Bonding material development at wafer level vacuum packaging for mems devices by transient liquid phase (tlp) method

Abstract

Bu tezde, MEMS cihazlarının sızdırmaz paketlenmesi için pul seviyesinde bağlama malzemesi çalışılmıştır. Çip boyutunda paketleme uzun bir zamandır kullanılıyordu. Çip boyutunda paketlemedeki temel problem düşük verimlilik ve yüksek maliyettir. Pul seviyesinde paketlenmesi, bağlama sürecine uygunluk ve düşük maliyet büyük sebebi ile büyük dikkat çekiyor. Ancak pul seviyesinde paketleme konusu hala problemlidir. Pul seviyesinde paketleme esnasında mikro boyuttaki boşluklar veya verimli olmayan bağlama işlemleri olmaktadır, bu da sızdırmaz paket elde etmeyi zorlaştırmaktadır. Bu problemler yalnızca metalürjinin temel prensipleri kullanılarak çözülebilir. MEMS'lerin paketlenmesi için seçilen metalik sistemlerin paketleme esnasındaki erime ve katılaşmaları iyi şekilde kontrol edilmelidir. Bu çalışmada, iki pul Au-Sn ve Au-In metalik sistemleri kullanılarak birbirine bağlanmıştır. Araştırma maliyetini düşürmek için, gerçek MEMS cihazları kullanılmadan, model-deneme paketleri tasarlanmış ve üretilmiştir. Altlık pul olarak cam, kapak pulu ise silisyum kullanılmıştır.Au Sn paketleme 300°C gerçekleştirilmiştir. Paketleme mekanizması olarak Au-Sn ötektik ve geçici sıvı faz yöntemi (GSF) seçilmiştir. Geçici sıvı faz bağlaması ötektik kompozisyondan ve saf Sn metalinden gerçekleştirilmiştir. Metaller sıçratma yöntemi ve termal buharlaştırma yöntemi ile kaplanmıştır. Yapıştırma katmanlarından Cr, TiW ve Ti farklı tasarımlarda kaplanmış ve onların paketleme üzerine etkisi incelenmiştir. Yapıştırma malzemesinin bağlama metaline olan etkisinin derin bir şekilde SEM/EDS, TEM/EDS ve DSC cihazları ile incelenmesi bir ilktir. Au-Sn sızdırmaz paketleme Cr yapıştırma katmanı ile düşük bir verimlilikte elde edilmiştir. GSF ve ötektik Au-Sn bağlamasıyla 15 MPa değerinden yüksek kesme mukavemeti elde edilmiştir. Au-In bağlaması 200°C gerçekleştirilmiştir. Ti yapıştırma ve Ni bariyer katmanı kullanılmış ve etkileri incelenmiştir. Ti, Ni, ve Au kaplamaları için sıçratma yöntemi kullanılırken, In kaplamaları için elektron ışını ile buharlaştırma yöntemi kullanılmıştır. Güvenilirlik testinde Au-In için makul kesme dayanç değerleri elde edilmiştir. Ni bariyer katmanın yardımı ile sızdırmaz paketleme elde edilmiştir. Bağlamanın sızdırmazlığı için bükülme yöntemi ile test edildi. Üstelik yüksek sıcaklıkta sızdırmazlığı test etmek için bükülmüş olan pul 400°C'ye ısıtıldı ve 10 dakika bekletildi. Bükülmede veya mekanik özelliklerde herhangi bir bozulma gerçekleşmedi.Sonuç olarak, yüksek kesme dayancı ve sızdırmaz paketleme Au-In ve Au-Sn metalik sistemlerle düşük sıcaklıkta başarılmıştır. Bu tez yapıştırma katmanın detaylı karakterizasyonu ile bağlama malzemesi geliştirilmesinde literatüre katkıda bulunmuştur. Ayrıca bu çalışma kısmi olarak Türkiye Bilim ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TUBİTAK) E115E060 projesi kapsamında desteklenmiştir.

In this thesis, wafer level bonding material for hermetic encapsulation of MEMS devices was studied. Chip level packaging has been used for a quite long time. The main problems with this technique are the low efficiency and the high cost. Wafer level packaging has been attracted attention mainly due to an increase in compatibility of the packaging procedure at relatively low cost. Wafer level packaging is still problematic. During wafer level packaging, micro porosities or ineffective bonding may be occurred; so, obtaining hermetic encapsulation becomes difficult. These problems can be solved using basic principles of metallurgy. During bonding process, melting and solidification should be well controlled in metallic systems chosen for MEMS packaging. The two wafers were bonded together using Au-Sn and Au-In metallic systems. In order to decrease cost of the research, dummy packages were designed and fabricated without using real MEMS devices. Glass wafer was used as a substrate wafer and Si wafer was used as a cap wafer. Bonding of Au-Sn was performed at 300°C. The bonding mechanisms selected for Au Sn system were eutectic and TLP bonding. TLP bonding was generated from eutectic composition and pure Sn metal. Metals were deposited using sputter and thermal evaporator. Adhesion layers such as Cr, TiW, or Ti were deposited with various designs and their effect on bonding quality was investigated. It is the first time that the effects of adhesion layer on bonding metal was examined deeply by using scanning electron microscope / energy dispersive spectroscopy (SEM/EDS), transmission electron microcopy (TEM/EDS) and differential scanning calorimetry (DSC) tools. Au-Sn hermetic bonding with low yield was obtained using Cr as the adhesion layer. Shear strength of TLP and eutectic Au Sn bonding was obtained higher than 15 MPa.Au-In bonding was performed at 200°C. Ti as an adhesion layer and Ni as a barrier layer were used and their effects were studied. While the sputter system was used in order to deposit Ti, Ni and Au metals, e-beam evaporator was conducted for In deposition. In the reliability test, reasonable mechanical properties were observed for Au-In. With the help of Ni barrier layer, hermetic encapsulation was obtained. Hermeticity of the bonding was tested by the deflection method. Furthermore, the bonded and deflected wafer was heated to 400°C for 10 minutes to test hermeticity at high temperature. There was no degradation in either hermeticity or mechanical property.In conclusion, Au-In and Au-Sn metallic bonding were succeeded with hermetic and high strength features at low temperature. This thesis contributed to the literature in terms of both the detailed examination of bonding material development and characterization of adhesion layer effect. In addition, this study was partially supported by the Turkish Scientific and Technical Research Council- TÜBITAK (Project Number E115E060).