專利名稱：一種感應(yīng)加熱封裝鍵合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型所屬領(lǐng)域?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和集成電路(IC)封裝技術(shù)，具體涉及一種基于電磁感應(yīng)加熱的封裝鍵合裝置。
現(xiàn)有技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是微電子學(xué)與微機(jī)械學(xué)相互融合的產(chǎn)物。經(jīng)過十多年的發(fā)展，MEMS芯片已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是很多芯片卻沒有作為最終產(chǎn)品得到實(shí)際應(yīng)用，其主要原因在于沒有解決封裝問題。事實(shí)上只有已封裝的MEMS芯片才能成為產(chǎn)品，才能投入使用，否則只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段。目前的MEMS封裝技術(shù)大都是由集成電路封裝技術(shù)發(fā)展和演變而來的，但MEMS封裝完全不同于傳統(tǒng)IC封裝。傳統(tǒng)IC封裝的目的是提供IC芯片的物理支撐，保護(hù)其不受環(huán)境的干擾與破壞，同時實(shí)現(xiàn)與外界的信號、能源與接地的電氣互連。MEMS器件或系統(tǒng)則既要感知外部世界，同時又要依據(jù)感知結(jié)果作出對外部世界的動作反應(yīng)，由于這種與外部環(huán)境的交互作用以及自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得對MEMS的封裝除了高密度封裝所面臨的多層互聯(lián)、散熱問題、可靠性問題、可測試性問題之外，還要考慮將MEMS芯片、封裝與工作環(huán)境作為一個交互作用的系統(tǒng)來設(shè)計MEMS的封裝。因此，MEMS封裝成本很高，一般占整個MEMS器件成本的70％或更高。
鍵合是MEMS及IC封裝工藝的一項(xiàng)重要技術(shù)。簡單而言，鍵合就是一個熱壓過程，在一定的溫度和壓力作用下的芯片表面貼合。常用的MEMS鍵合方法包括陽極鍵合，硅熔融鍵合，共晶鍵合、低溫焊料鍵合和粘膠鍵合等。加熱方法則包括電阻發(fā)熱、紅外加熱、超聲波、激光、微波加熱等。一般鍵合都采用整體加熱(即鍵合層與芯片一起加熱)。為了提高鍵合質(zhì)量和可靠性，通常整體加熱鍵合的時間較長，溫度較高，但由此造成鍵合的熱應(yīng)力大，高溫易對芯片上溫度敏感部分造成影響(如壓力傳感器、加速度計、光電器件等鍵合時，超過400℃的高溫就會對CMOS鋁電路造成破壞，影響成品質(zhì)量和封裝可靠性)，現(xiàn)在逐漸轉(zhuǎn)向采用局部加熱鍵合技術(shù)。文獻(xiàn)1([1]Liwei Lin，MEMS Post-Packaging by Localized Heating and Bonding，IEEE Transactions on Advanced Packaging，23(4)，608-616，2000)最早提出了MEMS的局部加熱鍵合方法?；陔娮杓訜?，選用摻P多晶硅或金作為加熱線，實(shí)現(xiàn)了金硅共晶鍵合、硅玻璃熔融鍵合等。由于在鍵合區(qū)額外布置了電阻加熱線，且鍵合時必須同時通電流，工藝控制困難，該法在MEMS封裝中受到很大限制。
電磁感應(yīng)加熱由于具有非接觸、加熱快，對材料和結(jié)構(gòu)具有選擇性加熱等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于MEMS的局部加熱鍵合。文獻(xiàn)2([2]Andrew Cao，et al，Selective induction heating for MEMS packaging and fabrication，Proceedings of 2001 ASME-MEMS，Vol.3，763-767)采用高頻電源，進(jìn)行了硅片上的感應(yīng)局部加熱試驗(yàn)，由于采用螺旋形線圈，無法實(shí)現(xiàn)圓片級的圖形均勻加熱。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種感應(yīng)加熱鍵合裝置，以實(shí)現(xiàn)MEMS封裝鍵合時鍵合層的均勻局部加熱。
本實(shí)用新型提供的一種感應(yīng)加熱封裝鍵合裝置包括高頻感應(yīng)電源、位于鍵合腔內(nèi)的感應(yīng)器、絕緣墊板和絕緣導(dǎo)桿。感應(yīng)器通過銅管與高頻感應(yīng)電源相連，并置于絕緣墊板上，絕緣導(dǎo)桿用于提供鍵合時的壓力，其特征在于感應(yīng)器為蝴蝶形線圈或帶導(dǎo)磁體的橫模感應(yīng)加熱線圈組。
由于鍵合過程中只有微金屬環(huán)局部感應(yīng)加熱處于高溫，芯片上其他部分(包括電路、連線、焊盤等，由于為非環(huán)狀結(jié)構(gòu)，無渦流產(chǎn)生或產(chǎn)生的渦流很小)，仍處于較低溫度，從而避免了整體高溫對芯片上溫度敏感結(jié)構(gòu)的破壞。此外，由于感應(yīng)加熱對材料具有選擇性，通過對鍵合層材料的選擇，也可實(shí)現(xiàn)MEMS的局部加熱鍵合。相對于其他局部加熱鍵合而言，該裝置具有非接觸、對材料和結(jié)構(gòu)尺寸具有選擇性、加熱均勻、鍵合速度快等特點(diǎn)，可用于多種材料(半導(dǎo)體、玻璃和陶瓷之間)和多種鍵合方式(共晶鍵合、焊料鍵合、擴(kuò)散鍵合等)的封裝鍵合。


圖1為蝴蝶形線圈感應(yīng)加熱裝置圖；圖2為橫模感應(yīng)局部加熱裝置圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型裝置包括高頻感應(yīng)電源8、位于鍵合腔4內(nèi)的感應(yīng)器、絕緣導(dǎo)桿7、絕緣墊板9。感應(yīng)器為蝴蝶形線圈5或帶導(dǎo)磁體10的橫模感應(yīng)加熱線圈組11，用于鍵合時的均勻加熱。感應(yīng)器置于絕緣墊板9上，并通過銅管6與高頻感應(yīng)電源8相連，感應(yīng)電源提供鍵合時的高頻電磁場，鍵合腔則形成電磁屏蔽并保障鍵合時的氣氛。絕緣導(dǎo)桿7提供鍵合時的壓力。
使用上述裝置進(jìn)行封裝的步驟如下(1)清洗待鍵合的帽層1和襯底2試片；(2)在帽層待鍵合面刻蝕空腔，在襯底待鍵合面制作微金屬環(huán)陣列3，作為感應(yīng)鍵合層，微金屬環(huán)材料為Au，Sn，In，Zn，Al或其合金。
(3)將帽層空腔和襯底上的微金屬環(huán)對準(zhǔn)，貼緊后置于鍵合室4內(nèi)的感應(yīng)器中，并通過絕緣導(dǎo)桿7壓緊，感應(yīng)器為蝴蝶形線圈5或帶導(dǎo)磁體10的橫模感應(yīng)加熱線圈組11；(4)高頻感應(yīng)電源8通過感應(yīng)器對微金屬環(huán)加熱，使感應(yīng)鍵合層發(fā)生鍵合反應(yīng)或焊料熔化，降溫后，鍵合完成。其中，高頻感應(yīng)電源的頻率f滿足f≥2.25ρ/[πμR02]ρ為金屬材料電阻率，μ為材料磁導(dǎo)率，R0為金屬環(huán)內(nèi)外半徑差。
權(quán)利要求1.一種感應(yīng)加熱封裝鍵合裝置，包括高頻感應(yīng)電源、位于鍵合腔內(nèi)的感應(yīng)器、絕緣導(dǎo)桿和絕緣墊板；感應(yīng)器通過銅管與高頻感應(yīng)電源相連，并置于絕緣墊板上，絕緣導(dǎo)桿用于提供鍵合時的壓力，其特征在于感應(yīng)器為蝴蝶形線圈或帶導(dǎo)磁體的橫模感應(yīng)加熱線圈組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述感應(yīng)加熱封裝鍵合裝置，所述的高頻感應(yīng)電源的頻率f滿足f≥2.25ρ/[πμR02]其中，ρ為金屬材料電阻率，μ為材料磁導(dǎo)率，R0為金屬環(huán)內(nèi)外半徑差。
專利摘要本實(shí)用新型屬于MEMS和IC封裝技術(shù)，為一種感應(yīng)局部加熱鍵合裝置。該裝置包括高頻感應(yīng)電源、位于鍵合腔內(nèi)的感應(yīng)器、絕緣導(dǎo)桿和絕緣墊板；感應(yīng)器通過銅管與高頻感應(yīng)電源相連，并置于絕緣墊板上，絕緣導(dǎo)桿用于提供鍵合時的壓力，感應(yīng)器為蝴蝶形線圈或帶導(dǎo)磁體的橫模感應(yīng)加熱線圈組。本裝置使用時只有鍵合層局部處于高溫，避免了整體加熱過程中高溫對芯片上溫度敏感結(jié)構(gòu)的破壞。由于感應(yīng)加熱對材料具有選擇性，通過對鍵合材料的選擇，可更好地滿足MEMS鍵合要求。相對于其他MEMS局部加熱鍵合而言，該裝置具有非接觸、對材料和結(jié)構(gòu)尺寸具有選擇性、加熱均勻、鍵合速度快等優(yōu)點(diǎn)，可用于多種材料和多種鍵合方式的封裝鍵合。
文檔編號H01L21/56GK2780733SQ200520095989
公開日2006年5月17日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月15日
發(fā)明者陳明祥, 易新建, 劉勝, 甘志銀 申請人:華中科技大學(xué)