BCB 鍵合層空洞對界面熱阻的影響

郭懷新,王瑞澤,吳立樞,孔月嬋,陳堂勝

(南京電子器件研究所 微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室,江蘇南京 210016)

隨著半導(dǎo)體器件向著系統(tǒng)化、集成化、大功率、小型化和多功能化方向發(fā)展,電子元器件的功率特性也急劇增大,進(jìn)而元器件內(nèi)部的熱流密度不斷增加,使元器件內(nèi)部的工作溫度不斷升高,這種熱效應(yīng)導(dǎo)致元器件的性能及可靠性嚴(yán)重下降。研究表明電子元器件約55%的失效與損壞主要是由電子元器件內(nèi)部過熱及與熱相關(guān)的可靠性問題引起的。因此,元器件的散熱能力越發(fā)重要。晶圓級鍵合作為元器件封裝重要的環(huán)節(jié),其鍵合質(zhì)量和介質(zhì)材料都嚴(yán)重影響著器件的散熱能力[1-5]。尤其中間層以粘結(jié)鍵合為主的硅-硅圓片級封裝的MEMS 器件中,芯片散熱路徑嚴(yán)重受中間粘結(jié)層的鍵合質(zhì)量影響。在MEMS 圓片級封裝中,中間層粘結(jié)鍵合是通過介質(zhì)層將兩硅片進(jìn)行粘結(jié),其中較為常用的方式有共晶鍵合和苯并環(huán)丁烯(Benzo-Cyclo-Butene,BCB)鍵合。BCB 材料具有低的介電常數(shù)和優(yōu)良的熱學(xué)、化學(xué)、力學(xué)穩(wěn)定性,可以實現(xiàn)硅襯底、玻璃襯底等多種材料基底間的有效鍵合,最重要的是BCB 材料對鍵合襯底表面粗糙度和平整度要求較低,已成為目前圓片級鍵合的常用有機粘結(jié)材料[2-10]。然而微機電系統(tǒng)的實際鍵合工藝比較復(fù)雜,在晶圓級鍵合過程中,受鍵合工藝、襯底表面形態(tài)及環(huán)境等因素的影響,界面層質(zhì)量難以達(dá)到理想狀態(tài),不可避免地出現(xiàn)因氣泡、雜質(zhì)、應(yīng)力等因素引起的空洞及缺陷情況,這些空洞及缺陷對界面的導(dǎo)熱起到極大的阻礙作用,對器件整體散熱造成較大影響[1,4-5,10-13]。……