揭秘Au-Sn共晶鍵合：MEMS封裝的高效解決方案

隨著微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的快速發(fā)展，其在汽車、醫(yī)療、通信、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。MEMS器件由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能特性，對(duì)封裝技術(shù)提出了極高的要求。其中，氣密性封裝是MEMS封裝中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它不僅能夠保護(hù)MEMS器件免受外部環(huán)境的影響，還能提高器件的性能和可靠性。Au-Sn共晶鍵合技術(shù)作為一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，在MEMS氣密性封裝中展現(xiàn)出了巨大的潛力。

一、MEMS封裝概述

MEMS是將微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理、電路等元件集成到硅層上的系統(tǒng)。由于MEMS器件具有精密的可動(dòng)結(jié)構(gòu)，如微型腔體、微梁和薄膜元件等，這些微結(jié)構(gòu)的尺寸很小、強(qiáng)度低，容易因機(jī)械接觸而損壞，因此封裝起來難度極大。MEMS封裝不僅需要提供必要的電學(xué)和其他物理場的互聯(lián)，還需對(duì)MEMS結(jié)構(gòu)以及電連接等提供支持和保護(hù)，使之免受外部環(huán)境的干擾或破壞。封裝中面臨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝條件的選擇、熱力學(xué)效應(yīng)和多物理場耦合等問題。研究表明，在MEMS系統(tǒng)中發(fā)生的可靠性問題50%來自電子封裝過程。

二、Au-Sn共晶鍵合技術(shù)原理

共晶鍵合，又稱共晶焊接，是指兩種或兩種以上金屬層，在一定的溫度下直接從固體轉(zhuǎn)化成液態(tài)，通過金屬再結(jié)晶在鍵合面形成共晶相的鍵合工藝。Au-Sn共晶鍵合是其中一種重要的類型，它利用Au和Sn在特定比例下形成的共晶合金，實(shí)現(xiàn)低溫下的鍵合。

Au-Sn合金是半導(dǎo)體后道管殼級(jí)封裝中常用的焊料之一，常用的合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80%的Au和20%的Sn。這種成分比例的Au-Sn焊料能夠在280℃下形成共晶合金，在合金溫度點(diǎn)附近，主要包括Au5Sn相和AuSn相。在鍵合過程中，當(dāng)溫度高于Sn的熔點(diǎn)（231.9℃）時(shí)，Sn層開始熔化，在金錫界面形成液相。由于金和錫的反應(yīng)擴(kuò)散，在界面快速形成金錫的共晶相。溫度降低時(shí)，凝固形成穩(wěn)定的金錫共晶體。

三、Au-Sn共晶鍵合技術(shù)在MEMS封裝中的應(yīng)用優(yōu)勢

1. 低溫鍵合

相比于其他封裝技術(shù)，如硅/玻璃靜電鍵合、硅/硅直接鍵合等，Au-Sn共晶鍵合技術(shù)具有更低的鍵合溫度。硅/玻璃靜電鍵合需要約1000V的高電壓，這對(duì)某些MEMS器件的性能產(chǎn)生影響，也不適于在CMOS集成傳感器中應(yīng)用；硅/硅直接鍵合所需溫度高（>1000℃），且無法實(shí)現(xiàn)帶金屬鍵合，應(yīng)用面較小。而Au-Sn共晶鍵合技術(shù)的鍵合溫度約為300℃，這一溫度遠(yuǎn)低于上述兩種技術(shù)，有利于減少封裝過程中對(duì)MEMS器件的熱應(yīng)力影響，提高器件的可靠性。

1. 高氣密性

MEMS器件對(duì)封裝的氣密性有著特殊的要求。在真空或充壓環(huán)境下進(jìn)行氣密封裝可以提高多種MEMS器件的性能，如MEMS陀螺儀就必須要求真空封裝以提高諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q值。Au-Sn共晶鍵合技術(shù)在鍵合過程中出氣量很低，可以實(shí)現(xiàn)高真空零級(jí)封裝，滿足MEMS器件對(duì)氣密性的嚴(yán)格要求。

1. 工藝簡單，適于批量生產(chǎn)

Au-Sn共晶鍵合技術(shù)對(duì)鍵合面的平整度、劃痕和顆粒都不敏感，這降低了對(duì)鍵合前處理工藝的要求，使得鍵合過程更加簡單、易于控制。同時(shí)，由于Au-Sn共晶合金具有良好的物理特性、導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度高、無需助焊劑以及低黏滯性等優(yōu)點(diǎn)，因此Au-Sn共晶鍵合技術(shù)非常適合于批量的氣密封裝生產(chǎn)。

四、Au-Sn共晶鍵合技術(shù)在MEMS封裝中的應(yīng)用實(shí)例

以某MEMS氣密性封裝項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目采用Au-Sn共晶鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MEMS晶圓級(jí)氣密封裝。具體過程如下：

1. 鍵合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了共晶鍵合多層材料的結(jié)構(gòu)和密封環(huán)圖形。蓋帽層采用Ti/Ni/Au/Sn/Au結(jié)構(gòu)，其中Ti作為金屬與硅襯底的黏附層，Ni作為擴(kuò)散阻擋層和焊料的浸潤層。由于Sn在大氣環(huán)境下容易氧化，在Sn的表面淀積一層Au作為鈍化層。器件層采用Ti/Ni/Au結(jié)構(gòu)。Au和Sn的厚度比例嚴(yán)格按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80%的Au和20%的Sn進(jìn)行電鍍，以保證鍵合質(zhì)量。

1. 鍵合前處理

采用氮?dú)馀c氧氣等離子清洗相結(jié)合的前處理方法去除無機(jī)與有機(jī)沾污，得到一個(gè)清潔的鍵合表面。氮?dú)馇逑磳儆谖锢砬逑捶椒?，去除表面吸附的顆粒以及無機(jī)物；氧氣清洗屬于化學(xué)清洗方法，采用微波氧氣等離子體，通過微波提高氧活性和等離子體密度，與金屬表面的有機(jī)物迅速反應(yīng)去除殘留的有機(jī)沾污。

1. 鍵合過程

兩層硅片在氮?dú)鈿夥罩锌快o態(tài)的壓力實(shí)現(xiàn)緊密接觸。加熱的峰值溫度為300℃，持續(xù)時(shí)間為2min。由于Au-Sn合金的共熔溫度為280℃，略高于共熔溫度是為了保證焊料的充分互熔。在升溫的過程中，界面的Sn首先熔化，熔化的Sn溶解了兩面接觸的Au，實(shí)現(xiàn)了金屬間的互熔。降溫時(shí)通入氮?dú)饧铀倮鋮s，快速降溫有利于生成的金屬間化合物更小、結(jié)構(gòu)更致密。

1. 鍵合后處理

鍵合完成后采用應(yīng)力測試儀測試圓片翹曲，通過翹曲度來評(píng)估圓片鍵合應(yīng)力的大小。同時(shí)，從鍵合好的圓片上抽取封裝好的芯片進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，以衡量封裝質(zhì)量。

五、Au-Sn共晶鍵合技術(shù)在MEMS封裝中的應(yīng)用前景

隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)封裝技術(shù)的要求也越來越高。Au-Sn共晶鍵合技術(shù)以其低溫鍵合、高氣密性、工藝簡單和適于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在MEMS封裝中展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。特別是在對(duì)氣密性要求較高的MEMS器件，如MEMS陀螺儀、壓力傳感器等，Au-Sn共晶鍵合技術(shù)將成為主流的封裝技術(shù)之一。

此外，隨著半導(dǎo)體封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，Au-Sn共晶鍵合技術(shù)也有望與其他先進(jìn)封裝技術(shù)相結(jié)合，形成更加完善的MEMS封裝解決方案。例如，將Au-Sn共晶鍵合技術(shù)與晶圓級(jí)封裝（WLP）技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更高密度、更高可靠性的MEMS封裝。

六、結(jié)論

Au-Sn共晶鍵合技術(shù)作為一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，在MEMS氣密性封裝中展現(xiàn)出了巨大的潛力。其低溫鍵合、高氣密性、工藝簡單和適于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使得它成為MEMS封裝中的理想選擇。隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，Au-Sn共晶鍵合技術(shù)將在MEMS封裝領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為MEMS器件的性能提升和可靠性保障提供有力支持。同時(shí)，隨著半導(dǎo)體封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，Au-Sn共晶鍵合技術(shù)也將不斷發(fā)展和完善，為MEMS封裝帶來更多的創(chuàng)新解決方案。