微電子封裝技術(shù)論文范文(2)
微電子封裝技術(shù)論文范文
微電子封裝技術(shù)論文范文篇二
埋置型疊層微系統(tǒng)封裝技術(shù)
摘要：包含微機(jī)電系統(tǒng)(MEMs)混合元器件的埋置型疊層封裝，此封裝工藝為目前用于微電子封裝的撓曲基板上芯片(c0F)工藝的衍生物。cOF是一種高性能、多芯片封裝工藝技術(shù)，在此封裝中把芯片包入模塑塑料基板中，通過(guò)在元器件上形成的薄膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成互連。研究的激光融除工藝能夠使所選擇的cOF疊層區(qū)域有效融除，而對(duì)封裝的MBMs器件影響最小。對(duì)用于標(biāo)準(zhǔn)的c0F工藝的融除程序進(jìn)行分析和特征描述，以便設(shè)計(jì)一種新的對(duì)裸露的MEMs器件熱損壞的潛在性最小的程序。cOF/MEMs封裝技術(shù)非常適合于諸如微光學(xué)及無(wú)線射頻器件等很多微系統(tǒng)封裝的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：撓曲基板上芯片;微電子機(jī)械系統(tǒng)：微系統(tǒng)封裝
1、引言
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)從航空體系到家用電器提供了非常有潛在性的廣闊的應(yīng)用范圍，與功能等效的宏觀級(jí)系統(tǒng)相比，在微米級(jí)構(gòu)建電子機(jī)械系統(tǒng)的能力形成了在尺寸、重量和功耗方面極度地縮小。保持MEMS微型化的潛在性的關(guān)鍵之一就是高級(jí)封裝技術(shù)。如果微系統(tǒng)封裝不好或不能有效地與微電子集成化，那么MEMS的很多優(yōu)點(diǎn)就會(huì)喪失。采用功能上和物理上集成MEMS與微電子學(xué)的方法有效地封裝微系統(tǒng)是一種具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。由于MEMS和傳統(tǒng)的微電子工藝處理存在差異，在相同的工藝中裝配MEMS和微電子是復(fù)雜的。例如，大多數(shù)MEMS器件需要移除淀積層以便釋放或形成機(jī)械結(jié)構(gòu)，通常用于移除淀積材料的這些工藝對(duì)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)或別的微電子工藝來(lái)說(shuō)是具有破壞性的。很多MEMS工藝也采用高溫退火以便降低結(jié)構(gòu)層中的殘余材料應(yīng)力。典型狀況下退火溫度大約為1000℃，這在CMOS器件中導(dǎo)致不受歡迎的殘余物擴(kuò)散，并可熔化低溫導(dǎo)體諸如通常用于微電子處理中的鋁。
緩和這些MEMS微電子集成及封裝問(wèn)題的一種選擇方案就是使用封裝疊層理念。疊層或埋置芯片工藝已成功地應(yīng)用于微電子封裝。在基板中埋置芯片考慮當(dāng)高性能的內(nèi)芯片互連提供等同于單片集成的電連接時(shí)，保護(hù)微電子芯片免受MEMS環(huán)境影響。埋置型芯片封裝尤其適合于微系統(tǒng)封裝諸如元器件必須裸露于外部環(huán)境中的微光學(xué)器件或天線等。
已證明的幾種MEMS封裝方法，考慮到埋置型MEMS封裝，這些方法在實(shí)際封裝安裝或創(chuàng)造適合于MEMS環(huán)境的模塊裝配期間，采用微電機(jī)技術(shù)。本文中描述的埋置型疊層封裝方法不同于擴(kuò)展現(xiàn)存的多芯片及微電子封裝工藝。當(dāng)允許與微電子高性能集成時(shí)，創(chuàng)造適合于MEMS的模塊。MEMS埋置型疊層工藝是為微電子封裝研發(fā)的撓曲基板上芯片封裝的衍生物。使用COF初始的可行性已證明，那些結(jié)果突出了更進(jìn)一步研究使MEMS器件損壞最小化的工藝的需要。
2、COF/MEMS封裝工藝
在基本的COF工藝中，當(dāng)芯片被埋置于如圖1所示的塑料基板中時(shí)，通過(guò)布圖的疊層完成電互連。COF互連疊層在芯片粘附之前預(yù)裝配，疊層的底層通常為聚酰亞胺薄膜，疊層的頂層也可為聚酰亞胺薄膜。銅用于使預(yù)裝配疊層金屬化，采用聚酰亞胺或熱塑膠粘劑在COF疊層上面朝下粘附芯片，把芯片壓焊到疊層上之后，使用塑料模塑成形工藝諸如傳遞、壓縮或注射模塑在元器件周圍形成基板，在基板模塑期間模塊溫度不超過(guò)210℃。
下一步工藝就是芯片與疊層進(jìn)行電連接，穿過(guò)疊層到元器件焊盤，通過(guò)激光鉆通通路完成電連接。接著為了形成電互連，把Ti/Cu金屬化進(jìn)行濺射并布圖，依據(jù)目標(biāo)應(yīng)用采用不同類型的頂層金屬化。對(duì)MEMS封裝而言，通過(guò)增加額外的激光融除步驟允許物理通路到MEMS器件(如圖1)來(lái)增加COF工藝。也要進(jìn)行附加的等離子蝕刻使在裸露窗口中積累的聚酰亞胺殘余物最小化。接著在COF疊層移去之后把裸露的MEMS器件釋放。
3、改進(jìn)coF/MEMS激光融除工藝
在初始封裝分析階段發(fā)現(xiàn)的最嚴(yán)重的問(wèn)題就是由于激光融除過(guò)度的加熱造成的MEMS器件翹曲或失效。最易受過(guò)熱影響的器件是到基板通路的熱損耗弱的長(zhǎng)、薄結(jié)構(gòu)的器件，諸如熱驅(qū)動(dòng)器。另外，MEMS芯片的材料特性也可促成熱損壞問(wèn)題。在350nm狀況用連續(xù)的氬離子激光完成COF激光融除。由于與融除有關(guān)的熱問(wèn)題較少，短脈沖、高瞬時(shí)功率激光是較好的。然而，在標(biāo)準(zhǔn)的COF工藝中采用的氬離子激光的使用授權(quán)對(duì)成本和設(shè)備進(jìn)行限制。在350nm狀況下氬離子激光特別會(huì)損壞多晶硅試驗(yàn)器件，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上吸收那個(gè)波長(zhǎng)的所有的入射的激光能量。再者，MEMS芯片上未覆蓋的頂部多晶硅層特別對(duì)熱損壞易受影響，因?yàn)樵谌诔陂g它是直接裸露于激光束的。
3.1、疊層融除概述
如前所述，采用350nm狀況下連續(xù)不斷的氬激光運(yùn)作完成COF工藝中的激光融除。激光的半功率射束寬度(HPWB)標(biāo)稱為9μm。如圖2示出了在融除期間使用的激光掃描圖案。對(duì)每個(gè)通路而言，在6～12 mm對(duì)幅中穿過(guò)模塊表面進(jìn)行激光掃描，當(dāng)認(rèn)為激光束影響模塊表面時(shí)，使用快門控制。
在交叉通路的末端，使激光正交步進(jìn)并顛倒過(guò)程使另一通路穿過(guò)模塊。正交步進(jìn)的數(shù)量決定通路之間的重疊數(shù)。使用重疊來(lái)改進(jìn)融除的均勻性。由于功率僅為中心激光束的一半，因此在激光束邊緣融除較少的聚酰亞胺薄膜單個(gè)通路之后，聚酰亞胺薄膜融除的深度是不一致的。選擇不是太大或不是太小的重疊是關(guān)鍵的，是在先前通路上得不到足夠功率的融除區(qū)域的又一機(jī)會(huì)。大的重疊可產(chǎn)生大量的融除而不足夠的重疊將產(chǎn)生不能融除的材料保留于模塊上。圖3示出了一排留在大塊微機(jī)電MEMS芯片上的疊層材料。通路問(wèn)的重疊太小不能認(rèn)為融除是良好的一致性。掃描率在決定融除工藝特征方面是又一關(guān)鍵性因素，慢掃描率考慮更多的目標(biāo)時(shí)間，將融除更多材料，采用較快的掃描率清除殘留的聚酰亞胺薄膜或使過(guò)熱的目標(biāo)區(qū)域的危險(xiǎn)性最小化。
3.2、疊層融除特性
為了測(cè)量并分析激光融除工藝，對(duì)幾個(gè)COF封裝樣品進(jìn)行測(cè)試，由于在實(shí)驗(yàn)室激光是設(shè)定的，只有限定數(shù)目的掃描率是可用的，因此選擇150Hz(1350μm/s)作為融除大量材料的掃描率，選擇600Hz(5400μm/s)用于拋光融除，清除大量融除后殘余材料，只有兩個(gè)變量參數(shù)為通路問(wèn)的疊層和功率等級(jí)。通路問(wèn)的疊層是調(diào)研的第一量，采用改變的疊層融除試驗(yàn)樣品來(lái)決定哪個(gè)疊層將提供最大的一致性。對(duì)試驗(yàn)樣品的分析表明相鄰?fù)分行闹g的間距為3μm，提供最均勻的融除覆蓋，在隨后的試驗(yàn)中使用此間距來(lái)確定融除深度對(duì)激光功率變換的敏感性。
下一步就是測(cè)量與功率級(jí)有函數(shù)關(guān)系的融除深度，對(duì)此試驗(yàn)采用有60μm厚的疊層COF封裝樣品。當(dāng)大量融除的激光功率從1～4W變換，融除拋光的功率從1～5W變換時(shí)，在試驗(yàn)樣品的疊層中融除窗口。伴隨特定功率級(jí)每個(gè)通路，用表面光度儀測(cè)量疊層融除的深度。圖4示出了這些試驗(yàn)的結(jié)果。
3.3、改進(jìn)的疊層融除工序的研究
描述了激光融除工藝特征之后，對(duì)改進(jìn)的融除進(jìn)行調(diào)研。首先對(duì)顯示MEMS器件損壞的COF/MEMS模塊采用1.6W功率進(jìn)行融除，然而直到激光進(jìn)入埋置芯片幾個(gè)微米之內(nèi)時(shí)，功率才下降，因此對(duì)采用較低激光功率的新的融除程序和移去疊層的替代法進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。
較低功率融除的第一次嘗試沒(méi)有成功，把激光功率設(shè)定到1W，希望只是降低功率會(huì)降低MEMS器件損壞的潛在性。然而，在1W(150Hz)狀況下融除是緩慢的，并且在幾個(gè)通路之后出現(xiàn)了過(guò)度的殘余物，產(chǎn)生了不受歡迎的副作用。再者，殘余物開(kāi)始變硬，對(duì)融除造成了困難，不能用O 2或CF 4/O 2等離子蝕刻移除。
下一個(gè)程序就是結(jié)合高功率融除移去大部分的疊層，接著當(dāng)融除繼續(xù)到更接近芯片時(shí)降低功率采用2W(150Hz)的功率融除COF/MEMS模塊，直到剩下的材料不到10μm。采用3W(600Hz)的融除拋光來(lái)移除剩余材料。
此程序比移去大部分疊層的先前的嘗試效果更好，并且殘余物不變硬，但融除拋光不能徹底移去大量融除后剩下的接近10μm的殘余物。雖然采用(CF 4/O 2)的4小時(shí)的等離子灰來(lái)除去殘余疊層物，但是當(dāng)除去殘余物時(shí)，等離子灰循環(huán)太長(zhǎng)引起了在整個(gè)模塊上方疊層的分層現(xiàn)象，也開(kāi)始蝕刻MEMS芯片上裸露的多晶硅。
把實(shí)際降低融除誘發(fā)損壞方案與前面兩次嘗試相結(jié)合，第一次嘗試失敗，原因在于1W的功率不能足夠融除電介質(zhì)殘余物變硬前的材料。第二程序失敗，是由于融除拋光和等離子灰移除之后剩下大量的材料。第三程序的成功是由于采用了三步融除并伴隨短的等離子灰移除，高壓水擦洗有助于使每個(gè)步驟后剩下的殘余物最小化，從而使硬化的可能性最小化，此程序的步驟如表1所示。
第一次融除步驟的目的是移除足夠的疊層考慮使用設(shè)定的低功率，在2W(150Hz)狀況下用3個(gè)通路完成這一步驟，該步驟移除了第一層聚酰亞胺薄膜和內(nèi)層膠粘劑(約30μm)。第二融除步驟在1W狀況下包括5～7通路，此步驟融除底部聚酰亞胺薄膜(約25μm)，并留下僅僅較低的膠粘劑層通過(guò)融除拋光移除。融除拋光(6個(gè)通路，3W,600Hz)清除大部分殘余物電介質(zhì)和膠粘劑。
融除之后，使用等離子灰和高壓水擦洗，在低功率融除狀況下從第二次嘗試得到的積極的教訓(xùn)之一就是短的(小于90分鐘)等離子灰(CF 4/O 2)在除去融除拋光后留下的殘余物方面是非常有效的。采用低壓(約1乇)使封裝芯片上氮化物或氧化物蝕刻最小化，最后步驟就是高壓水擦洗，為的是除去任何不能保留于MEMS芯片表面上的硅石殘余物，在每個(gè)融除步驟后也要使用高壓擦洗。
3.4、二氧化硅層的熱保護(hù)
在COF封裝之前，把MEMS芯片用保護(hù)性二氧化硅涂層覆蓋，通過(guò)激光融除使其上方區(qū)域裸露，初始采用300nm到1μm厚的保護(hù)性氧化物使裸露表面諸如反射微鏡盤上的殘余物最小化。保護(hù)性氧化物涂層意外的益處之一就是降低了MEMS器件對(duì)激光融除的易損性，即使在1.6W狀況下進(jìn)行融除，氧化物涂層區(qū)域中的MEMS器件顯示出較少的激光加熱損壞的證據(jù)。降低損壞最可能的原因是通過(guò)氧化物層提供了熱隔離。
COF/MEMS工藝中融除首要的是光熱現(xiàn)象。采用高于1ms脈寬的聚酰亞胺的紫外激光融除已表明是首要的光熱反應(yīng)現(xiàn)象。在COF/MEMS工藝中采用的激光脈寬可確定為激光束的HPBW覆蓋表面上點(diǎn)的時(shí)間量。通過(guò)此定義，大量融除和融除拋光步驟的脈寬依次為6.67ms和1.67ms，這顯示出光熱融除是可預(yù)料的。
在350nm聚酰亞胺薄膜的光熱融除的溫度閾值的最小值為850℃，理論化的聚酰亞胺薄膜的最佳的光熱融除發(fā)生的溫度為1100～1500℃。結(jié)果，接近聚酰亞胺薄膜融除的任何材料，諸如埋置型MEMS芯片，使經(jīng)受至少850℃的熱源，可能高達(dá)1500℃，這一數(shù)值的溫度最易導(dǎo)致多晶硅結(jié)構(gòu)中的失效發(fā)生。
二氧化硅的熱傳導(dǎo)率為1.0～1.4WK -lm -1，大大低于硅的熱傳導(dǎo)率160WK -lm -1或多晶硅的熱傳導(dǎo)率30WK -lm -1。濺射或旋涂玻璃(SOG)氧化物保護(hù)層的存在對(duì)保護(hù)采用頂部多晶硅層的MEMS結(jié)構(gòu)是特別重要的，因?yàn)檫@些器件裸露在表面，否則對(duì)融除的熱效果沒(méi)有絕緣作用。
3.5、采用改進(jìn)的疊層融除協(xié)議的結(jié)果
改進(jìn)的融除方案的使用非常成功，圖5示出了在COF/MEMS模塊中含有一對(duì)掃描微鏡窗口的融除工藝。圖5描繪了(a)2W，(b)1W，(c)3W融除拋光和(d)(CF 4/O 2)等離子灰之后融除的狀況。注意到伴隨等離子灰在表面現(xiàn)象的情況，使用與等離子清洗有聯(lián)系的改進(jìn)的融除方案極大地降低了試驗(yàn)芯片上激光誘發(fā)損壞現(xiàn)象的發(fā)生。再者，二氧化硅保護(hù)層的使用極大地降低了殘余物并且有助于MEMS器件的額外熱絕緣的形成。圖6示出了經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的封裝和組裝的掃描微鏡，與未封裝的控制芯片上相同器件具有相同的運(yùn)作特性。
4、應(yīng)用
COF/MEMS工藝擁有部分富有吸引力的MEMS和電子封裝的特征。由于采用了直接金屬化，芯片互連具有極低的寄生電容和電感。使用的三維封裝技術(shù)，實(shí)際上是把焊盤定位于芯片上任何地方的能力，以及從很多裝配技術(shù)主宰芯片的能力。當(dāng)COF/MEMS工藝不能主導(dǎo)每一種類的MEMS器件，存在寬范圍的器件諸如微光學(xué)器件、RFMEMS、以及微流體器件是適用于此工藝的。成本是此封裝工藝的限制之一，為了降低COF工藝的成本需做出極大的努力，對(duì)應(yīng)用于諸如軍品及航天電子領(lǐng)域而言，要求其具有獨(dú)特的性能，主要采用此封裝替代品。在本文中證明的MEMS封裝技術(shù)增加的步驟，不能顯著地增加到每個(gè)模塊的總成本上，由于所做的每個(gè)努力是使用本地化的現(xiàn)存的COF工藝的設(shè)備和工藝。再者，在文中包含的埋置型疊層理念可通過(guò)適于特定能力的折中成本的別的方法實(shí)現(xiàn)。
如前所述，COF/MEMS封裝最先實(shí)際應(yīng)用之一就是用于主導(dǎo)微光學(xué)器件。活塞微鏡的COF/MEMS封裝技術(shù)是特別有吸引力的，原因是這些器件在釋放之后不需要裝配。因此，主要的要求就是提供微鏡的光存取，并在電學(xué)方面集成微鏡和控制電路。圖7示出了COF/MEMS微鏡組裝設(shè)計(jì)，通過(guò)采用在鏡芯片下方放置微控制器的三維理念可獲得更小型化的封裝。如圖7所示，小的鏡陣列(5×5)被成功地封裝并在包含簡(jiǎn)單微電子驅(qū)動(dòng)電路的COF/MEMS模塊中運(yùn)作。含有較大陣列的封裝合并全功能微鏡控制器芯片。COF/MEMS封裝的別的應(yīng)用包括埋置型RF天線和開(kāi)關(guān)陣列，與活塞微鏡一樣，很多RFMEMS器件在釋放后不需要組裝并與COF/MEMS封裝技術(shù)工藝非常兼容。在COF/MEMS封裝中埋置RF MEMS開(kāi)關(guān)和天線將促進(jìn)微波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小型化。
5、結(jié)束語(yǔ)
本文論述了適于封裝微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的撓曲基板上芯片(COF)封裝工藝，對(duì)降低由于激光融除對(duì)MEMS器件損壞的潛在性理論也進(jìn)行了討論并付諸實(shí)施。通過(guò)采用具有等離子清洗和高壓水擦洗的變換的激光融除功率等級(jí)，可提供有效除去COF疊層的方法而不損壞埋置型MEMS器件。另外，發(fā)現(xiàn)使用熱絕緣層可提供免受激光相關(guān)熱損壞的額外保護(hù)。采用COF/MEMS工藝可成功地封裝與微鏡和微電子驅(qū)動(dòng)電路合并于一起的簡(jiǎn)單的微系統(tǒng)。
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