嵌入MEMS微流道的硅轉(zhuǎn)接基板鍵合工藝研究

李奇哲，朱家昌，夏晨輝，王剛

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引言

隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)、新型電子材料技術(shù)和封裝互連技術(shù)的快速發(fā)展，人們不斷地探索通過改進半導體器件的封裝形式來提高組件的組裝密度，實現(xiàn)小型化、輕量化、多功能和低成本的需求。與此同時，組裝密度的顯著提升必然會造成立體微組裝系統(tǒng)熱流密度的急劇上升，一般而言，電子產(chǎn)品的溫度每急劇上升10 ℃，可靠度可能會降低為原來的一半；而溫度從75 ℃升高到 125 ℃，可靠度則變?yōu)樵瓉淼?0%[1-3]。因此，如何解決三維立體高密度組件帶來的散熱問題已經(jīng)成為高性能立體組裝系統(tǒng)面臨的首要挑戰(zhàn)。

當系統(tǒng)功率密度超過100 W/cm2時傳統(tǒng)的熱沉、風扇冷卻和熱管等冷卻方式已無法滿足微系統(tǒng)的散熱要求。微流道散熱技術(shù)最早是在1981年由美國學者Tuckerman 和 Pease提出的，旨在解決高熱流密度微電子冷卻問題[4]。此后微通道的研究在功率器件散熱方面受到充分的重視，各種微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計層出不窮，如直線型、折線型、S型和梯型等[5]，針對各種結(jié)構(gòu)的微流道，其制造工藝也各有差別。本文在本研究團隊設(shè)計的微流道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對嵌入MEMS微流道的硅轉(zhuǎn)接基板一體化制造技術(shù)中的鍵合工藝進行研究，以滿足對微流道結(jié)構(gòu)的各項性能要求，保障微流道結(jié)構(gòu)應用于高密度立體組裝系統(tǒng)中的高效散熱性能。

1 嵌入MEMS微流道的硅轉(zhuǎn)接基板 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)外微流道散熱技術(shù)研究現(xiàn)狀可知，典型的微流道結(jié)構(gòu)設(shè)計主要集中在直線型結(jié)構(gòu)和周期擾流型結(jié)構(gòu)，其中周期擾流型結(jié)構(gòu)具有更好的冷卻能力，但流動阻力較大。對于給定的條件下，微流道結(jié)構(gòu)設(shè)計中所期望的最大溫升和最小壓降是相互矛盾的。為了在冷卻能力和流動阻力間取得平衡，本項目著重進行直線型MEMS微流道結(jié)構(gòu)的嵌入MEMS微流道的硅轉(zhuǎn)接基板設(shè)計。基于AutoCAD繪圖軟件完成嵌入MEMS微流道的硅轉(zhuǎn)接基板，包括微流道層和蓋板層兩個部分，其中微流道層內(nèi)部設(shè)計有三角形的導流槽結(jié)構(gòu)、直線型微流道和TSV，蓋板層設(shè)計有與導流槽結(jié)構(gòu)一一對應的微流體出入口和TSV，基板結(jié)構(gòu)如圖1所示，尺寸如表1所示。

圖1 嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)設(shè)計

表1 嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

2 嵌入MEMS微流道的硅轉(zhuǎn)接基板 鍵合工藝過程及分析

本項目采用嵌入MEMS微流道的硅轉(zhuǎn)接基板方案以實現(xiàn)MEMS微流體散熱技術(shù)與高密度立體微組裝技術(shù)的融合，不僅要求微流道結(jié)構(gòu)具有一定的鍵合強度，微流道結(jié)構(gòu)完全密封，不發(fā)生液體泄漏，而且要防止微流道的變形和堵塞。對鍵合加工工藝有著嚴苛的要求。結(jié)合我司加工平臺，對影響鍵合工藝的各個參數(shù)進行研究。

2.1 助焊劑和RF等離子對鍵合工藝的影響

通常，電路由于保存方式不當，在焊球表面或焊盤表面都會出現(xiàn)一層氧化層，或存在有機物污染或臟污等問題，未經(jīng)處理焊接導致焊接質(zhì)量不良，出現(xiàn)虛焊等現(xiàn)象。使用助焊劑對待焊接樣件進行處理，可有效地去除焊接表面氧化層、臟污等，增大焊接面積，促進焊接過程。本研究首先采用WS-366型號助焊劑對微流道樣件進行處理，對其回流焊后，進行拉脫測試，測試方式如圖2所示，其強度為0.95 kg。

圖2 嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板樣件回流后的拉脫測試

進一步地進行X射線焊接界面狀態(tài)的檢測，如圖3所示。焊接后，樣件內(nèi)部存在大面積的焊接空洞，并存在嚴重的溢料問題，流道內(nèi)部發(fā)生堵塞，其可靠性大幅度地降低；可能原因為在流道層與上蓋板貼合后，處于其中的助焊劑蒸汽無法排出，造成大量的焊接氣泡空洞產(chǎn)生，同時，器件內(nèi)部存在大量的助焊劑蒸汽會進一步地擠壓熔融的焊料，使得熔融焊料外溢到流道間隙中，發(fā)生堵塞。

圖3 使用助焊劑處理后的嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板樣件

鑒于助焊劑的使用帶來的大量空洞及溢料情況，我們采用RF等離子清洗機對樣件先進行Ar等離子轟擊處理，對樣件表面的氧化層或者臟污進行處理，以增強焊接能力。RF等離子清洗機的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 RF等離子清洗機工藝參數(shù)

樣件在完成等離子處理后，對其進行回流，回流后對其進行拉脫測試，強度可達6.05 kg，進一步地進行X射線焊接界面狀態(tài)的檢測，如圖4所示。X射線檢測結(jié)果顯示，經(jīng)過RF等離子處理后的樣件，微流道結(jié)構(gòu)內(nèi)部無明顯的空洞，焊接質(zhì)量良好，兩相結(jié)合界面形成有效的IMC層，其主要成分為Cu、Pb及Sn原子互相擴散摻雜后形成的金屬冶金化合物層，這也與其拉脫強度的大幅度提高相一致，結(jié)果表明：采用RF等離子清洗可有效地代替助焊劑的作用，并且對焊接質(zhì)量的提升有很大的幫助?？梢酝ㄟ^改進回流曲線的控制加以避免。本文探究了基于Pb90Sn10焊料的回流焊接時間及回流爐溫區(qū)個數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，回流曲線如圖5所示。

圖4 使用RF等離子處理后的嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板樣件

圖5 高鉛焊料Pb90Sn10回流曲線示意圖

2.2.1 回流時間對鍵合工藝的影響

試驗采用兩個批次的樣品，回流時間分別為80、10 s，對回流完成后的微流道樣件進行拉力測試，其拉力強度數(shù)據(jù)如表3所示，結(jié)果表明：隨著回流時間的適當增加，微流道結(jié)構(gòu)樣件的拉脫強度增加，表明適度地增加回流時間，可有效地提升焊接強度。

表3 嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板拉力測試

2.2 回流曲線對鍵合工藝的影響

在回流爐中實現(xiàn)的回流焊過程是微流道結(jié)構(gòu)制備中的極其重要的工藝過程?；亓骱高^程的控制決定著微流道結(jié)構(gòu)的終端質(zhì)量。回流焊過程控制在工藝上表現(xiàn)為回流溫度曲線的控制，因回流曲線不適當而影響的缺陷形式主要有：部分元件爆裂/破裂、翹件、錫粒、橋接、虛焊和PCB 脫層起泡等，而這些缺陷都進一步地對樣件通過掃描電子顯微鏡進行了SEM和X射線分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，界面處Pb90Sn10焊料未溢出到微流道溝槽內(nèi)，并且鍵合界面不發(fā)生空洞。 看出，回流時間為100 s的樣品IMC層相對更厚，達到459.3 nm，表明其形成更加有效的焊接，這與其拉脫強度較大相對應。究其原因，可能為在高溫下，回流時間適當?shù)卦黾樱w系熵值增大，界面結(jié)合處Cu、Pb及Sn原子活性更大，更加有利于原子的擴散，在焊接界面處形成較厚的IMC層，表現(xiàn)出更高的拉脫強度。

圖6 不同的回流時間下嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板電鏡及X射線圖

2.2.2 回流爐溫區(qū)個數(shù)對鍵合工藝的影響

回流爐溫區(qū)個數(shù)對回流后的樣品焊接質(zhì)量有著重要的影響?；亓鳡t溫區(qū)個數(shù)增加，爐溫各個區(qū)段調(diào)節(jié)更加靈活，爐溫越能真實地反映焊料的實時狀態(tài)，兩個條件下存在差異的是界面處形成IMC焊接層的厚度不同，在本研究中，鑒于濺射后Cu種子的層厚度只有300 nm，電鍍到微流道表面Pb90Sn10焊料層的厚度為1 000 nm，IMC層厚度相對較薄，直接測量其厚度誤差較大，我們計算IMC層厚度的方式如圖7所示，IMC厚度=X-300 nm。

圖7 IMC層計算方式示意圖

基于以上計算方式，對不同的回流時間得到的樣品進行SEM測試，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以其回流曲線與焊料標準曲線的擬合更加貼近，回流后的焊接質(zhì)量也更加優(yōu)異。此外，回流爐冷卻段增加水冷區(qū)，相比單純的氣冷，更加容易地控制冷卻速率，對回流后的焊接質(zhì)量也有著重要的影響。我們在本次研究中采用了兩臺回流爐進行試驗：BTU公司Pyramax-125 N的10溫區(qū)加2冷卻區(qū)回流爐，BTU公司Pyramax-100 N的8溫區(qū)加1冷卻區(qū)回流爐；所采用的試驗條件如表4所示，兩種不同型號的回流爐所采用的回流曲線如圖8所示。

圖8 不同回流時間對微流道樣品IMC層厚度影響的SEM圖

表4 回流爐溫區(qū)個數(shù)對焊接質(zhì)量影響試驗條件

對兩個批次的樣品回流后，對其進行拉力測試，其測試結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明：回流爐溫區(qū)個數(shù)增加，可有效地提升樣件焊接強度，對焊接質(zhì)量的改善有著重要的影響。這與我們之前推測的結(jié)果相印證。

表5 嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板拉力測試（不同溫區(qū)個數(shù)回流爐回流）

進一步地對兩個批次的樣品進行X射線及SEM檢測，如圖9所示。X射線檢測結(jié)果表明：兩個批次的樣品內(nèi)部無焊接空洞，樣件邊緣焊接完整。

圖9 8溫區(qū)回流爐和10溫區(qū)回流爐樣件回流后的樣件X射線圖

SEM檢測結(jié)果如圖10所示，結(jié)果表明：對于采用10溫區(qū)的回流爐回流后，樣件IMC層厚度增加，可達到510.2 nm；這表明隨著回流爐溫區(qū)個數(shù)的增加，爐內(nèi)溫度曲線更加真實地貼近焊料的理想回流曲線，有利于Cu、Pb及Sn原子彼此的擴散，焊接后IMC層厚度的增加明顯，焊接質(zhì)量更加優(yōu)秀，其樣件拉脫強度更大。

圖10 不同溫區(qū)個數(shù)對微流道樣品IMC層厚度影響的SEM圖

2.3 蓋板上梯度壓力對倒裝焊的影響

在常規(guī)的回流焊中，助焊劑或錫膏是必不可少的，使得焊接界面潤濕性得到提升的同時，也增強了焊接界面的結(jié)合性，有效地保證了焊接質(zhì)量。在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)使用助焊劑會帶來大面積空洞和溢料問題，改用RF等離子清洗方式進行預處理，但可能存在潤濕性相對較差的問題。針對這個問題，我們對蓋板施加了梯度壓力，提升熔融焊料的流道性，加強Cu原子與Pb原子之間的遷移運動，形成更厚的IMC層，保證焊接質(zhì)量。我們對蓋板實施的梯度壓力數(shù)據(jù)如表6所示，其實驗樣品如圖11所示。

圖11 施加在嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板蓋板上的梯度壓力

表6 施加在嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板蓋板上的壓力

對施加焊接壓力的樣品回流后，對其進行拉脫測試，其測試數(shù)據(jù)如表7所示。結(jié)果表明：在施加壓力小于0.22 N時，隨著施加壓力的增大，樣件拉脫強度也會增大；在施加壓力大于6.75 N后，樣件拉脫強度并不與壓力成正比；與施加較小的壓力樣件相比，其拉脫強度反而存在一定的降低。

表7 嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板拉力測試（蓋板施壓樣品）

對負載1和負載5樣件進一步地進行X射線分析，其結(jié)果如圖12所示。對于負載1和負載5樣品，其X射線檢查結(jié)果顯示其焊接界面無明顯的空洞，流道層邊緣焊接良好。

圖12 負載1和負載5樣件回流后的X射線圖

對樣品進一步地進行SEM分析，如圖13所示，SEM檢測表明負載1樣品的IMC層厚度很薄，只有188.6 nm，焊接效果一般，對應的拉脫強度也降低；負載5樣品的IMC層厚度達到382.6 nm，焊接效果明顯地提升，對應的拉脫強度也大幅度地升高。結(jié)果表明：在蓋板上施加一定范圍合適的壓力后，更加有利于熔融焊料的擴散，有利于IMC層的形成，對焊接質(zhì)量提升有一定的影響，可通過在蓋板上施加適當?shù)牧σ蕴嵘附淤|(zhì)量。

圖13 不同的壓力下對微流道樣品IMC層厚度影響的SEM圖

3 結(jié)束語

本文基于嵌入MEMS微流道的硅基轉(zhuǎn)接板的回流鍵合工藝，對影響回流鍵合的工藝參數(shù)進行系統(tǒng)研究，探索適合本研究對象的回流工藝參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)：1）相對于使用助焊劑預處理，采用RF等離子處理后的樣件焊接效果更優(yōu)；2）適度地增加回流時間或采用溫區(qū)合數(shù)較多的回流爐可有效地提升焊接質(zhì)量，焊接強度更加優(yōu)異；3）對樣件施加合適的壓力有利于IMC的形成，提升焊接強度。因此，對待回流樣件進行RF等離子處理，并在蓋板上施加0.22 N壓力后，采用100 s回流時間；在回流溫區(qū)個數(shù)為10溫區(qū)的回流爐中進行回流后，其焊接質(zhì)量達到最優(yōu)，焊接強度平均值為14.83 kg；可以滿足微流道結(jié)構(gòu)完全密封的要求，因而不會發(fā)生液體泄漏，微流道變形和堵塞等問題。