玻璃浆料低温气密封装MEMS器件研究

　　1　引言

　　MEMS器件通常包含一些可动部分,这些可动部件很脆弱,极易受到划片和装配过程中的灰尘、气流、水汽、机械等因素的影响,从而造成器件毁坏或整体性能下降。此外,密封腔内气体的可控性(包括真空)也是影响器件运行的一个很重要的因素[1],例如依靠谐振原理工作的MEMS器件(包括高精度加速度计、陀螺和RF谐振器等)需要气密性封装以维持稳定的谐振频率和气体阻尼系数[2]。气密性封装还可以降低水气含量,防止MEMS器件的粘性失效。因此,高可靠的气密性以及腔体气体的可控性是保证器件运行稳定和低漂移的关键所在。目前,静电键合是国内外普遍使用的一种气密封装工艺,它具有键合强度高、重复性好、气密性高等优点,但是该方法对键合面的清洁度和平整度要求很高,如键合前芯片的光学加工,要求光洁度达V14级以上,表面不平整度应<50nm[3]。因此,生产效率较低,容易产生开裂、自动脱落等[4],总体成本较高。相比之下,玻璃浆料低温键合对于芯片及基板表面无特殊要求,具有工艺简单、性能优良、键合强度高、密封效果好等优点,并且可实现圆片级的封装,大大降低了封装成本。因此,在满足稳定性和可靠性的条件下,采用低温玻璃键合具有可观的经济效益。目前国内对玻璃浆料的制备及单个元件的气密封装有一定研究[5-7],但关于圆片级封装及具体工艺过程未见报道。本工作系统地研究了玻璃浆料在低温下气密封装MEMS器件的过程,并就气密封装过程中参数的优化及封装后的气密性等进行了研究。

　　2　密封结构的制备

　　2·1玻璃浆料的选择

　　选择玻璃浆料时应满足以下几点要求: (1)热膨胀系数与基板材料匹配; (2)封接温度应低于基板材料的耐热极限温度; (3)浆料与基板及芯片有良好的浸润性。实验中采用硅或者玻璃为基板材料。考虑到Al布线,选择的玻璃焊料的封接温度应低于550℃(Al-Si共熔点577℃)。

　　选用Ferro公司提供的玻璃浆料,这是一种非晶态厚膜玻璃,封接温度约为450℃,热膨胀系数90×10-7/℃(与Si 26×10-7/℃以及Pyrex7740玻璃33×10-7/℃接近),并且该玻璃浆料与Si及玻璃基板均有良好的浸润性。利用扫描电镜上的X-射线能谱仪对玻璃浆料进行得出各组分的百分比MgO:6·59w%t ;Al2O3: 29·76w%t ; SiO2: 43·67w%t ; PbO2:19·09w%t ;ZnO: 0·88w%t。

　　2·2密封结构的实现

　　玻璃浆料通过丝网印刷在硅盖板上形成5·5mm×5·5mm的闭合方形环,环宽0·5mm,印刷厚度50μm。然后将此硅盖板放入回流炉中进行预烧结,使玻璃浆料中的有机溶剂完全挥发,并且在硅盖板上固化成型。预烧结完成后的硅盖板与传感器芯片对准放置,使器件位于玻璃浆料形成的闭合环中,放入键合机中进行烧结,形成密封腔。密封腔单元结构如图1所示。