第九章封裝和互連技術2008.2.1緒言封裝和互連技術在微系統技術中占有重要的位置，盡管微系統技術的元件和微電子元件在作為單獨的元件時在技術上不兼容，但封裝和互連技術可以將它們組合在一起：PIT必須能夠解決系統內部和外部的裝配、材料連接的各種問題。以其在汽車中的應用為例，微系統在汽車中必須能工作在-40℃到125℃的溫度范圍(在特殊應用中能工作在溫度達200℃條件下)，必須能經得起50g(g為重力加速度)的加速度(如在注入泵中)，必須能抵抗水霧、鹽霧以及油、汽油、酒精和清潔劑的腐蝕。此外，為了使用的經濟性，希望此系統的使用壽命為10年或10年以上，這樣，對材料和封裝與互連技術都提出了很高的要求。醫學上的挑戰因為整個微系統要與生物物質相接觸，所以在醫學技術中微系統遇到了相同的嚴酷條件。在植入醫學中生物學上的相容性、可靠性和長期的穩定件將顯得特別重要，而且經常被忽視的情況是系統必須被保護以防活性生物體侵蝕的影響。例如，血液被遺傳而具有溶解外來物質的性質，如果不能溶解則用鈍化層將外來物質包裹起來。然而，為將傳感器植入人體，必須采用某種方法克服生物體的防御系統，這項任務很明顯要由PIT來完成。在微系統的制造中，PIT對低成本、有競爭力產品的生產起著決定性作用。用另一句話來說就是：PIT對微系統進一步的工業擴展起著決定性的作用。如果不能為相差很大的微系統接口發展出一種臺適的封裝和互連生產工藝，則微系統技術不會在工業上取得成功。9.1混合技術混合電路集成的含義是：在一個普通基底上不同材料和不同生產技術生產的微結構元件的連接。絲網印刷術是微電子混合技術的一項基本技術。在工藝過程中印刷層被預先涂到一個陶瓷載體上，然后被烘烤，這種處理是為人所熟知的。Al2O3—陶瓷基底和各種絲網印刷膏劑是絲網印刷的標準材料，下面將對它們進行介紹。9.1.1基底和膏劑基底通常為絕緣載體．在基底上混合元件被電鍍沉積出并通過接線電路連接。氧化鋁陶瓷在絲網印刷電路中占主導地位，氧化鈹陶瓷僅在電力電子學領域作為氧化鋁陶瓷的替代物。因為氧化鈹粉塵有很強的毒性，所以近年來被新基底材料所代替(如氮化鋁)。“標準”陶瓷基底的一種變體是多層基底(MLC)，主要用作復雜程度高的集成電路的接線平面。MLC由陶瓷堆積層、互連導線和過孔(連接相鄰電路板的垂直連接體)構成。GreenTape的低溫燒結陶瓷(LTCC)技術在中等規模的機械系統中具有應用潛力，這將在9.6.1節中詳細介紹。絲網印刷膏劑成分用于印刷的絲網印刷膏劑內混合了糊狀有機載體材料的無機物粉末構成，絲網印刷膏劑的典型成分是：玻璃原料；溶解劑和濕潤劑；有機膠黏劑；調節流變性的添加劑。根據應用的需要可以添加特殊的膏劑成分含有導電膏劑的金屬粉末；

含有電阻膏劑的金屬氧化物；

含有電介質膏劑的玻璃或陶瓷。膏劑的流變性因為印刷結果取決于膏劑的參數，所以精確的膏劑流變性數學表達式非常重要，這些參數與流變性有直接或間接的關系，如膏劑的黏度、基底與膏劑之間的表面張力以及印刷過程中出現在膏劑中的內部剪切力。在印刷膏劑中添加一種凝膏劑則膏劑變成觸變性材料．此觸變性材料在靜止狀態時表現出很高的黏度，但是在施加剪切應力如攪動、搖動，或像在絲網印刷中發生的被擠壓通過網孔時，它將變得更具流動性。因此，膏劑可以容易地流過絲網的孔并粘接到下面的基底上。開始膏劑依照絲網孔的結構均勻流出，然后膏劑的觸變性阻止已經印出結構膏刑的進一步流動，這樣膏劑就凝固了(圖9.1-1)。膏劑的構成和成分互連線用高導電性的膏劑印刷，通常使用由金和銀構成的導電膏劑或金-鉑、銀-鉑合金、鉑導電膏劑。當前，由于貴重金屬的價格較高，所以優先使用基于銅的導電膏劑。典型導電膏劑的成分為：顆粒大小為0.5-10um的金屬顆粒(50％-70％)；溶劑(12%-25％)，首選乙醇和松油醇．膏劑的流變參數用添加劑來調整；玻璃原料(10％-20％)，這是一種低熔點的玻璃粉末(銅-鉍氧化物)，它影響基底的黏接力。膏劑的電導率盡管純銀膏劑在所有以貴重金屑為基礎的膏劑中是最便宜的，而且純銀膏劑表現出較高的電導率，但是純銀膏劑很少被使用。它的缺點是；對基底的粘接力較小和對腐蝕的穩定性較低。與純銀膏劑相比，金膏劑在電導率和抗腐蝕性方面要好。因為貴重金同膏劑的成本高，所以在封裝工業中人們正在花費巨大的代價尋找便宜的導電膏劑。銅膏刑具有高電導率、優良的可焊性和當與錫-鉛焊料接觸時好的抗浸出性，然而它需要在情性或還原空氣中被燒結。樹脂鹽酸膏劑一種引起人們注意的膏劑變體是樹脂鹽酸膏劑，樹脂鹽酸是一種樹脂酸鹽，它可以在一種芳香油中溶解，使用金樹脂鹽酸的絲網印刷電路在燒結后是一個僅厚約0.1-3um的層，同樣由銀、鈀、鉑、銥或銠制成的膏劑層也產生層。因為層的厚度小，所以層的區域電阻主要取決于基底的表面粗糙度。這里需要指出，厚薄膜和薄薄膜生產技術的區別主要不在于產生的薄膜厚度，而在于與生產這種層的相關技術，如絲網印刷、刷鍍電極印刷和用于厚薄膜生產的相似的技術以及化學氣州沉積或用于厚薄膜生產的物理氣相沉積。因為在印刷中很小的幾何差別將對最終的電阻值產生巨大的影響，所以電阻膏劑的參數必須按它們自身應具備的參數精確控制。對電阻膏刑的燒結的要求很苛刻，因為在燒結中育劑內部發生的快速氧化過程對膏劑的電特性有很強的影響，燒結需要精確的溫度控制。標準電阻體系有以下構成：鈀氧化物／銀；銥氧化物／鉑；釕。大體上，鉍-硼硅酸鹽和鋯酸鹽和不同的氧化物一起使用，乙基纖維素和松油醇用作溶劑。電介質膏劑的分類按照一般的應用領域、電介質膏劑可以被分成以下三類：用于保護釉的膏劑；用于交叉導線和多層電路的膏刑；用于電容器的育劑。保護釉必須具有低的介電系數和低的熔化溫度，保護釉還必須具有氣密性并對下面的結構沒有損害，如電阻和電容等電路元件。用于交叉導線和多臣電路的電介質膏劑基本上由玻璃構成，結晶玻璃在饒結過程中表現出的性質與普通玻璃相同，們是在降低溫度并最終變成晶體結構后就失去了玻璃的性質。在重新加熱時其熔點上升了100℃，這是一個重要的優點，這樣當在已經燒結好的層上添加后續層時，此層就不會再被熔化。9.1.2層的生產絲網印刷是一種用于裝飾紡織品和其他材料的具有一千年歷史的古老技術，然而這種古老技術和現代絲網印刷沒有太多的相同之處．微電子中的現代絲網印刷被發展得極其完美。在陶瓷基底上用絲網印刷電路構造的結構橫向尺寸為幾厘米，同時層的厚度在0.3-80um之間變化。獨立的硅片(集成電路)被安裝在絲網印刷電路上，并通過引線連接法或其他工藝電連接到基底上的著陸焊盤上。正如從圖9.1-2中所看到的，在使用絲網印刷工藝時，膏劑被一種所謂的橡膠刷(一種橡膠的唇狀物)通過絲網壓到基底上。這種細孔絲網開始時被光阻材料所覆蓋，然后所希望的圖案通過所謂的光刻轉換到絲網上，形成一個被絲網支撐的掩模，光阻材料作為膏劑的模板。膏劑的干燥和燒結印刷后緊接著是在室溫下對臂劑進行約20min的預干燥。最后．膏劑在80-150℃的溫度下被干燥。在干燥中揮發性的溶劑逐漸的蒸發。絲網印刷電路生產的基本工藝步驟之一是燒結工藝，這樣，被燒結層的電特性(也包括機械和化學特性)最終被確定了。在大規模生產中使用連續熔爐，精確地控制所需溫度的上升和下降速率。已印刷的基底被一個傳送帶以均勻速度通過熔爐的不同溫度區域，在高溫區，催化劑分解成為燒結過程所需的金屬顆粒。在溫度大于800℃的區域，實際燒結過程開始進行。最后，基底被冷卻下來，玻璃成分凝固并與基底形成一個固體物理混合物。9.1.3電路元件的安放和焊接焊接是按既定的工藝用所謂的第三方(即金屬焊料)連接兩個金屬元件或兩個金屬化的元件，通常，這兩個被連接的元件被放在很近的位置而進行連接，熔化焊料被毛細管作用力和表面張力拉入這兩個連接元件之間的間隙中。對于抗腐蝕要求不高的連接來講，在焊接前可用助焊劑清潔要焊接處的表面，助焊劑中含有一種酸可以減少表面的氧化物薄膜為焊接做好準備。最普通的助焊劑是松香，它含有有機酸，但松香有腐蝕作用，因此，焊接完畢后要將松香除去。焊料凝固后這兩個元件就建立了牢固的機械和電連接。回流焊接盡管在實際中有許多焊接技術，但回流焊接是最常用的焊接工藝。回流焊接是專門用于SMD(表面裝配設備)的技術。SMD是小型化的電子設備，它配備有焊料電鍍連接面。此設備被放置在基底的“著陸焊盤”上，此項工作是用所謂的拾取-放置機器人來完成的。使用膠黏劑將元件暫時固定，在隨后的焊料回流過程中元件在機械上和電氣上被連接到電路中。所以，這種設備要被加熱到超過焊料熔化溫度20-30K(通常在270一300℃范圍)。使用熱摸的回流焊接是一種經常使用的單一焊接工藝。用設定的力將一個焊料印模壓到焊料點上，在此情況下或是接觸焊盤預先被鍍上錫，或是一個預先沖壓成型的焊料被放在兩個連接元件之間。在達到預先設定的接觸壓人后發出電流脈沖，此電流脈沖加熱印模并使印模在焊接過程中保持所需的溫度。熱量通過導體傳遞到接觸區域。溫度控制方法為提高產量，所有電路板都被裝配好并在一個烘烤爐中加熱或連續地通過一個加熱爐。通過控制傳送帶的速度和每個加熱區的溫度可以保持一個精確的溫度-時間曲線。另一種可以精確控制焊接溫度的方法是使用氣相焊接法(見圖9.1-3)。在這種方法中電路板被淹投在某種沸騰溫度約為300℃左右的有機液體上面的飽和蒸氣中，由于蒸氣凝結到電路板上，所以蒸氣釋放出熱焰，這樣電路板被加熱到液體的沸騰溫度。由于電路板上的液體膜再蒸發并釋放蒸發焓，所以進一步的溫度增加被阻止，直到重新達到沸騰溫度為止。對非常精密和對溫度敏感的元件來講．激光焊接是一種合適的工藝，要焊接的區域被激光束局部加熱，然而在連接焊盤設計時，必須使激光束能夠容易地到達。銥鋁石榴石-釹激光器(λ＝1064nm)或更好的二氧化碳激光器(λ＝10um)被用于這種工藝中。這種工藝的優點是加到電路上的總的熱負荷低。其缺點是溫度依賴于被激光照射的表面的熱散發系數，局部的熱傳導也是影響溫度的一個參數。為了使焊接過程順利，可以使用另一種焊接技術，在這種技術中必須將所謂的塊安裝在連接元件的一個表面上，這種塊是一個突出元件表面的半球形狀的焊料點。這種塊是易延展的，可以補償元件之間的任何間隙變化。塊是用于大規模生產微電子設備的反轉芯片焊接技術的必要條件，所以大量的實驗性工作已經在塊技術中展開。經常會出現這樣的問題，即在半導體制造廠中塊并沒有被安裝上，但用戶方為專門的應用(如微系統卻需要塊)，在這種情況下必須使用不同于成品晶片加工工藝的另外的光刻工藝和電工藝[如圖9.1-4(a)所示]。可以用于反轉芯片焊接技術的鉛40％、鋅60％、焊料塊的電子顯微鏡掃描顯微圖見圖9.1-4(b)。焊接原料對可靠的焊接連接起著至關重要的作用。有各種各樣個同的焊接原料，它們總能適合某種特殊的應用。在半導體工業中廣泛使用的是一種合金，其組成成分為：錫62％、鉛36％、銀2％，它的熔化溫度為Tm＝l79℃。較少的銀含量是為了減小銀在焊料中的溶解度并避免銀在著陸焊盤中的浸出。另一種經常使用的焊料是錫63％、鉛37％，熔化溫度為Tm＝183℃。9.1.4硅管芯的裝配和連接與用焊接技術將管殼與基底相連接的管殼封裝設備不同，對“裸”片或管芯的裝配需要兩種工藝。第一種工藝提供半導體到(鍍金的)基底的機械固定、管芯的散熱和使大多數管芯保持確定的電勢。這種工藝叫做管芯壓焊。使用確定的壓力將管芯壓到鍍金基底上，低頻的水晶摩擦運動維持相界的濕潤并加速合金化過程。從圖9.1-5中可以看出，在金為31％、硅為69％時是具有與眾不同的共晶，TEu為370℃。這種結合物通常要進行幾個小時的回火。第二種工藝處理管芯上的集成電路和基底(通常這種具有連接焊盤的陶瓷基底是通過絲網印刷技術生產的)著陸焊盤之間單獨的電連接。這種壓焊工藝在后面的章節中將詳細討論。9.2引線連接技術引線連接技術是一種生產分散電連接的連接技術，通常是從管芯到基底上的電連接，在基底上必須克服側面跨接和兩個表面高度這兩種困難。為實現引線連接，要連接的元件必須有合適的連接表面(所謂的“著陸焊盤”)。混合工藝對合適的連接技術的要求是電連接要優良、穩定；連接點占的空間小；元件的機械和熱負載小；制造過程的成本效率和兼容性要好。要發展一種成熟的連接技術需要進行昂貴的冶金試驗，并開發處理連接線的專用設備。所使用的引線通常為直徑小至10um的金或鋁合金制成的導線。所有用壓力、加熱和超聲波能量擦去導線外皮上氧化物的引線連接工藝都是相同的。要連接的對象(線-連接表面)必須被放到一個相當接近的接觸距離，這樣才能有效地利用范德華力，才可能制造出穩定的連接。下面介紹的工藝已經被證明在實踐中實現線連接是有效的。9.2.1熱壓縮引線連接法（熱壓焊接連接法）在熱壓縮引線連接法或熱壓焊接連接法中的連接壓力和熱量是由一個電極提供給連接體對的。就導線的塑性成型來說，經常出現氧化膜，氧比膜妨礙導線和連接表面的“冷壓焊”，剝開氧化膜并產生一個純凈的表面將使連接反應物生成原子連接。此外，在剝下氧化物的過程中，連接點上需要280℃的溫度。通常基底利用加熱電極被預熱到150-170℃，同時焊接工具本身提供另外的熱量以提高連接體的溫度。鎢、碳化鎢或碳化鈦適合用作脈沖加熱工具的材料。在長期持續加熱的情況下多使用陶瓷工具，它們相對便宜并具有較高的抗磨損能力。盡管價格較高，但紅寶石也被用作加熱工具，因為它具有比陶瓷更高的抗磨損能力。9.2.1熱壓縮引線連接法只有極少數材料適合于熱壓焊接，因為材料的延展性、材料表面不能出現厚的氧化層是至關重要的參數。因此，由于金不需要任何昂貴的保護氣體環境，所以金是惟一使用的材料。連接導線的成本與其他的加工花費相比可以忽略。對一個可靠的連接來講，焊接的功率、溫度和時間是三個重要參數，它們必須與材料的塑性流動特性相對應。一個直徑為25um的金導線的典型工藝參數為：焊接壓力為0.2-0.9N、焊接溫度為280-350℃、基底溫度為240-280℃、焊接時間為0.3-0.6s。這些參數相互影響，必須用實驗方法進行優化。其他需要考慮的參數是材料的硬度、焊接機構的動態性能和焊接工具的設計(毛細管、楔)。9.2.2超聲波引線連接法（超聲波焊接法）使用超聲波引線連接法時，參數、壓力和摩擦力在連接過程中起著至關重要的作用。超聲波能量通過一個超聲波引入頭傳到連接對的接觸區域。超聲波振幅與壓力作用方向保持相切(這樣也與基底表面相切)。超聲波的頻率按照不同的導線材料和厚度以及不同類型的連接劑在15-60kHz之間。連接對(joiningpartner)表面的氧化物層被超聲波振蕩所破壞，這樣將使被連接的潔凈表面之間的距離處在原子距離之內。9.2.2超聲波引線連接法氧化物層被破壞掉了，但依然有殘留氧化物留在接觸區域，因此要保證連接區域的殘留物僅僅存在于接觸區域的一個小范圍內。由超聲波引入裝置引入的功率使導線產生塑性分解，并從使連接對形成原子距離的連接。為獲得可重復性的結果，焊接參數(超聲波能量、時間、壓力)必須十分精心地控制。超聲波引入頭與連接對的良好接觸是將超聲波功率無損耗地傳到焊接區域的基本需要。此外，使用的材料的厚度和延展性也起著重要作用。超聲波引入頭的粗糙表面可以提高超聲波傳送的效率。太高的接觸壓力可能會使焊劑變軟，而太低的接觸壓力則可能會由于摩擦產生的熱量的散失面損害超聲波引入頭表面和接觸區域。9.2.3熱聲波引線連接法（超聲波熱壓焊接法）在使用超聲波焊接法時，超聲波的作用能量和時間是必要的工藝參數，但在使用超聲波熱壓焊接法時溫度是必要的工藝參數。連接線的延展性通過額外的加熱而提高，這對超聲波能量完全被引入連接點有利，同時接觸區域通過向往排氣而被清潔。使用金導線的熱聲波引線連接法提高了連接的可靠性。引線連接工藝不僅可以用儀器的級別種類進行分類，也可以按照所使用的導線和工具來分類。9.2.4球-楔連接法球-楔連接工藝是最常用的工藝，此工藝過程如圖9.2-1所示。一條導線(優先選揮金導線)被穿過一個中間有毛細管的管狀工具，導線伸出毛細管的下部末端。在此連接工藝的第一個周期，導線的末端通過放電被溶化，由于表面張力的作用，熔化的導線形成一個直徑為導線直徑2-3倍的球形形狀。在熔化的液滴再次凝固前將液滴與毛細管一起壓到焊盤上井與焊盤表面焊接在一起。然后毛細管被抬起并移動到第二個著陸焊盤上面，在那里工具再次下降，這一次導線被毛細管的邊緣壓到著陸焊盤上，導線發生塑性變形并與基底的著陸焊盤焊接在一起。由于連接工具的特殊形狀，一個預先確定的斷開點被引入到導線上，在毛細管升起時，導線在這個斷開點處斷開，連接就此完成。導線斷升的末端在毛細管上再次溶化，連接器難備好另一個工作周期。工藝的優缺點這種工藝的優點在于放置完第一個連接后，第二個連接的方向可以任意選擇。對于大規模生產而言，如果基底不需要根據不同方向的連接來旋轉則可以提高生產能力。然而球-楔連接法的缺點是它基本上只能使用金導線，因為具有熔化的導線頂端的鋁導線將被氧化。圖9.2-2給出了兩個無缺點的球-楔連接的電子顯微鏡掃描顯微圖。9.2.5楔-楔連接法另一種可行的線連接工藝是楔-楔連接法(見圖9.2-3)。在這種連接中，兩個連接被放置成楔形，從而產生這樣的結果：第一個連接決定第二個連接的方向。基底必須根據連接的方向在連接工具下面旋轉，這當然是一個消耗時間的過程。由于不涉及導線的熔化，所以該工藝的優點是可以使用鋁導線，而且，使用這種工藝可以獲得較小的焊盤和導線間距。此外，導線環路較小對連接的寄生電容有積極的影響。因此，楔-楔連接法特別適合于高頻應用領域設備的生產。可以用具有很高電流傳送能力的導體來代替導線，這對大功率應用領域的設備是必須的。9.2.6線連接工藝的優點和缺點在熱壓線連接法中幾乎只能使用金導線，在選定連接時，必須考慮導線硬度由于加熱而減小的問題，如果要克服導線環路的距離或高度差較大的因難，則導線硬度減小會對此產生不利的影響。將許多連接放到一個較小的區域可能會導致裝置的功能退化，因為在這種情況下裝置的熱負載過高。而脈沖加熱可能會在一定程度上減小此問題。楔-楔工藝楔-楔工藝適合用在高頻電路技術領域中，因為楔-楔工藝生產的導線環路的弓形較平，并且用此工藝更容易控制幾何形狀。此外，用此工藝生產的產品中電路連接線的寄生電感和電容比使用球-楔連接法生產的大導線環路的寄牛電感和電容小。用楔-楔工藝可以將著陸焊盤設計得較小(小于50um)．這樣，對于具有幾百個連接的集成電路來講可以在芯片上節約相當多的“不動產”(區域)。超聲波連接法超聲波連接法主要使用鋁導線，正規鋁導線的直徑在17-500um范圍內變化。因為太細的純鋁導線太軟，所以通常使用含有1％硅的鋁合金導線，純鋁(鋁99.9％)用于直徑100um或更粗的導線，因為在這種情況下較高的電導率比機械強度更能滿足要求。因為此工藝有前面提到的焊接方向的限制，所以其工藝自動化成本較為昂貴。熱聲波引線連接法熱聲波引線連接法主要使用直徑17-100um的金導線。此方法是在絲網印刷生產的基底或薄層電路上連接集成電路、獨立二極管和晶體管的標準工藝方法。其優點是生產的產品的抗腐蝕性較9.3.1TAB技術引線連接工藝中單根導線的功能在TAB技術中被一個聚合物底層上的金屬帶所代替，連接是通過將一個芯片到陶瓷基底或到連接板的所有連接同時焊接完成。可以看出這種工藝的技術困難是在連接區域的準備和在芯片的著陸焊盤上形成形狀相同的塊的實施上。塊通過芯片鈍化層中的過孔與下面的電路相連接，半球形狀的塊必須明顯地從鈍化層上(通常為P-玻璃或Si3N4)突出。以保證與薄膜載體(見圖9.3-1)上的金屬帶可靠地連接在一起。為滿足抗腐蝕性、最小化的浸出、良好的濕潤性和可靠性的需求，這種工藝使用金焊劑作為塊材料，但其他合成冶金化臺物也可以被用作塊材料。9.3.1TAB技術金塊必須用擴散阻擋層與下面的鋁導體隔離開，否則會由于在較高溫度下的相互擴散而使連接產生機械的不穩定并增加接觸阻抗，甚至于導致連接的徹底失敗(見9.2.6節)。將金塊電鍍到鋁焊盤上，鋁焊盤松一薄層鈦、鎢和金所覆蓋。為達到一個較高的塊密度，必須在一個相對較厚的光致抗蝕劑中形成精確的模型。一個塊的幾何尺寸為20um×20um×12um，間隙尺寸為50um。塊電鍍完畢后，光致抗蝕劑被去掉，用回流加工將塊改造成半球形狀。9.3.1TAB技術通常，金-錫的共晶體焊劑(共熔溫度TM＝280℃)和熱壓焊接被用于芯片和帶的連接(內部引線連接)。外部連接線(帶／連接板)的連接主要是用錫-鉛焊劑完成的。塊技術為微技術的應用開辟了一片寬闊的新領域，因此可被認為是微電子學和微系統的一項關鍵技術，但是其基礎設施(技術和設備的提供)需進一步發展。TAB技術為在芯片安裝到一個系統前的檢驗提供了可能性，此外，用此技術可以訪問到芯片的前面和背后，這是用該技術將微機電系統的元件集成到微電子設備中(如熱耦合)時具有的獨特優點。9.3.2反轉芯片焊接技術反轉芯片焊接連接的原理步驟見圖9.3-2。與TAB工藝不同，反轉芯片焊接連接中不是將芯片安裝到一個中間基底(薄膜)上，而是將芯片頭朝前地放置在基底上。借助于紅外顯微鏡的幫助，芯片可以被調整(硅對紅外線是透明的)并被直接連接到基底的著陸焊盤上。為補償因芯片和基底熱膨脹系數的不同而產生的機械應力，需要使用非常軟且易延展的焊劑。焊盤在鈍化晶片上展開，并被電鍍沉積上鈦／銅、鉻／銅薄膜或鉻／鎳薄膜以提高焊盤的粘接力，同時阻止焊盤與隨后形成的層之間的相互擴散。塊材料(錫／鉛)通過電鍍被沉積并通過回流加工形成。基底上的焊盤必須裝備可焊接的金屬層(如銀鉛)。反轉芯片焊接工藝的問題是由于連接對的不同膨脹系數和連接對與基底的低溫連接而產生的。芯片過熱可能導致焊盤上產生很大的絕對應力，這最終可能引起連接的斷裂和電路的徹底失敗。反轉芯片焊接技術的一個值得考慮的優點是較高的焊盤密度和焊盤不受芯片外邊框的限制。具有匹配的熱膨脹系數的基底使得這種工藝對低能量損失電路的大規模生產來講非常經濟。9.4粘接粘接技術對于微機電系統來講是必須的技術成分，也是表面封裝技術領域中的一種成功方法。同時，粘接技術也是在微系統技術中創造的。在此技術的應用中主要使用單一或雙重成分的環氧樹脂，9.4.1各向同性粘接單一成分系統已經包含了固化所需的所有成分．這些成分通過加熱被激活。對于雙重成分系統，其成分在使用前就被混合好了。有冷固化和熱固化兩種固化方法。環氧樹脂在市場上作為電傳導或熱傳導膠黏劑可以買到。導電膠黏劑通常填加銀的碎薄片(平均直徑25um)，填充物碎片占膠黏劑總質量的60％-80％。上下單個填加顆粒之間的接觸表面對膠黏劑的電導率來說相當重要，可以達到電阻率10-3-2×10-5Ω?cm。固化條件對粘接層的電導率也有很大的影響，因為聚合的膠黏劑形成基體，在基體中金屬顆粒合成一體，所以基體的機械應力對電導率有很大的影響。

熱傳導膠黏劑用于將電子元件固定到基底上并將電子器件散發的熱量傳到基底中。熱傳導膠黏劑的填加材料主要是氧化鋁或氮化硼．一般用熱導率為0.7-1.5W／(m?K)的膠黏劑與熱導率為1.5-3.5W／(m·K)金屬填加物混合(沒有填加物的環氧樹脂的熱導率為0.3W／(m·K)。膠黏劑通過自動投放器、印模或絲網印刷來使用。膠黏劑的固化有一定的限制，此限制可以在不同的溫度-時間組合中選擇，典型的溫度范圍為80-180℃。對膠黏劑層的一個重要的要求是要對相鄰部件之間的機械應力進行補償。機械應力是由于連接在一起的部件的熱膨脹系數不同、膠黏劑層的收縮和連接部件上交替變化的熱負載引起的。對于膠黏劑層的機械應力性質的估計而言，彈性知識是一個重要的必備條件。如果膠黏劑層的應力溫度低于膠黏劑的玻璃態轉化溫度，則在彈性模量與溫度間存在一個線性關系，這樣膠黏劑層就形成一個相對牢固、只有最大穩定性的結構。如果膠黏劑層被加熱到超過該膠黏劑的玻璃態轉化溫度，則可以想像得出，膠黏劑是處于黏彈性狀態的。在卡爾斯魯厄研究中心，粘接技術已經被進一步開發用于微流控元件的裝配，并成功地在“前工業”的短期運行中使用。膠黏劑通過連接元件對中的一個元件中的通道系統被同時涂到許多連接點上，在一個具有投放器的孔處被引入到通道系統中，并被散布成一個很大的面積，剩余的膠黏劑從其他孔流出并被拋棄。使用這種方法每次可以生產12個微型泵。另一種粘接方法利用要連接的元件之間的毛細作用力。通過合適的結構，膠黏劑可以被引入連接表面之間的窄縫中。鄰近較探的溝通會阻礙膠黏劑到達其希望到達的地方，即如圖9.4-1所示的元件內部。僅一滴膠黏劑被滴到兩個連接元件之間的裂縫近旁，正確的膠黏劑劑量是由現有的毛細作用力和放蕩劑的黏性控制的。通道粘接工藝和毛細作用粘接工藝都不需要精確地分配所消耗的時間。9.4.2各向異性粘接在各向異性粘接中，一層薄膜被放到要連接的元件之間。薄膜由具有導電球體的懸浮液構成，懸浮液中球體的濃度較低以防止球體彼此接觸，在這種狀態下薄膜是絕緣體。在薄膜被加熱且在某些區域被分解和壓縮后，導電球體被壓緊并彼此接觸，這時在這些獨立的區域上薄膜變成能導電的狀態。這種薄膜被稱為各向異性傳導薄膜(ACF)，因為它只在得膜表面之間的方向上具有傳導性而不是在薄平面內具有傳導性。各向異性薄膜的應用如圖9.4-2所示。通過改變材料參數可以獲很許多不同的產品，并獲得潛在的應用。這種工藝已被廣泛應用于平板顯示(液晶顯示LCD)的連接，LCD中在玻璃載體上需要完成幾千個可靠的連接。該工藝過程由兩個步驟完成。首先，上層具有一個保護薄膜的各向異性傳導薄膜被適當地調整，并用100℃的熱印模以1N／mm2的壓強放置到兩個連接元件中的一個上。然后移去保護膜，將第二個元件貼到薄膜上并放置好。在第二個步驟中，通過施加180℃的溫度和2N／mm’的壓強將連接對元件連接在一起。連接壓強必須保持到聚合物載體被冷卻到低于它的玻璃態轉化溫度。對于要求不苛刻的部件(如電連接間隔空間較大的部件)，此工藝可以簡化成只有一步，這樣元件對的連接和各向異性傳導膜的形變可同時完成。導電連接焊盤間距的大小和焊盤面積的大小由導電球體的密度確定。因為球體在聚合物中的分布是隨機的，出于可靠性的考慮，焊盤間距的大小不能低于100um，同時連接焊盤至少要有0.025mm2的面積。環氧樹脂、聚酰亞胺、聚酯-氨基甲酸乙酯、丁二烯-苯乙烯共聚物和其他材料被用作薄膜的聚合物載體，鎳、銅、錫和鉛的凝聚物用作尋電顆粒．除了一層鎳或金的塑料球也可以作為導電額粒。球體的尺寸在5-30um之間變化。9.5陽極粘接法9.5.1晶片-玻璃粘接陽極粘接是在最近幾年發展起來的一種封裝和微元件防護以至整個系統防護的有力工具。陽極粘接使一個微結構上的防護玻璃罩的不可逆封裝變得更容易。按照定義，微結構是由靈活的元件(如彎曲梁、振蕩鏡、線性執行器)和完全自由的結構(馬達、齒輪、活塞)構成的微米尺寸的三維體。和微電子元件一樣，這種結構以巨大的元件數量和高的封裝密度被制作在基底(晶片)上。為了獨立地使用該結構，部件必須從晶片上切除下來。在半導體制造業中，晶片被劃上劃痕然后被折斷，或者用鉆石鋸切割。半導體元件被一層鈍化層保護，將晶片分割成芯片不會損傷器件。這與在微機電系統中完全不同，這里要分開的元件通常是具有窄縫和明溝的復雜結構，如果這些激結構沒有被保護．則用鉆石鋸分割的過程和使用的冷卻液將損害這些微結構。由于微機電系統是三維的機構，所以用鈍化層保護是不可行的。在晶片上覆蓋一個防護玻璃罩，晶片可以在精密的結構被完全保護的條件下被分割成單獨的元件。9.5.1

晶片-玻璃粘接

在微電子學中，陽極粘接一般用來生產整個晶片上的芯片附屬物，此附屬物被電連接到基底上的一個互連結構上。在微機電系統中，陽極粘接的任務是多方面的，它不僅保護晶片不被弄臟(當然這需要覆蓋物)，而且微結構或微系統的功能也恰需要一個防護罩，例如，用粘接牛產一個密封的腔以建造一個壓力傳感器或為移動的振動體提供相對的電極以測量加速度。從原理上來講，陽極粘接很簡單，只要將相互緊密接觸的玻璃平板和硅片加熱到約400℃并對其施加一個約1000V的電壓。在此高溫下，由于一些離子的遷移，玻璃變成導電狀態。在玻璃中大量出現的帶正電荷的鈉離子向與玻璃-硅分界面相對的陰極移動并且被中和(見圖9.5-1)。帶負電荷的SiO2-的迂移率比鈉離子小一個數量級。鈉離子遷移的結果導致了空間電荷的產生。此空間電荷將晶片表面向破璃吸引。這種粘接工藝的結果如圖9.5-2所示。為在玻璃和硅之間獲得可靠的粘接，要求兩個表面的平整度、不同熱膨脹系數之間的匹配等條件必須要滿足。一種合適的材料是派瑞克斯-7740玻璃，它的膨脹系數與硅的膨脹系數接近。9.5.2晶片-晶片粘接一項非常有前途的技術是元件之間沒有輔助玻璃層的晶片到晶片的粘接技術。當兩個非常平坦、非常清潔的晶片表面緊密接觸在一起時即產生晶片粘接。范德華力或化學鍵是兩個表面即使在室溫下也能相互吸引的原因所在。粘接的結果在“硅時代”以前就已被精密工具制造考通過所謂的“終端片”上的光膠所獲悉(終端片是被光學磨光的金屬相密測量長度規)。在這種情況下，粘接是一種不被希望的副作用。從20世紀80年代中期開始，晶片粘接作為一種用于兩個晶片面對面的不可逆連接技術才被人們所知道。表面粗糙度在納