(shí)，應(yīng)盡量選擇彈性模量較低的膠體，并降低固化溫度，延長(zhǎng)固化時(shí)間，從而進(jìn)一步減少工藝加工過程中對(duì)MEMS器件產(chǎn)生的應(yīng)力，保證器件的合格率。

[1]UlrichRK,BrownWD. 高級(jí)電子封裝[M]. 李虹，張輝，郭志川，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 關(guān)榮鋒.MEMS器件貼片工藝研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(4)：24-26.

[3] 劉漢誠(LauJH). 三維電子封裝的硅通孔技術(shù)[M]. 秦飛，曹立強(qiáng)，譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[4]HarperCA. 電子封裝與互連手冊(cè)[M]. 賈松良，等譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

責(zé)任編輯鄭練

ResearchontheImpactofDieAttachProcessonMEMSDevicesStress

WUHui,DUANBaoming,QINPan,XIEBin,LISusu

(NorthElectronicsResearchInstituteCo.,Ltd., 214Institution,Bengbu233042,China)

ThedieattachisaveryimportantprocessintheICpackageflow.ThequalityofthedieattachprocessimpactsthethermalconductivityandreliabilityoftheICdirectly.ItmayalsohavedamagetothevibratoryandfunctionalstructureofMEMSdevice.ThereisabigdifferencebetweenMEMSdeviceandconventionalsemiconductordeviceinpackagingprocess.ThetraditionalpackagingprocesshasgreatinfluenceonqualityblocksinsideMEMSdevice.Thesuitabledieattachfilmandtheoptimizationofthedieattachprocesscanreducethestress,whichcanimprovetheyieldoftheMEMSdevice.

MEMS,dieattach,stress

TN305.94

A

吳慧(1977-)，女，主管工藝師，工程師，大學(xué)本科，主要從事半導(dǎo)體及MEMS封裝工藝等方面的研究。

2016-01-13