CN102502481B - 基于局域加热技术的圆片级低温键合***及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于局域加热技术的圆片级低温键合***及装置，该***包括真空腔室、支架平台、键合装置、电流源和真空泵组，其中：真空腔室，用于提供键合所需的真空或惰性气氛；键合装置，位于真空腔室内部的支架平台上，用于对待键合圆片提供键合压力，并向外部电流源和待键合圆片提供电气连接通路；电流源，通过真空腔室侧壁上的电学穿通件与键合装置相连，为待键合圆片键合区域的电阻丝提供电流，实现局域电阻加热；真空泵组，连接于真空腔室底部，用于对真空腔室抽真空。本发明提供的键合***及装置，结构紧凑，制作和组装简单，在高真空或可控惰性气体中完成键合，可避免键合过程中氧化物的形成及其对键合质量产生的不良影响。
Description
技术领域
本发明涉及微机电***封装技术领域，具体涉及一种基于局域加热技术的圆片级低温键合***及装置。
背景技术
键合技术是微机电***封装不可或缺的一项基本工艺，其所应用的领域主要有以下三个方面：晶片之间的键合；将微器件固定到承载基片上；以及微器件上的输入输出引线以及导电电线的连接。
近几年，圆片级键合以其键合成本方面的绝对优势越来越引起关注。用于MEMS器件的圆片级键合技术主要有硅熔融键合、阳极键合、热压键合、黏合剂键合和共晶键合。其中，硅熔融键合，其工艺要求键合温度在1000℃以上，且对键合表面平整度的要求极为严格，需小于5nm。阳极键合，只需较低的键合温度(300-450℃)，但需要辅助的高静电场(400-1200V)，其对键合表面平整度的要求很高，需小于30nm。热压键合，其键合温度在200-400℃，但所需键合压力极高，约为100Mpa。黏合剂键合，由于聚合物一般具有高渗透性，其不能用于MEMS器件的气密性封装。共晶键合，不同的合金焊料有不同的键合温度，在键合过程中，焊料处于熔融状态，因此对键合表面的平整度要求不高，但是焊料表面易被氧化形成一层氧化物薄膜，这将严重影响键合质量[1-2]。
键合温度过高，会对器件微结构造成损坏，对于热膨胀系数差别较大的材料间键合，高温将产生很大的残余热应力和变形翘曲，这都将直接影响到器件的性能和成品率。
近年来，随着生化传感器和射频MEMS器件的快速发展，对低温键合封装的需求日益增加，迫切需要开发具有高质量的圆片级低温键合封装方法[2-3]。现有的低温封装方法还是对整个圆片进行加热，加热温度在300℃左右，对于生化传感器依然是不能接受的。
局域加热键合是一种低温键合方法，在键合过程中，只对键合区域进行局域加热而保持器件区域在较低温度，这大大降低了温度对器件性能的影响，提高了器件的可靠性。局域加热主要有电阻加热、感应加热和激光辅助加热等方法。感应加热需要一个感应线圈以产生磁场，需要铁磁材料制作的微加热器以产生涡流对键合区加热，工艺复杂；激光辅助加热的设备昂贵，工艺复杂，同时需要选择合适的材料以高效的吸收激光能量[4]。电阻加热时，电阻可以在盖板或芯片的衬底上通过刻蚀图形化而得到，工艺较简单。
现有的圆片级键合装置，如EVG510、SB6和SB6e，不能通过简单的功能升级实现对晶片的局域加热。在这样的应用需求背景下，本发明提出了基于局域电阻加热的圆片级低温键合装置。
参考文献：
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4、Mitchell J.S.(2008).″Low temperature wafer level vacuum packagingusing Au-Si eutectic bonding and localized heating″PhD thesis University ofMichigan，Ann Arbor，MI
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有低温键合方法在实际应用中的限制，本发明的主要目的在于提供一种基于局域加热技术的MEMS器件的圆片级低温键合***及键合装置，以解决MEMS器件键合温度过高产生的可靠性等问题，达到实现低温高可靠性键合的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于局域加热技术的圆片级低温键合***，该***包括真空腔室1、支架平台5、键合装置6、电流源7和真空泵组8，其中：真空腔室1，用于提供键合所需的真空或惰性气氛；键合装置6，位于真空腔室1内部的支架平台5上，用于对待键合圆片提供键合压力，并向外部电流源7和待键合圆片提供电气连接通路；电流源7，通过真空腔室1侧壁上的电学穿通件3与键合装置6相连，为待键合圆片键合区域的电阻丝提供电流，实现局域电阻加热；真空泵组8，连接于真空腔室1底部，用于对真空腔室1抽真空。
上述方案中，所述键合装置6包括螺钉9、螺母10、压力平板11、支撑弹簧12、上压盘13、支撑盘14、压力传感器15、平衡支撑盘16、底座平台17、稳固螺钉18和支撑盘引脚19，其中：螺钉9，与底座平台17连为一体，位于底座17中心处，用于施加键合压力；螺母10，与螺钉9螺接，通过螺钉9与压力平板11接触；压力平板11，与上压盘13通过支撑弹簧12连接，构成下压构件，该下压构件安装于支撑盘14和平衡支撑盘16上方；支撑盘14，安装于压力传感器15之上，用于承载待键合的圆片，并通过支撑盘引脚19为键合区域的电阻丝提供电气连接通路以实现局域电阻加热；压力传感器15，通过稳固螺钉18安装于底座平台17的一侧，用于测量键合压力；平衡支撑盘16，通过稳固螺钉18安装于底座平台17的另一侧，用于保证下压构件在底座两侧的平衡，实现对键合基片的均匀施压。
为达到上述目的，本发明还提供了一种基于局域加热技术的圆片级低温键合装置，所述键合装置6包括螺钉9、螺母10、压力平板11、支撑弹簧12、上压盘13、支撑盘14、压力传感器15、平衡支撑盘16、底座平台17、稳固螺钉18和支撑盘引脚19，其中：螺钉9，与底座平台17连为一体，位于底座17中心处，用于施加键合压力；螺母10，与螺钉9螺接，通过螺钉9与压力平板11接触；压力平板11，与上压盘13通过支撑弹簧12连接，构成下压构件，该下压构件安装于支撑盘14和平衡支撑盘16上方；支撑盘14，安装于压力传感器15之上，用于承载待键合的圆片，并通过支撑盘引脚19为键合区域的电阻丝提供电气连接通路以实现局域电阻加热；压力传感器15，通过稳固螺钉18安装于底座平台17的一侧，用于测量键合压力；平衡支撑盘16，通过稳固螺钉18安装于底座平台17的另一侧，用于保证下压构件在底座两侧的平衡，实现对键合基片的均匀施压。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于局域加热技术的MEMS器件的圆片级低温键合***及装置，加热只局域在键合区，而器件区域保持在较低温度，这大大降低了温度对器件性能的影响，提高了器件的可靠性。
2、本发明提供的基于局域加热技术的MEMS器件的圆片级低温键合***及装置，装置设计简单合理，操作方便灵活、可靠，不仅能用于圆片级封装，降低器件封装和制作成本，非常适合于对温度敏感的MEMS器件的封装，如近几年快速发展的生化传感器和射频器件。
3、本发明提供的基于局域加热技术的MEMS器件的圆片级低温键合***及装置，适用于小芯片的快速封装，降低研发周期。
4、采用本发明的键合***及装置，弥补了现有圆片级键合装置在应用局域加热方法时面临的不足，可以方便快捷地实现圆片之间的低温高可靠性键合，提高生产效率。
5、本发明提供的基于局域加热技术的MEMS器件的圆片级低温键合***及装置，不仅可以用于MEMS器件的圆片级低温键合，也同样适用于芯片级的低温键合。
附图说明
图1是键合***示意图。
图2是键合装置的结构示意图。
图3是键合装置的下压构件。
图4是键合装置底座的结构示意图。
图5是键合装置的俯视图。
图6是键合装置支撑盘的结构示意图。
其中：1为真空腔室，2为观察窗，3为电学穿通件，4为气路连接口，5为支架平台，6为键合装置，7为电流源，8为真空泵组，9为用于施加压力的螺钉，10为螺母，11为压力平板，12为支撑弹簧，13为上压盘，14为支撑盘，15为压力传感器，16为平衡支撑盘，17为底座平台，18为稳固螺钉，19为支撑盘引脚。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是采用本发明的键合***的结构示意图，该***包括真空腔室1、支架平台5、键合装置6、电流源7和真空泵组8。其中，真空腔室1，用于提供键合所需的真空或惰性气氛；键合装置6位于真空腔室1内部的支架平台5上，用于对待键合圆片提供键合压力，并向外部电流源7和待键合圆片提供电气连接通路；电流源7通过真空腔室1侧壁上的电学穿通件3与键合装置6相连，为待键合圆片键合区域的电阻丝提供电流，实现局域电阻加热；真空泵组8连接于真空腔室1底部，用于对真空腔室1抽真空。
真空腔室1具有为局域加热提供电流源的电学穿通件3、引入惰性气体的气路连接口4和用于观测键合过程的观察窗2；其中，观察窗2设置于真空腔室1的顶部中央位置；电学穿通件3设置于真空腔室1的一个侧壁，从电流源7引出的导线通过电学穿通件3连接于真空腔室1内的键合装置6；气路连接口4设置于真空腔室1的另一个侧壁，用于将惰性气体引入真空腔室1。
支架平台5位于真空腔室内部1，其为键合装置6提供支撑，方便键合装置6与外部电流源7的连接。该***使用的局域加热技术为电阻加热。
图2是采用本发明的键合装置的结构示意图，该装置包括螺钉9、螺母10、压力平板11、支撑弹簧12、上压盘13、支撑盘14、压力传感器15、平衡支撑盘16、底座平台17、稳固螺钉18和支撑盘引脚19。其中，螺钉9，与底座平台17连为一体，位于底座17中心处，用于施加键合压力；螺母10，与螺钉9螺接，通过螺钉9与压力平板11接触；压力平板11，与上压盘13通过支撑弹簧12连接，构成下压构件，该下压构件安装于支撑盘14和平衡支撑盘16上方；支撑盘14，安装于压力传感器15之上，用于承载待键合的圆片，并通过支撑盘引脚19为键合区域的电阻丝提供电气连接通路以实现局域电阻加热；压力传感器15，通过稳固螺钉18安装于底座平台17的一侧，用于测量键合压力；平衡支撑盘16，通过稳固螺钉18安装于底座平台17的另一侧，用于保证下压构件在底座两侧的平衡，实现对键合基片的均匀施压。
在拧紧所述螺钉9上的所述螺母10时，压力通过压力平板11和支撑弹簧12施加于待键合的圆片。支撑弹簧12连接压力平板11和上压盘13，并传递键合压力给待键合圆片。支撑弹簧12由四个小弹簧组成，保证压力平板11与上压盘13均匀密切的连接，并传递键合压力给待键合圆片。
支撑盘14的***有三只引脚19，用于为键合区域的电阻丝提供电气连接通路以实现局域电阻加热。平衡支撑盘16的高度与安装于压力传感器15上的支撑盘14齐平，所述下压构件与平衡支撑盘16之间以卡槽方式相连接。
下面以金-硅共晶键合为例阐述本发明的应用，具体操作流程如下：
步骤1：通过稳固螺钉18，将压力传感器15安装在底座(图4)的一侧，将平衡支撑盘16安装在底座(图4)的另一侧；
步骤2：在压力传感器15上方安放支撑盘14，把已对准的硅盖板和芯片硅衬底放置于支撑盘14之上，其中用于局域加热的电阻丝是通过在盖板上沉积金并刻蚀图形化得到，其尺寸为2-20μ宽，0.1-1μm厚；
步骤3：将下压构件(图3)搬移到底座(图4)之上，确保底座(图4)、支撑盘14与下压构件(图3)结合稳固，对压力传感器15进行调零校准；
步骤4：将键合装置(图2)搬移入真空腔室1内，向下拧紧螺钉9上的螺母10，通过压力平板11和支撑弹簧12向待键合的圆片施加键合压力，以使待键合圆片间形成紧密接触。观察压力传感器15的显示器示数，待显示器示数达到所需键合压力(10-100Kg)时停止拧转螺母10；
步骤5：通过真空腔室1的电学穿通件3把与圆片上的电接触盘相连支撑盘引脚19与外部电流源7相连接；
步骤6：使用真空泵组8对真空腔室1抽真空到1×10-4至1×10-2Pa；
步骤7：打开电流源7开关对圆片间的电阻丝通电，通电电流为0.1-1A，通过真空腔室1的观察窗2可观测整个键合过程；
步骤8：通电持续时间约2-10分钟后，断开电流源7开关，盖板和衬底之间将形成高可靠性的金硅共晶键合。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种基于局域加热技术的圆片级低温键合***，其特征在于，该***包括真空腔室(1)、支架平台(5)、键合装置(6)、电流源(7)和真空泵组(8)，其中：
真空腔室(1)，用于提供键合所需的真空或惰性气氛；
键合装置(6)，位于真空腔室(1)内部的支架平台(5)上，用于对待键合圆片提供键合压力，并向外部电流源(7)和待键合圆片提供电气连接通路；
电流源(7)，通过真空腔室(1)侧壁上的电学穿通件(3)与键合装置(6)相连，为待键合圆片键合区域的电阻丝提供电流，实现局域电阻加热；
真空泵组(8)，连接于真空腔室(1)底部，用于对真空腔室(1)抽真空；
其中，所述键合装置(6)包括螺钉(9)、螺母(10)、压力平板(11)、支撑弹簧(12)、上压盘(13)、支撑盘(14)、压力传感器(15)、平衡支撑盘(16)、底座平台(17)、稳固螺钉(18)和支撑盘引脚(19)，其中：
螺钉(9)，与底座平台(17)连为一体，位于底座(17)中心处，用于施加键合压力；
螺母(10)，与螺钉(9)螺接，通过螺钉(9)与压力平板(11)接触；
压力平板(11)，与上压盘(13)通过支撑弹簧(12)连接，构成下压构件，该下压构件安装于支撑盘(14)和平衡支撑盘(16)上方；
支撑盘(14)，安装于压力传感器(15)之上，用于承载待键合的圆片，并通过支撑盘引脚(19)为键合区域的电阻丝提供电气连接通路以实现局域电阻加热；
压力传感器(15)，通过稳固螺钉(18)安装于底座平台(17)的一侧，用于测量键合压力；
平衡支撑盘(16)，通过稳固螺钉(18)安装于底座平台(17)的另一侧，用于保证下压构件在底座两侧的平衡，以实现对键合基片的均匀施压。
2.根据权利要求1所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合***，其特征在于，在拧紧所述螺钉(9)上的所述螺母(10)时，压力通过压力平板(11)和支撑弹簧(12)施加于待键合的圆片。
3.根据权利要求1所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合***，其特征在于，所述支撑弹簧(12)连接压力平板(11)和上压盘(13)，并传递键合压力给待键合圆片。
4.根据权利要求3所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合***，其特征在于，所述支撑弹簧(12)由四个小弹簧组成，保证压力平板(11)与上压盘(13)均匀密切的连接，并传递键合压力给待键合圆片。
5.根据权利要求1所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合***，其特征在于，所述支撑盘(14)的***有三只引脚(19)，用于为键合区域的电阻丝提供电气连接通路以实现局域电阻加热。
6.根据权利要求1所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合***，其特征在于，所述平衡支撑盘(16)的高度与安装于压力传感器(15)上的支撑盘(14)齐平，所述下压构件与平衡支撑盘(16)之间以卡槽方式相连接。
7.根据权利要求1所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合***，其特征在于，所述真空腔室(1)具有为局域加热提供电流源的电学穿通件(3)、引入惰性气体的气路连接口(4)和用于观测键合过程的观察窗(2)；其中，观察窗(2)设置于真空腔室(1)的顶部中央位置；电学穿通件(3)设置于真空腔室(1)的一个侧壁，从电流源(7)引出的导线通过电学穿通件(3)连接于真空腔室(1)内的键合装置(6)；气路连接口(4)设置于真空腔室(1)的另一个侧壁，用于将惰性气体引入真空腔室(1)。
8.根据权利要求1所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合***，其特征在于，所述支架平台(5)位于真空腔室内部(1)，其为键合装置(6)提供支撑，方便键合装置(6)与外部电流源(7)的连接。
9.根据权利要求1所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合***，其特征在于，该***使用的局域加热技术为电阻加热。
10.一种基于局域加热技术的圆片级低温键合装置，应用于权利要求1至9中任一项所述的***，其特征在于，所述键合装置(6)包括螺钉(9)、螺母(10)、压力平板(11)、支撑弹簧(12)、上压盘(13)、支撑盘(14)、压力传感器(15)、平衡支撑盘(16)、底座平台(17)、稳固螺钉(18)和支撑盘引脚(19)，其中：
螺钉(9)，与底座平台(17)连为一体，位于底座(17)中心处，用于施加键合压力；
螺母(10)，与螺钉(9)螺接，通过螺钉(9)与压力平板(11)接触；
压力平板(11)，与上压盘(13)通过支撑弹簧(12)连接，构成下压构件，该下压构件安装于支撑盘(14)和平衡支撑盘(16)上方；
支撑盘(14)，安装于压力传感器(15)之上，用于承载待键合的圆片，并通过支撑盘引脚(19)为键合区域的电阻丝提供电气连接通路以实现局域电阻加热；
压力传感器(15)，通过稳固螺钉(18)安装于底座平台(17)的一侧，用于测量键合压力；
平衡支撑盘(16)，通过稳固螺钉(18)安装于底座平台(17)的另一侧，用于保证下压构件在底座两侧的平衡，实现对键合基片的均匀施压。
11.根据权利要求10所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合装置，其特征在于，在拧紧所述螺钉(9)上的所述螺母(10)时，压力通过压力平板(11)和支撑弹簧(12)施加于待键合的圆片。
12.根据权利要求10所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合装置，其特征在于，所述支撑弹簧(12)连接压力平板(11)和上压盘(13)，并传递键合压力给待键合圆片。
13.根据权利要求12所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合装置，其特征在于，所述支撑弹簧(12)由四个小弹簧组成，保证压力平板(11)与上压盘(13)均匀密切的连接，并传递键合压力给待键合圆片。
14.根据权利要求10所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合装置，其特征在于，所述支撑盘(14)的***有三只引脚(19)，用于为键合区域的电阻丝提供电气连接通路以实现局域电阻加热。
15.根据权利要求10所述的基于局域加热技术的圆片级低温键合装置，其特征在于，所述平衡支撑盘(16)的高度与安装于压力传感器(15)上的支撑盘(14)齐平，所述下压构件与平衡支撑盘(16)之间以卡槽方式相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |