目前MEMS封装使用焊料、粘接剂或环氧树脂来粘接芯片。对MEMS封装而言每种方法有它的优缺点。当使用焊料时,硅芯片背面必须有很好的镀金层,镀金层通常为Au-Sn焊料,封装时温度加热到250℃时,Au-Sn焊料形成共晶体。用这种方法进行焊接的优点是MEMS芯片和外壳底板之间的连接部位具有很低的热阻和电阻,因而器件的电性能和热性能很好。其主要问题是,由于焊料焊接部位很硬,不能吸收应力,因此MEMS器件和外壳的CTEs必须匹配,否则在热冲击中因应力问题会引起芯片破损。
粘合剂和环氧树脂是一种填充有金属粉末(如银粉)的粘接材料,银粉因有很好的电导率、在粘接材料中不会出现迁移而常用作金属填料。这种粘接材料的优点是工艺温度较低,固化温度在100-200℃之间,而且与焊料粘接相比,粘接处的应力也较低。而且由于这种粘接方式不会产生刚性封装问题,由热循环和机械力引起的剪切应力减小了许多,软芯片粘接材料的主要缺点是电阻率较高,通常比焊锡焊料的电阻率要高10-50倍,热阻要高5-10倍。另外,湿度也显著的加快软粘接材料的老化过程。
(1)焊料种类和特性
焊料的种类很多,按焊接温度分为软焊料和硬焊料;按是否含铅来分分为铅焊料和无铅焊料。软焊料主要是熔点为183℃的Pb-Sn共晶体,也称为锡焊。当需要一个强度更高、更耐腐蚀的焊接时和必需避免使用助焊剂的场合,可采用共晶(80:20)Au-Sn合金代替锡焊,通常称为钎焊。熔点为280℃的金-锡共晶体最常用。无铅焊料是目前焊接材料发展的一个重要方向。
(2)无铅焊料
焊接技术是制作电子封装的关键技术。为了减小铅的污染,美国提出了无铅议案。目前工业界一直努力以减小和避免使用含铅焊料。对电子工业和电子封装业来说,因为锡-铅焊料构成了电子互连的主干,这就提出了一个严峻的挑战,要求替代物必须提供相同或更好的性能,如导电性、机械强度、耐化学性以及与电子组装所用材料的工艺相兼容。此外,该代用材料必须满足OSHA(美国职业安全与卫生署)标准对无毒的要求,并能以合理的价格采购。形成互连的材料和工艺的总成本不能超过常规焊料的成本。
作为Sn-Pb焊料的替代品,无铅焊料合金应该满足下列性质:
(a)环境和卫生要求;
(b)熔点范围在200℃以下;
(c)与现有的生产材料和工艺相容;
(d)机械强度与63/37共晶焊料相等或更好;
(e)价格适当,供货渠道多;
(f)能返修和返工。
(3)焊料选择基本原则
由于MEMS封装材料和工艺过程是一个非常复杂的过程,焊料选择应遵循以下基本原则。
(a)在一个封装工艺过程中,常常需要用到多种焊料,焊料的选择应具有一定的温度梯度,通常温度梯度要大于40℃,后步工艺温度应低于前步工艺温度,防止后步工艺损坏前步工艺。
(b)焊料的CTE应与芯片和基板的CTE相匹配,以尽可能的减少因焊接引起的热应力。当基板和芯片的CTE很接近时,用Au-Sn焊料较好。
(c)对芯片CTE和外壳CTE相差较大时,用焊料贴片容易因热冲击引起的应力而使芯片产生破损,因此应考虑在芯片与外壳之间增加过渡基板。
(d)应尽量选用无铅焊料,以满足对环保的要求。
(e)要考虑材料的可焊性能,尽量减少使用助焊剂,以防止助焊剂对芯片的污染和环境的污染。
(f)在不采用助焊形式焊接时,常采用在较高温度下的再流焊。
(4)回流焊工艺过程
回流焊工艺是将焊料预制在将要焊接的表面上或采用预制焊件,然后再通过加热等方式将要焊接的元件焊接到焊接面上。
回流焊接工艺过程注意事项:
(a)确定封装元件能允许的最高温度,由此确定回流焊接的峰值温度;
(b)要控制好再流工艺的时间曲线;
(c)在同一基板上有多芯片焊接时,应在基板温度冷却到室温后再进行下一次回流焊接。