嵌入金納米粒子的TSV和ALD等封裝技術(shù)紛紛亮相
[導(dǎo)讀]“TRANSDUCER 2013”上設(shè)有“Packaging＆Technology”分會(huì)。從此次會(huì)議可以看出，今后MEMS的發(fā)展趨勢(shì)是在晶圓級(jí)別集成的同時(shí)進(jìn)行封裝，而非簡(jiǎn)單的晶圓級(jí)別封裝。其中，金屬-金屬接合、TSV（硅通孔）和氣密封裝等是關(guān)
“TRANSDUCER 2013”上設(shè)有“Packaging＆Technology”分會(huì)。從此次會(huì)議可以看出，今后MEMS的發(fā)展趨勢(shì)是在晶圓級(jí)別集成的同時(shí)進(jìn)行封裝，而非簡(jiǎn)單的晶圓級(jí)別封裝。其中，金屬-金屬接合、TSV（硅通孔）和氣密封裝等是關(guān)鍵點(diǎn)，此次分會(huì)上相關(guān)技術(shù)的論文發(fā)表非常多。
這場(chǎng)分會(huì)的最后一篇論文演講來(lái)自美國(guó)加州理工學(xué)院Wu老師的研究室，內(nèi)容是在將金屬嵌入TSV時(shí)采用金納米粒子噴墨技術(shù)（論文序號(hào)T2A.007）。具體方法是，一邊加熱金納米粒子（加熱到140℃）一邊將其注入到利用DRIE（深度反應(yīng)離子蝕刻）工藝形成的通孔中，最后在250℃的溫度下燒結(jié)，就可形成典型的直徑40μm、深100μm、沒(méi)有空隙的TSV。不過(guò)，由于金納米粒子的收縮，通孔的側(cè)面與金屬之間容易出現(xiàn)縫隙，因此要想用于氣密封裝用途的話(huà)，還必須加以改進(jìn)。
TSV的絕緣層和防擴(kuò)散層使用的是ALD（原子層沉積）技術(shù)形成的鋁。筆者的研究室也曾嘗試過(guò)同樣的方法，但可靠性等有待今后的驗(yàn)證。另外，最近ALD成了MEMS領(lǐng)域經(jīng)常使用的技術(shù)，采用ALD的研究相當(dāng)多。在TRANSDUCERS 2013的Plenary分會(huì)上，美國(guó)科羅拉多大學(xué)的George老師就針對(duì)有機(jī)-無(wú)機(jī)混合ALD發(fā)表了一場(chǎng)極具吸引力的演講。
在墻報(bào)分會(huì)，瑞典皇家理工學(xué)院（KTH）的Stemme老師和Niklaus老師的研究室展示了有關(guān)使用焊線(xiàn)機(jī)（Wire Bonder）的TSV的論文（論文序號(hào)M3P.039）。具體方法是，利用DRIE（深反應(yīng)離子刻蝕）工藝打開(kāi)一個(gè)直徑為30μm左右的通孔，利用焊線(xiàn)機(jī)將直徑為20μm的金線(xiàn)穿入其中，縫隙用苯并環(huán)丁烯（BCB）樹(shù)脂填充。雖然該技術(shù)的想法很巧妙，但是用金屬來(lái)填充又深又細(xì)的通孔的難度很大，可以說(shuō)是一個(gè)很有趣的想法。另外，由于是用BCB填充縫隙，因此這項(xiàng)技術(shù)無(wú)法用于氣密封裝。當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)要將金線(xiàn)穿入一個(gè)一個(gè)的通孔里，所以不是晶圓級(jí)批量工藝?，F(xiàn)場(chǎng)就有與會(huì)者就這一點(diǎn)向進(jìn)行墻報(bào)展示的學(xué)生們不斷提問(wèn)，稍微冷靜下來(lái)想一想，在晶圓上的TSV的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于3D LSI的MEMS中，通過(guò)晶圓級(jí)批量工藝嵌入金屬的方法與KTH的學(xué)生們提出的這種方法到底哪種更有利呢？這個(gè)問(wèn)題其實(shí)還沒(méi)有明確答案。當(dāng)然，學(xué)生們認(rèn)真做出了回答。Niklaus老師在封裝和集成化方面曾發(fā)表過(guò)多篇富有魅力的論文。
關(guān)于金屬與金屬之間的接合，筆者的研究室也在第二天的墻報(bào)分會(huì)上展示了論文（論文序號(hào)：T3P.039）。如果通過(guò)Sn-Cu的SLID（固液互擴(kuò)散鍵合法，也被稱(chēng)作瞬時(shí)液相（TLP）接合）選擇適合的基層，則可以獲得較大的接合強(qiáng)度。接合強(qiáng)度的測(cè)定取決于樣品和檢測(cè)方法，因此絕對(duì)值或許沒(méi)有什么意義，不過(guò)這種方法在Die Shear試驗(yàn)中獲得了100 MPa的高強(qiáng)度。另外，還展示了關(guān)于鋁-鋁接合的論文（論文序號(hào)：T3P.038）。采用金和銦（In）的話(huà)接合會(huì)很簡(jiǎn)單，但在CMOS代工中則不容易處理。如果采用LSI布線(xiàn)中使用的鋁進(jìn)行接合，就不那么簡(jiǎn)單了。
比如，在“IEEE MEMS 2008”上，Analog Devices發(fā)表了關(guān)于鋁-鋁接合的論文。T3P.038論文的內(nèi)容與之相比并沒(méi)有取得太大進(jìn)步。如果將鋁帶著表面氧化膜直接接合的話(huà)，必須要在超過(guò)450℃的條件下才能順利接合。從各種接合溫度對(duì)應(yīng)的封裝合格率數(shù)據(jù)就能明顯地看出這一點(diǎn)。另外，鋁的厚度僅為1μm，接合寬度在100μm或200μm。希望出現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)低溫化的方法。（特約撰稿人：田中 秀治，東北大學(xué)）
這場(chǎng)分會(huì)的最后一篇論文演講來(lái)自美國(guó)加州理工學(xué)院Wu老師的研究室，內(nèi)容是在將金屬嵌入TSV時(shí)采用金納米粒子噴墨技術(shù)（論文序號(hào)T2A.007）。具體方法是，一邊加熱金納米粒子（加熱到140℃）一邊將其注入到利用DRIE（深度反應(yīng)離子蝕刻）工藝形成的通孔中，最后在250℃的溫度下燒結(jié)，就可形成典型的直徑40μm、深100μm、沒(méi)有空隙的TSV。不過(guò)，由于金納米粒子的收縮，通孔的側(cè)面與金屬之間容易出現(xiàn)縫隙，因此要想用于氣密封裝用途的話(huà)，還必須加以改進(jìn)。
TSV的絕緣層和防擴(kuò)散層使用的是ALD（原子層沉積）技術(shù)形成的鋁。筆者的研究室也曾嘗試過(guò)同樣的方法，但可靠性等有待今后的驗(yàn)證。另外，最近ALD成了MEMS領(lǐng)域經(jīng)常使用的技術(shù)，采用ALD的研究相當(dāng)多。在TRANSDUCERS 2013的Plenary分會(huì)上，美國(guó)科羅拉多大學(xué)的George老師就針對(duì)有機(jī)-無(wú)機(jī)混合ALD發(fā)表了一場(chǎng)極具吸引力的演講。
在墻報(bào)分會(huì)，瑞典皇家理工學(xué)院（KTH）的Stemme老師和Niklaus老師的研究室展示了有關(guān)使用焊線(xiàn)機(jī)（Wire Bonder）的TSV的論文（論文序號(hào)M3P.039）。具體方法是，利用DRIE（深反應(yīng)離子刻蝕）工藝打開(kāi)一個(gè)直徑為30μm左右的通孔，利用焊線(xiàn)機(jī)將直徑為20μm的金線(xiàn)穿入其中，縫隙用苯并環(huán)丁烯（BCB）樹(shù)脂填充。雖然該技術(shù)的想法很巧妙，但是用金屬來(lái)填充又深又細(xì)的通孔的難度很大，可以說(shuō)是一個(gè)很有趣的想法。另外，由于是用BCB填充縫隙，因此這項(xiàng)技術(shù)無(wú)法用于氣密封裝。當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)要將金線(xiàn)穿入一個(gè)一個(gè)的通孔里，所以不是晶圓級(jí)批量工藝?，F(xiàn)場(chǎng)就有與會(huì)者就這一點(diǎn)向進(jìn)行墻報(bào)展示的學(xué)生們不斷提問(wèn)，稍微冷靜下來(lái)想一想，在晶圓上的TSV的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于3D LSI的MEMS中，通過(guò)晶圓級(jí)批量工藝嵌入金屬的方法與KTH的學(xué)生們提出的這種方法到底哪種更有利呢？這個(gè)問(wèn)題其實(shí)還沒(méi)有明確答案。當(dāng)然，學(xué)生們認(rèn)真做出了回答。Niklaus老師在封裝和集成化方面曾發(fā)表過(guò)多篇富有魅力的論文。
關(guān)于金屬與金屬之間的接合，筆者的研究室也在第二天的墻報(bào)分會(huì)上展示了論文（論文序號(hào)：T3P.039）。如果通過(guò)Sn-Cu的SLID（固液互擴(kuò)散鍵合法，也被稱(chēng)作瞬時(shí)液相（TLP）接合）選擇適合的基層，則可以獲得較大的接合強(qiáng)度。接合強(qiáng)度的測(cè)定取決于樣品和檢測(cè)方法，因此絕對(duì)值或許沒(méi)有什么意義，不過(guò)這種方法在Die Shear試驗(yàn)中獲得了100 MPa的高強(qiáng)度。另外，還展示了關(guān)于鋁-鋁接合的論文（論文序號(hào)：T3P.038）。采用金和銦（In）的話(huà)接合會(huì)很簡(jiǎn)單，但在CMOS代工中則不容易處理。如果采用LSI布線(xiàn)中使用的鋁進(jìn)行接合，就不那么簡(jiǎn)單了。
比如，在“IEEE MEMS 2008”上，Analog Devices發(fā)表了關(guān)于鋁-鋁接合的論文。T3P.038論文的內(nèi)容與之相比并沒(méi)有取得太大進(jìn)步。如果將鋁帶著表面氧化膜直接接合的話(huà)，必須要在超過(guò)450℃的條件下才能順利接合。從各種接合溫度對(duì)應(yīng)的封裝合格率數(shù)據(jù)就能明顯地看出這一點(diǎn)。另外，鋁的厚度僅為1μm，接合寬度在100μm或200μm。希望出現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)低溫化的方法。（特約撰稿人：田中 秀治，東北大學(xué)）
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