МЕТОДЫ СБОРКИ И МОНТАЖА МАКЕТНЫХ ОБРАЗЦОВ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МИКРОСИСТЕМЫ

УДК 621.3.049.77

Методы сборки и монтажа макетных образцов микроэлектромеханических систем

С.П.Тимошенков, А.Н.Бойко, Б.М.Симонов

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Изложены результаты исследования и разработки технологических процессов сборки и монтажа деталей МЭМС, использованные для изготовления работоспособных макетных образцов.

Ключевые слова: МЭМС, сборка МЭМС, анодное сращивание, эвтектическая пайка.

Микроэлектромеханические приборы и системы (МЭМС) находят все более широкое применение во многих областях промышленности и повседневной деятельности людей благодаря малым размерам и низкой стоимости, обусловленной групповыми технологиями изготовления. Совершенствование конструкций МЭМС, создание надежных технологий их изготовления, средств и методов контроля актуально для получения нужного ассортимента МЭМС с требуемыми параметрами, определяемыми областями их применения. На функциональные параметры МЭМС оказывают влияние многие факторы, учет которых необходим при их проектировании и изготовлении.

Принцип действия того или иного МЭМС-устройства зависит от области применения, следовательно, и требования к технологии его изготовления также зависят от этого. Микрогироскопы, например, часто требуют вакуумной герметизации. Однако в некоторых сенсорах происходит взаимодействие с окружающей средой, необходимое для измерения физических или химических параметров [1].

Соединение деталей МЭМС при изготовлении этих устройств, например крепление микромеханического и электронного узлов МЭМС к основанию корпуса, требует тщательной подготовки и является самостоятельной задачей, решаемой при изготовлении различных МЭМС. Незначительное смещение кристалла может привести к нарушению нормального функционирования прибора.

В настоящей работе изложены результаты выполненных исследований по разработке технологии сборки и монтажа чувствительных элементов и деталей конструкций макетных образцов МЭМС.

Анодное сращивание. Эффективным методом соединения деталей МЭМС является электростимулированное термическое соединение, или анодное сращивание, позволяющее соединять детали из различных материалов [2]. Возможны различные варианты соединений, например полупроводник-диэлектрик, металл-диэлектрик, полупроводник-диэлектрик-полупроводник, металл-диэлектрик-полупроводник и т.п.

© С.П.Тимошенков, А.Н.Бойко, Б.М.Симонов, 2010

Метод анодного сращивания основан на соединении материалов: полупроводника и щелочесодержащего стекла с ионной проводимостью (рис.1). Сращивание происходит при температуре 180-500 °С и напряжении 200-1500 В. Обычно используются натриевые стекла типа Corning 7740 и HOYA SD-2, проводящие ионный ток при температуре сращивания. Перед сращиванием необходимо проводить предварительную обработку сращиваемых деталей в течение ~5 мин в водном растворе H2O2:H2SO4, 1:2,5 в объемных долях. При приложении электрического поля и повышенной температуре положительные ионы в стекле (Na+, Li) перемещаются, создается обедненный слой вблизи поверхности кремния. Сращивание происходит благодаря соединению кремния с кислородом, содержащимся в стекле. Для получения низкого давления в объеме герметичного корпуса сращивание необходимо проводить в вакуумной камере. Оборудование дает возможность совмещения пластин перед сращиванием с точностью несколько микрон [2].

Одним из недостатков анодного сращивания является необходимость нагрева. Это приводит к десорбции газов с поверхности и из объема материала, в результате чего давление в герметизируемом объеме повышается. При типичном начальном давлении 10-5 мбар конечное внутреннее давление оказывается порядка 1 мбар.

Преимущества данного метода перед другими способами соединений деталей, используемых для сборки микромеханических систем:

- высокая прочность соединения, имеющая большое значение для приборов, работающих при динамических нагрузках;

- высокая точность фиксации деталей друг относительно друга;

- сравнительно низкая рабочая температура процесса соединения;

- небольшая длительность технологической операции, не превышающая 20-60 мин; высокий процент выхода годных изделий и простота реализации процесса.

Процесс анодного сращивания инициируется приложенным электрическим полем при повышенной температуре. В результате на первом этапе благодаря электростатическому притяжению происходит слипание подложек из различных материалов. Затем под действием приложенного электрического поля и температуры происходит адгезионное сращивание за счет электрохимических реакций на границе раздела (массопере-носа ионов и атомов). При этом формируется сплошной переходный слой между двумя подложками. Прочность соединения так велика, что разрушение происходит по одному из сращиваемых материалов, а не по плоскости их контакта.

Для проведения процесса анодного сращивания разработана, изготовлена и использована специальная оснастка (устройство) на базе установки вакуумного напыления (УВН).

На рис.2 представлена схема устройства для проведения процесса анодного сращивания. В соответствии со схемой сращиваемые детали 1 и 2 в специальной кассете 3 устанавливаются на нагреватель 4. Через систему электродов на детали подается потенциал от источника высокого напряжения 5. Контроль процесса сращивания осуществляется путем измерения тока высокого напряжения 6.

Связь

—

w

Электрод

Нагреватель

Объем с низким давлением

Рис. 1. Схема процесса герметизации МЭМС с помощью анодного сращивания

Применение анодного сращивания позволяет в одном технологическом процессе собрать трехслойную конструкцию: роторный узел-прокладка-статорная пластина. В результате проведенных экспериментов определены оптимальные режимы сращивания двухслойных и трехслойных конструкций деталей МЭМС типа кремний-стекло и кремний-стекло-кремний как в обычных лабораторных условиях, так и в условиях вакуума.

Качество сращивания достаточно достоверно идентифицируется при визуальном наблюдении по изменению контраста изображения в области сращивания. Установлено, что метод анодного сращивания является эффективным для сборки двухслойных или трехслойных конструкций деталей и узлов МЭМС, например типа кремний-стекло или кремний-стекло-кремний. Полученные результаты дают возможность определить границы области параметров, при которых может происходить процесс анодного сращивания стекол ЛК-105 с кремнием (рис.3), что позволяет выбрать оптимальные режимы проведения технологического процесса.

Соединение деталей методом эвтектической пайки. Проведено исследование возможности сборки чипов микроэлектромеханических устройств с использованием метода эвтектической пайки. Применение пайки позволяет в одном технологическом процессе собрать трехслойную конструкцию: роторный узел-прокладка-статорная пластина (например, типа кремний-кремний-стекло) и одновременно обеспечить хороший электрический контакт между роторным узлом и статорной пластиной.

После пайки создается низкоомный и высокостабильный электрический контакт между деталями [3]. Для проведения процесса эвтектической пайки разработана конструкция чипов с дополнительным слоем металлизации технологического назначения (рис.4). Для реализации эвтектической пайки всей конструкции узла МЭМС, включающей роторный узел, прокладку и статорную пластину, в одном процессе на прокладку дополнительно осаждается слой золота с подслоем висмута, аналогичный слою металли-

Рис.2. Схема устройства для процесса анодного сращивания: 1 - кремниевая пластина; 2 - стеклянная плата; 3 - кассета для сращивания; 4 - нагреватель; 5 - источник высокого напряжения; 6 - миллиамперметр

Е, В/см 6000 5000 4000 3000 2000 -1000

Область 1 Область

Область сращивания пробоя

несращивания

0

100

200

300

400 500 Т, °С

Рис.3. Зависимость критической напряженности электрического поля от температуры процесса сращивания для структуры 81/ЛК-105

Рис.4. Эскиз конструкции узла паяного соединения: 1 - основание роторного узла; 2 - статорная пластина; 3 - слой металлизации Ли-Ш на статорной пластине; 4 - прокладка; 5 - слой металлизации Ли-Ы на прокладке; 6 - слой припоя Ли-81

6

3

зации на статорной пластине. На этой пластине подслой висмута используется для улучшения адгезии слоя металлизации к стеклу, а на прокладке подслой висмута играет роль барьера, препятствующего растворению золота в кремнии прокладки. В процессе эвтектической пайки золото растворяется только в кремнии роторного узла и, таким образом, для образования прочного эвтектического соединения достаточно наличия тонкого слоя золота.

Исследование и оптимизация процессов эвтектической пайки проводились на вакуумной установке типа УВН-2М в условиях рабочего вакуума 5-10-5 мм рт. ст. В процессе исследований варьировались температура, время процесса и давление сжатия паяемых деталей. Качество эвтектической пайки оценивалось визуально и по величине электрического сопротивления между роторным узлом и соответствующей внешней контактной площадкой статорной пластины, а также по результатам разрушения паяного соединения (в случае хорошего соединения разрушение не должно происходить по шву).

В результате проведенных экспериментальных исследований определены оптимальные параметры проведения процесса эвтектической пайки: температура составляет 610 ± 20 °С; время соединения - 15 ± 3 мин. При указанных значениях параметров были изготовлены действующие макетные образцы микроэлектромеханических устройств, отвечающие предъявляемым к ним требованиям.

Монтаж чипов на основание корпуса. В ряде разрабатываемых конструкций МЭМС кремниевый чувствительный элемент устанавливается на стеклянной плате. Полученное изделие, представляющее собой кремниевый чувствительный элемент, установленный на стеклянной плате, будем называть чипом. Метод эвтектической пайки, который широко используется в технологии посадки чипов ИС в корпус, требует доработки. Это приводит к необходимости разработки новых методов сборки и монтажа чипов МЭМС в корпус.

Клеевое соединение. Основные требования, предъявляемые к клеевым соединениям: механическая прочность, высокая адгезионная способность (не менее 2-3 МПа) и стабильность электроизоляционных свойств в интервале рабочих температур (удельное объемное сопротивление не менее 1-1014 Ом-см, tg 5 < 1-10-3). К числу таких клеев, широко используемых в технологии ИС, относится клей ВК-9.

Изготовлены экспериментальные образцы микроустройств, в которых посадка чипа в корпус была осуществлена с использованием клея ВК-9. Однако, несмотря на положительные результаты испытаний этих образцов, для реализации метода клеевого соединения необходимы дополнительные исследования. Существенным недостатком технологии клеевого соединения является возможное газовыделение из клея ВК-9 внутрь герметичного объема, а также сложность реализации посадки в корпус групповым способом.

Посадка на припой. Проведено исследование возможности посадки стеклянных чипов с кремниевым микромеханическим элементом на припои, используемые в электронной промышленности.

Методом термического испарения в вакууме проводилось напыление металлических слоев на поверхность стеклянной платы и на основание корпуса. Данный метод обладает простотой, высокой надежностью и позволяет получать пленки высокой чистоты. На поверхность стеклянной платы последовательно наносились: подслой ванадия толщиной 200 А, слой меди толщиной 0,8 мкм, слой припоя. На поверхность основания корпуса наносился слой припоя. Экспериментально установлено, что надежное крепление стеклянной платы в корпусе обеспечивается применением легкоплавкого припоя ПОИн-50.

1

5

6

3 После нанесения металлизации основа-

ние корпуса устанавливалось на нагреватель. На напыленный слой металлизации помещался припой ПОИн-50 в виде порошка. На порошок ставился чип и при помощи оснастки чип прижимался к основанию корпуса и одновременно совмещался (позиционирование) относительно плоскости основания корпуса (рис.5). Основание корпуса нагревалось в вакууме до температуры плавления припоя ПОИн-50 (Тпл = 120 °С). Затем нагрев прекращался и производилось плавное охлаждение сборочного узла до комнатной температуры. Контроль качества пайки производился путем приложения усилия на сдвиг к боковой поверхности чипа. Алгоритм технологического процесса сборки и монтажа макетных обрахцов МЭМС представлен на рис.6.

Рис.5. Конструкция узла МЭМС, полученного посадкой чипа на основание корпуса с помощью припоя: 1 - Вц 2 - Си; 3 - ЧЭ; 4 - стеклянная плата; 5 - ПОИн-50; 6 - плоскость основания корпуса

Рис.6. Алгоритм технологического процесса сборки и монтажа макетных

образцов МЭМС

Проведенные исследования по применению в процессах соединения деталей микроэлектромеханических устройств анодного сращивания, эвтектической пайки припоем и пайки синтезированным многокомпонентным стеклом показали преимущество эвтектической пайки.

По результатам проведенных исследований с использованием установленных режимов выполнения соединений деталей МЭМС и разработанных технологических процессов изготовлены действующие макетные образцы МЭМС.

Литература

1. Liu Sh. MEMS packaging and testing // HuaZhong University of Sciences and Technology. - Dec. 2002. -P. 153-155.

2. Corman T. Vacuum-sealed and gas-filled micromachined devices // Sensors and Systems Royal Institute of Technology. - Stockholm, 1999. - P. 14.

3. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.

4. ГОСТ 17467-88 Микросхемы интегральные. Основные размеры. Дата ввода в действие 01.01.1990. - М.: Изд-во стандартов, 1990.

Статья поступила 12 марта 2009 г.

Тимошенков Сергей Петрович - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой микроэлектроники (МЭ) МИЭТ. Область научных интересов: микросистемная техника, структуры кремний-на-изоляторе. E-mail: spt@miee.ru

Бойко Антон Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры МЭ МИЭТ. Область научных интересов: микросистемная техника.

Симонов Борис Михайлович - кандидат технических наук, доцент кафедры МЭ МИЭТ. Область научных интересов: микросистемная техника.

Конференции

04-08 октября 2010 г. состоится IV Всероссийская научно-техническая конференция «ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МИКРО- и НАНОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ - 2010» (МЭС-2010)

Место проведения: Санаторий работников органов прокуратуры РФ «Истра»(Подмосковье) Учредители конференции Российская академия наук (Отделение нанотехнологий и информационных технологий РАН) Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) Южный федеральный университет (ЮФУ)

Организатор и проводящая организация конференции

Учреждение Российской академии наук, Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН (ИППМ РАН)

Соорганизаторы конференции

Московский государственный институт электронной техники (технический университет) Московское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи (МНТОРЭС) им. А.С. Попова

Основные обсуждаемые темы

1. Теоретические аспекты проектирования микро- и наноэлектронных систем (МЭС)

2. Методы и средства автоматизации проектирования микро- и наноэлектронных схем и систем (САПР СБИС)

3. Опыт разработки цифровых, аналоговых, цифро-аналоговых, радиотехнических функциональных блоков СБИС

4. Системы на кристалле перспективной РЭА

5. Выставка и презентация коммерческих продуктов

6. Форум диссертационных работ

Подробная информация на сайте конференции - www.mes-conference.ru