一种低温圆片键合方法技术

本发明专利技术提供了一种低温圆片键合方法，分别在两圆片的键合区制作焊料层，在其中一圆片的焊料层表面制作活性反应层，将两圆片的键合区对准，向键合区施加挤压力，同时向活性反应层提供一个能量激励，使其发生固相反应产生大量热量，从而熔化焊料层实现两圆片的键合。本发明专利技术满足热膨胀系数差较大的同质或异质材料间的键合要求，提高了电子器件的封装效率，同时降低键合过程中产生的热变形、残余热应力对器件性能的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于电子封装的圆片键合方法，尤其涉及一种用于硅与非硅基MEMS器件、IC器件、光电器件集成的圆片键合技术。 现有技术 圆片键合是指微机电系统MEMS(Micro-electro-mechanical system)结构2和电路的制作、键合过程都在圆片1上进行，键合完成后再进行切割，形成单个的芯片，如图1所示。圆片键合既可用于MEMS器件的封装，也可用于MEMS和其他器件制作。如大功率发光二极管(LED)的制备，为降低芯片的封装应力和热阻，提高出光效率，需要采用圆片键合实现衬底转移。圆片键合技术大大地提高了MEMS器件封装效率、封装成品率和可靠性，因而是一种降低封装成本的有效手段。目前已研发出了多种圆片键合技术，如阳极键合、硅圆片直接键合、共晶键合、热压键合、玻璃焊料键合等，但上述圆片键合技术都涉及整体加热的高温过程，工艺时间长，封装过程产生的高温会对MEMS器件性能造成不利影响1)高温对圆片上的温度敏感电路和微结构造成热损坏(如超过400℃的高温就会对CMOS铝电路造成破坏)；2)高温易引入杂质，造成衬底掺杂的重新分布；3)对于热膨胀系数(CTE)差较大的材料间键合，高温导致很大的变形和残余热应力，直接影响到器件性能和封装成品率。另一方面，虽然粘胶键合、低温焊料键合和表面活化低温键合等工艺温度低，但低温焊料键合和粘胶键合的键合强度较低，器件使用温度有限，且粘胶键合是非气密性的，应用受到很大限制；表面活化低温键合工艺时间长(一般为几小时到几十小时)，效率较低，且由于涉及表面处理，难以满足含图形和电路的圆片键合要求。 近年来提出了局部加热键合的思想，即键合过程中使热量仅集中在键合区微小局部3，圆片衬底1、圆片封帽3上其他区域和MEMS器件4仍然保持低温，从而避免了高温不利影响，如图2。电阻加热、激光、微波、感应加热等都可用于MEMS的局部加热封装。但是，电阻法要求在键合区额外布置微加热线，增加了工艺难度和复杂性；激光法仅适合含吸光材料的键合，且键合时需要精确对准，操作复杂，难以实现大批量生产；微波法设备昂贵，为了防止等离子体的产生，键合过程中微波腔内必须保持真空；如图3所示，感应加热法是采用射频源5，通过一个感应器7，产生一个变化的电磁场6，处于变化电磁场中的金属焊料闭合环9上产生涡电流，涡电流引起的热量迅速熔化焊料，实现硅片衬底8和玻璃片封帽10的键合。但感应加热法仅适合圆形或环形键合层，键合过程中对感应器结构、阻抗匹配等要求较高，且存在电磁干扰。 MEMS和光电技术(如半导体照明、太阳能等)的发展，对系统封装(SIP)和三维集成提出了新的要求。迫切需要发展一种低温圆片键合技术，满足热失配较大的同质或异质材料间的键合要求，且要求键合速度快，键合应力和变形小，对器件热影响小。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种低温圆片键合技术，满足热膨胀系数差较大的同质或异质材料间的键合要求，提高电子器件的封装效率，降低键合过程中产生的热变形、残余热应力对器件性能的影响。 本专利技术公布的，分别在两圆片的键合区制作焊料层，在其中一圆片的焊料层表面制作活性反应层，将两圆片的键合区对准，向键合区施加挤压力，同时向活性反应层提供一个能量激励，使其发生固相反应产生大量热量，从而熔化焊料层实现两圆片的键合。 作为本专利技术的改进，所述活性反应层由两种或者两种以上具有混合负热值的材料构成，例如Al和Ni，或Al和Ti，或Ni与Si，或Nb与Si。 作为本专利技术的进一步改进，所述活性反应层为由上述各种材料的纳米薄膜交替叠加或由各材料的纳米颗粒混合组成的层状结构，厚度为30～100um。 作为本专利技术的另一改进，所述能量激励为电火花或激光或聚焦光束或感应涡电流。 与现有技术相比，本专利技术具有如下优点活性反应层和焊料层厚度较小(一般为微米量级)，热容量小，且反应速度快(反应时间在毫秒量级)，因此热量仅局限于键合区内，非键合区仍处于低温，热影响小，避免了对温度敏感电路和微结构的破坏，且效率高。通过调整活性反应层和焊料层的厚度或材料组成，可实现对键合温度和键合材料的有效控制，满足同质或异质材料间的低温键合要求。 附图说明 图1为含MEMS器件阵列的圆片键合工艺流程； 图2为局部加热圆片键合示意图； 图3为感应局部加热键合示意图； 图4为本专利技术键合圆片制作工艺流程图，图4(a)为步骤流程图，图4(b)为与图4(a)所示步骤对应的效果示意图； 图5为本专利技术实施例一圆片键合示意图； 图6为微透镜阵列进行圆片级键合点火示意图，图6(a)为自蔓延反应点火示意图，图6(b)为微透镜阵列图； 图7为本专利技术实施例二圆片键合示意图。 具体实施例方式 下面结合实施例和附图具体说明本专利技术。 实施例一 1.键合圆片制作采用标准RCA工艺清洗硅片11和PYREX玻璃片17，通过溅射工艺分别在硅片11和PYREX玻璃圆片17上沉积AuCr种子层12，然后电镀200um铅锡焊料层13，如图4-b； 2.活性反应层制作将高纯纳米Al粉和Ni粉均匀混合，在有机溶剂中充分搅拌，形成膏状体。采用丝网印刷工艺，将配置好的纳米金属膏沉积在硅片焊料层上，厚度为40um，其工艺流程如图4(a)所示，然后通过低温退火工艺去除纳米金属膏中的有机溶剂并固化，即可得到活性反应层14； 3.圆片键合对准将硅片11放置在键合机的夹具15上，硅片待键合面向上，将PYREX玻璃片17待键合面朝下，并与硅片上的键合图形阵列对准，通过上夹具18固定，键合压力16为10N，如图5所示。 4.点火装置对准，利用透镜21对光的聚焦作用，将平行光22变成汇聚光20，一个微透镜对应一个活性反应层14，调整微透镜阵列19，使透镜焦点在活性反应层上，如图6所示。 5.点火键合保持键合腔真空为0.1-1Pa，开启光源，触发圆片上活性反应层阵列发生反应，在键合区产生高温，熔化铅锡焊料13，实现圆片上的整体低温键合； 6.降温到室温后，关闭键合机，取出键合片，键合操作完成。 实施例二 1.键合圆片制作采用标准RCA工艺清洗硅片11，键合帽层的制作是先在硅片上真空蒸镀约20nmCr和50nmAu，然后采用电镀工艺将Au膜增厚到1-2um，硅片衬底则在蒸镀铬层23和金层24后，再沉积一层3-5um的锡层25和1-2um的金层； 2.活性反应层制作在硅片衬底上交替真空蒸镀两种金属薄膜(如Al膜和Ni膜)作为活性反应层26，每种金属薄膜的单层厚度为20-50nm，薄膜的总厚度为100um； 3.键合圆片对准，将硅片衬底29放置于键合机的夹具15上，待键合面向上，放置键合硅帽30并与硅片衬底对准，通过夹具18固定，施加约10N的键合压力，如图7所示； 4.点火键合开启点火电源28，在电极27产生电火花，触发圆片上活性反应层发生反应，在键合区产生高温，熔化锡层，在金锡界面快速形成金锡共晶相，实现圆片上的整体低温键合； 5.降温到室温后，关闭键合机，取出键合片，键合操作完成。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温圆片键合方法，分别在两圆片的键合区制作焊料层，其特征在于，还在其中一圆片的焊料层表面制作活性反应层，将两圆片的键合区对准，向键合区施加挤压力，同时向活性反应层提供一个能量激励，使其发生固相反应产生大量热量，从而熔化焊料层实现两圆片的键合。

【技术特征摘要】
1、一种低温圆片键合方法，分别在两圆片的键合区制作焊料层，其特征在于，还在其中一圆片的焊料层表面制作活性反应层，将两圆片的键合区对准，向键合区施加挤压力，同时向活性反应层提供一个能量激励，使其发生固相反应产生大量热量，从而熔化焊料层实现两圆片的键合。2、如权利要求1所述的一种低温圆片键合方法，其特征在于，所述活性反应层由两种或者两种以上具有混合负热值的材料构成。3、如权利要求2所述的一种低温圆片键合方法，其特征在于，构成所述活性反应层的材料为Al和Ni，或Al和Ti，或Ni与S...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明祥，刘文明，刘胜，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]