基于玻璃-硅復合基板的微系統圓片級三維封裝

蘇兆喜，邢朝洋，羅 斌，汪子及，梁棟國，尚金堂

（1.東南大學，南京210096；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）是集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源和微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統。基于結構的特殊性，MEMS器件大多對氣密性有著強烈的要求。同時，隨著MEMS器件追求更小的尺寸、更高的集成度，傳統封裝體積大、功耗高、成本高、可靠性低，已經不能滿足要求。因此，系統級的三維（3D）封裝技術已經成為電子產品高度集成化、微型化、多功能化形勢下的必然趨勢［1］。而基板是層與層之間、層與襯底之間上下堆疊互聯的介質，是實現高密度的三維系統級封裝的關鍵。

三維封裝的典型方式可被分為埋入式和堆疊式。埋入式是將器件或芯片埋入到基板內層中，然后通過層壓或再貼裝芯片，構成三維封裝；堆疊式是在層與層之間、芯片與芯片之間等通過垂直通孔或引線互聯進行上下堆疊，實現三維封裝［2-3］。埋入式和堆疊式的核心封裝組件都是基板，均通過基板形成層與層之間的互連。目前，基板互連技術主要基于硅通孔技術（Through Silicon Via，TSV）和玻璃通孔技術（Through Glass Via， TGV）兩種方式［4-5］。TSV的主要材料是硅，可與集成電路工藝完美對接，并且與硅芯片的熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）完美匹配，不會產生熱應力問題。同時，硅材料優良的導熱性能使得采用TSV技術的三維封裝具有良好的散熱性能。但是，硅材料的半導體特性使其不可避免地會產生寄生電容，導致信號間的耦合和串擾。這種情況在高頻下尤其突出，因此必須對TSV進行絕緣處理，這便增加了工藝難度和制造成本［6-7］。基于TGV技術的基板的主要材料是玻璃，它具有許多優良的特性，如高電阻率帶來的良好的絕緣性、與硅相近的CTE使熱失配問題可以忽略不計、良好的光學性質等。這些優勢使其在集成電路及近年來不斷受到關注的片上光電混合集成封裝領域中具有巨大的應用潛力，因而其受到了許多學者的關注［8-9］。目前，對TGV的填充主要基于金屬沉積工藝和玻璃回流工藝兩種。玻璃回流工藝具有明顯的優勢，其可以利用工藝成熟的硅加工工藝制作硅模具，得到具有精確形貌的TGV襯底。同時，利用玻璃回流工藝也能夠在玻璃基板上對實現片上光電互連混合封裝的關鍵結構（如用于光纖固定耦合封裝的U/V型槽陣列）的圓片級制備。

基于玻璃回流工藝，本文對應用于微系統3D封裝的玻璃-硅復合基板進行了研究，制作了埋入式MEMS器件電極及3D圓片級封裝原型，將MEMS器件與封裝集成到了一起，大大簡化了工藝步驟，使器件的制作和封裝不再需要單獨進行。以具有良好導電率的高摻雜硅作為TGV的填充物，則不需要再進行金屬化填充。通過陽極鍵合工藝將基板與玻璃封裝帽進行鍵合，可實現器件的氣密性封裝。同時，進一步設計出了利用玻璃回流工藝在玻璃轉接板上制備用于光纖陣列對準耦合的U型槽的方案。最后，對回流工藝及封裝效果進行了研究和分析。

1 設計和制造

1.1 設計

圖1是利用玻璃-硅復合基板進行微系統圓片級三維封裝的概念圖。微系統封裝體主要由封裝帽、玻璃-硅復合基板、MEMS器件及平面光波導U型槽陣列組成。MEMS器件可以裝配在復合基板上，通過基板上的TGV通孔進行電連接，實現與集成電路的集成。TGV及平面光波導U型槽陣列的制作是通過深反應離子刻蝕（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）高導硅模具，然后通過回流工藝填充得到的。圖2為單模光纖陣列與玻璃基板上集成的平面光波導進行對準耦合封裝的示意圖，SMF-28單模光纖陣列裝配在玻璃基板上制備的U型槽陣列中。通過合理設計U型槽的尺寸，使其與單模光纖包層外徑相匹配，使得U型槽在5個維度上均對光纖進行了位置的限定及對準，從而實現了單模光纖與玻璃基板上集成光波導的低損耗端面耦合。

圖1 采用新型玻璃-硅復合基板的3D集成封裝概念圖Fig.1 Concept diagram of 3D integrated packaging using a new Glass-Silicon composite substrate

TGV表面經濺射或蒸發一層金屬薄膜而成為電連接的金屬盤，金屬盤將MEMS器件的電極與其進行引線鍵合而實現電連接。將玻璃-硅復合基板與玻璃封裝帽在真空下鍵合，密封MEMS器件及平面光波導陣列，以實現微系統的三維封裝。

圖1所示僅為一個封裝體的概念圖，一個圓片上可以有多個此種相同的封裝體，以實現批量化的圓片級封裝。該種封裝方式不僅可以封裝傳統的平面MEMS器件（如麥克風傳感器、加速度計等），更可以實現對三維MEMS器件（如微半球諧振陀螺）的圓片級封裝。

圖2 U型槽陣列實現單模光纖陣列與玻璃基板上光波導的耦合封裝Fig.2 Coupling and packaging of single mode fiber array and planar lightwave circuit on glass substrate through fabricated U-groove array

1.2 工藝過程

采用復合基板進行圓片級三維封裝的工藝過程主要包括3個部分：1）玻璃-硅復合基板的制作；2）封裝帽的制作；3）復合基板與封裝帽的鍵合。

該微系統封裝的工藝步驟如圖3所示，具體包括：

1）在硅圓片上旋涂一層光刻膠，光刻出特定的圖形作為MEMS器件的電極、垂直通孔、U型槽陣列等的掩膜，所采用的硅圓片為厚度為625μm的4英寸＜100＞晶向P型高導硅。

2）DRIE刻蝕出微腔，在腔內形成電極、硅圓柱（用于垂直電引出）、U型槽陣列的硅柱模具等微結構。

3）將玻璃片與刻蝕后的硅圓片鍵合以密封微腔。鍵合過程采用陽極鍵合工藝，其具有鍵合強度高、氣密性好、對鍵合片表面粗糙度要求低等特點。

4）將鍵合片放入加熱爐中，保持爐內溫度高于玻璃軟化點。在此過程中，軟化的玻璃在腔內外氣壓差的作用下回流進微腔內包裹起電極、硅柱等微結構，然后將填充好的回流片進行退火處理。

5）通過減薄研磨去掉回流片上表面的玻璃層和下表面的硅層，并進行化學機械拋光（CMP）處理，最終得到制作完成的玻璃-硅復合基板。

6）在基板上的硅柱和電極表面濺射一層金屬層，并通過引線鍵合將MEMS器件與其進行連接。

7）將玻璃片與硅片鍵合，利用發泡法［10］得到帶有蓋帽圓片的玻璃-硅鍵合片。

8）將鍵合片置于濃度為25%的TMAH（四甲基氫氧化銨）溶液中，采用90℃的水浴加熱腐蝕去掉硅襯底，得到蓋帽圓片。TMAH對硅片的腐蝕速率約為100μm/3h，整個腐蝕過程約需 15h（對于500μm 的硅片）。

9）將步驟（8）得到的蓋帽圓片與步驟（6）得到的玻璃-硅復合基板在真空環境下進行第二次鍵合，完成對MEMS器件和U型槽陣列的微系統級封裝。

其中， 步驟（1）～步驟（6）為玻璃-硅復合基板的制作過程，步驟（7）～步驟（8）為封裝帽的制作過程， 步驟（1）～步驟（9）依次對應圖 3（a）～圖 3（i）。

圖3 封裝工藝流程圖Fig.3 Fabrication process of packaging

1.3 回流過程

玻璃回流的原理是：在高溫條件下，玻璃在達到軟化點后在內外壓差的作用下被填充進預先刻蝕出的腔室［11］。回流工藝的一個重要參數是填充率，填充率指的是回流進微腔的玻璃體積與微腔體積之比，用來表征填充程度。填充率對回流片的性能有兩個影響，一個是基板的有效厚度，另一個是封裝的氣密性。玻璃回流進微腔的示意圖如圖4所示，玻璃回流會經過兩個階段，第一個階段是圖4（a）所示的回流玻璃還沒有到達腔底端的情形，第二個階段是圖4（b）所示的回流繼續進行并已經接觸到腔底端的情形。在圖4中，H為待回流微腔的深度；h為回流玻璃的深度；W為回流微腔的寬度；R是回流玻璃與微腔壁面的分離點距離玻璃界面底部的深度；回流玻璃在接觸到腔底后，在內外壓力和重力作用下慢慢向兩側填充，用L表示此時剩余未填充空隙的寬度。如果回流不充分，填充率較低，則會形成如圖4（a）所示的情形，那么回流深度h即是指基板在經過上下兩面減薄后剩余的有效厚度。若h很小，會造成微腔的側壁與玻璃的不完美粘結，產生漏氣的可能，導致封裝的漏率增大，甚至完全不能達到氣密封裝的效果。

為了了解玻璃回流的填充特性，本文研究了不同回流時間對填充率的影響。回流所用的玻璃為肖特Borofloat?33硼硅玻璃，其溫度特性及其在不同溫度下的粘度如表1所示［12］。該玻璃的軟化點為820℃，實驗中的回流溫度采用了略高于軟化點的850℃。本文共設置了3組實驗，變量為微腔的寬度W（分別約為80μm、150μm、300μm）和回流時間t（分別為 0.5h、 1h、 2h、 3h）， 其余參量則完全相同［13］。圖5是3組實驗中的第 2組（W≈150μm）在不同回流時間條件下的填充腔室的橫截面。通過顯微鏡自帶刻度標記出了3組實驗中H、h、W、R、L等各個參數的測量值，測量結果如表2所示。

圖4 回流示意圖Fig.4 Schematic diagram of reflow process

表1 Borofloat?33的溫度和粘度特性Table 1 Temperature and viscosity characteristics of Borofloat? 33

圖5 850℃下微腔寬度W≈150μm時不同回流時間條件下的微腔橫截面顯微圖Fig.5 Cross-section micrographs of microcavities with different reflow times at 850℃ when W≈150μm

表2 不同微腔寬度和回流時間條件下的回流填充結果Table 2 Reflow fill results for different microcavity widths and reflow times

2 結果與分析

2.1 回流結果及分析

文獻［13］提出了一種近似計算填充率的模型，該模型將以R與W/2為直角邊的三角形近似劃入未被玻璃填充的區域，由此得到填充率的表達式為

其中， 式（1）適用于圖 4（a）的情形， 式（2）適用于圖4（b）的情形。將表2的測量結果帶入上述公式，可計算出本實驗中微腔的填充率。圖6是根據表2的結果得出的微腔填充率隨回流時間變化的關系。

由圖6可知，微腔寬度W對回流速度的影響明顯。W越大，回流速度越快，回流玻璃填滿微腔的時間越短，在回流前期這種影響尤其明顯。當回流時間為0.5h時，寬度為313μm的微腔的填充率為98.6%，寬度為159μm的微腔的填充率為65.5%，寬度為85μm的微腔的填充率為47.1%。這是由于微腔寬度越大，回流玻璃與微腔側壁的粘附力與腔內外壓差相比越小，對回流的阻滯作用越小，向下回流的速度就越快。從圖6還可以看出，回流時間對回流速度的影響也非常明顯。回流速度在前期較快，在后期明顯變慢。針對本實驗的3種微腔寬度，達到50%的填充率所需的時間不超過0.5h，而將微腔完全填滿則需要約3h，即后面2.5h的平均填充速度只有前面0.5h的1/5。從圖5也可以看出，回流玻璃在約0.5h時到達微腔底部，在到達底部后經過約2.5h才最終完全將微腔填滿。針對這種情況，文獻［14］提到，回流玻璃一旦接觸到空腔底部，由內外壓差帶來的壓力會急劇減小，回流速度即變慢，此時對應圖4（b）所示的情形。因此，可以認為完全填充不同回流深度h的微腔所需的時間差別不大，因為完全填充微腔所需的時間主要取決于回流玻璃到達微腔底部之后經歷的時間。

圖6 不同微腔寬度的填充率與回流時間的關系Fig.6 Relationship between filling rate and reflow time of differentmicrocavity widths

2.2 封裝結果及分析

圖7給出了采用玻璃-硅復合基板進行封裝的實物照片。本實驗在1個圓片上做了4個封裝腔室，為每個腔室設計了20個垂直電極用來進行電引出。前面提到，當回流深度h很小時，會造成微腔的側壁與玻璃的不完美粘結，產生漏氣的可能，導致封裝的漏率增大甚至完全不能達到氣密封裝的效果。由于經DRIE刻蝕或濕法腐蝕之后的硅微腔側壁是不光滑的，因此高溫回流的玻璃在附著在側壁上后，會形成高強度的結合界面。圖8給出了經研磨后復合基板硅和玻璃結合處的顯微照片。 圖8（a）和圖8（c）分別是Ⅰ號腔室的正反面，圖8（b）和圖8（d）分別是Ⅱ號腔室的正反面。從圖8可以看出，正面界面處結合較好，而反面界面處則有縫隙，說明沒有結合。如果回流深度較淺，這種沒有結合的地方就非常容易出現漏氣現象，嚴重影響封裝的氣密性。因此，對于界面處的結合情況進行表征是非常必要的。

圖7 封裝實物圖Fig.7 Packaging physical map

圖8 研磨后的玻璃-硅基板回流側壁處的顯微照片Fig.8 Photomicrographs of reflowed sidewall of the polished Glass-Silicon substrate

經減薄拋光后的復合基板的厚度為293μm，本文對該基板的硅-玻璃界面結合強度進行了表征。如圖9（a）所示，以硅-玻璃結合界面處為中心線，在兩側施加壓力以進行破壞性測試，結果顯示基板沒有沿界面處發生斷裂。圖9（b）是玻璃-硅界面處的垂直截面圖。圖9（c）是對圖9（b）進行破壞性測試的結果。在4次斷裂破壞實驗中，第4次實驗的斷裂面發生在玻璃-硅界面處，而其余3次均沒有在界面處發生斷裂，這說明界面處的結合強度達到了一定要求。

圖9 玻璃-硅復合基板破性壞實驗Fig.9 Destructive experiment of Glass-Silicon composite substrate

復合基板與封裝帽圓片的鍵合強度也會對封裝的氣密性產生影響，而影響鍵合強度的一個重要參數是圓片的粗糙度。為了確定復合基板的鍵合效果能夠達到要求，測試了拋光后基板的表面粗糙度，結果顯示拋光后基板的表面粗糙度Ra為0.93nm，滿足鍵合和封裝要求。

3 結論

本文利用玻璃回流工藝，驗證了一種基于新型玻璃-硅復合基板的微系統圓片級三維封裝技術。在基板上制作了MEMS器件的電極和用于光纖與基板集成平面光波導對準耦合封裝的U型槽等微結構，利用該方法驗證了玻璃基板的光電混合封裝技術。對使用回流工藝制備的玻璃-硅復合基板的結合強度和表面粗糙度進行了表征測試，結果表明其可以滿足封裝氣密性的要求，是一種易于實現且頗具應用前景的微系統三維封裝方法。