[發(fā)明專利]一種低溫圓片鍵合方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810047370.5
• 申請日: 2008-04-18
• 公開（公告）號: CN101261932A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳明祥;劉文明;劉勝
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L21/00
• 分類號: H01L21/00;H01L21/50;B81C1/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于電子封裝的圓片鍵合方法，尤其涉及一種用于硅與非硅基MEMS器件、IC器件、光電器件集成的圓片鍵合技術(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)

圓片鍵合是指微機電系統(tǒng)MEMS(Micro-electro-mechanical?system)結(jié)構(gòu)2和電路的制作、鍵合過程都在圓片1上進行，鍵合完成后再進行切割，形成單個的芯片，如圖1所示。圓片鍵合既可用于MEMS器件的封裝，也可用于MEMS和其他器件制作。如大功率發(fā)光二極管(LED)的制備，為降低芯片的封裝應(yīng)力和熱阻，提高出光效率，需要采用圓片鍵合實現(xiàn)襯底轉(zhuǎn)移。圓片鍵合技術(shù)大大地提高了MEMS器件封裝效率、封裝成品率和可靠性，因而是一種降低封裝成本的有效手段。目前已研發(fā)出了多種圓片鍵合技術(shù)，如陽極鍵合、硅圓片直接鍵合、共晶鍵合、熱壓鍵合、玻璃焊料鍵合等，但上述圓片鍵合技術(shù)都涉及整體加熱的高溫過程，工藝時間長，封裝過程產(chǎn)生的高溫會對MEMS器件性能造成不利影響：1)高溫對圓片上的溫度敏感電路和微結(jié)構(gòu)造成熱損壞(如超過400℃的高溫就會對CMOS鋁電路造成破壞)；2)高溫易引入雜質(zhì)，造成襯底摻雜的重新分布；3)對于熱膨脹系數(shù)(CTE)差較大的材料間鍵合，高溫導(dǎo)致很大的變形和殘余熱應(yīng)力，直接影響到器件性能和封裝成品率。另一方面，雖然粘膠鍵合、低溫焊料鍵合和表面活化低溫鍵合等工藝溫度低，但低溫焊料鍵合和粘膠鍵合的鍵合強度較低，器件使用溫度有限，且粘膠鍵合是非氣密性的，應(yīng)用受到很大限制；表面活化低溫鍵合工藝時間長(一般為幾小時到幾十小時)，效率較低，且由于涉及表面處理，難以滿足含圖形和電路的圓片鍵合要求。

近年來提出了局部加熱鍵合的思想，即鍵合過程中使熱量僅集中在鍵合區(qū)微小局部3，圓片襯底1、圓片封帽3上其他區(qū)域和MEMS器件4仍然保持低溫，從而避免了高溫不利影響，如圖2。電阻加熱、激光、微波、感應(yīng)加熱等都可用于MEMS的局部加熱封裝。但是，電阻法要求在鍵合區(qū)額外布置微加熱線，增加了工藝難度和復(fù)雜性；激光法僅適合含吸光材料的鍵合，且鍵合時需要精確對準，操作復(fù)雜，難以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)；微波法設(shè)備昂貴，為了防止等離子體的產(chǎn)生，鍵合過程中微波腔內(nèi)必須保持真空；如圖3所示，感應(yīng)加熱法是采用射頻源5，通過一個感應(yīng)器7，產(chǎn)生一個變化的電磁場6，處于變化電磁場中的金屬焊料閉合環(huán)9上產(chǎn)生渦電流，渦電流引起的熱量迅速熔化焊料，實現(xiàn)硅片襯底8和玻璃片封帽10的鍵合。但感應(yīng)加熱法僅適合圓形或環(huán)形鍵合層，鍵合過程中對感應(yīng)器結(jié)構(gòu)、阻抗匹配等要求較高，且存在電磁干擾。

MEMS和光電技術(shù)(如半導(dǎo)體照明、太陽能等)的發(fā)展，對系統(tǒng)封裝(SIP)和三維集成提出了新的要求。迫切需要發(fā)展一種低溫圓片鍵合技術(shù)，滿足熱失配較大的同質(zhì)或異質(zhì)材料間的鍵合要求，且要求鍵合速度快，鍵合應(yīng)力和變形小，對器件熱影響小。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種低溫圓片鍵合技術(shù)，滿足熱膨脹系數(shù)差較大的同質(zhì)或異質(zhì)材料間的鍵合要求，提高電子器件的封裝效率，降低鍵合過程中產(chǎn)生的熱變形、殘余熱應(yīng)力對器件性能的影響。

本發(fā)明公布的一種低溫圓片鍵合方法，分別在兩圓片的鍵合區(qū)制作焊料層，在其中一圓片的焊料層表面制作活性反應(yīng)層，將兩圓片的鍵合區(qū)對準，向鍵合區(qū)施加擠壓力，同時向活性反應(yīng)層提供一個能量激勵，使其發(fā)生固相反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，從而熔化焊料層實現(xiàn)兩圓片的鍵合。

作為本發(fā)明的改進，所述活性反應(yīng)層由兩種或者兩種以上具有混合負熱值的材料構(gòu)成，例如Al和Ni，或Al和Ti，或Ni與Si，或Nb與Si。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述活性反應(yīng)層為由上述各種材料的納米薄膜交替疊加或由各材料的納米顆粒混合組成的層狀結(jié)構(gòu)，厚度為30～100um。

作為本發(fā)明的另一改進，所述能量激勵為電火花或激光或聚焦光束或感應(yīng)渦電流。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：活性反應(yīng)層和焊料層厚度較小(一般為微米量級)，熱容量小，且反應(yīng)速度快(反應(yīng)時間在毫秒量級)，因此熱量僅局限于鍵合區(qū)內(nèi)，非鍵合區(qū)仍處于低溫，熱影響小，避免了對溫度敏感電路和微結(jié)構(gòu)的破壞，且效率高。通過調(diào)整活性反應(yīng)層和焊料層的厚度或材料組成，可實現(xiàn)對鍵合溫度和鍵合材料的有效控制，滿足同質(zhì)或異質(zhì)材料間的低溫鍵合要求。

附圖說明

圖1為含MEMS器件陣列的圓片鍵合工藝流程；

圖2為局部加熱圓片鍵合示意圖；

圖3為感應(yīng)局部加熱鍵合示意圖；

圖4為本發(fā)明鍵合圓片制作工藝流程圖，圖4(a)為步驟流程圖，圖4(b)為與圖4(a)所示步驟對應(yīng)的效果示意圖；