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)

隨著半導體器件向著系統化、集成化、大功率、小型化和多功能化方向發展,電子元器件的功率特性也急劇增大,進而元器件內部的熱流密度不斷增加,使元器件內部的工作溫度不斷升高,這種熱效應導致元器件的性能及可靠性嚴重下降。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部過熱及與熱相關的可靠性問題引起的。因此,元器件的散熱能力越發重要。晶圓級鍵合作為元器件封裝重要的環節,其鍵合質量和介質材料都嚴重影響著器件的散熱能力[1-5]。尤其中間層以粘結鍵合為主的硅-硅圓片級封裝的MEMS 器件中,芯片散熱路徑嚴重受中間粘結層的鍵合質量影響。在MEMS 圓片級封裝中,中間層粘結鍵合是通過介質層將兩硅片進行粘結,其中較為常用的方式有共晶鍵合和苯并環丁烯(Benzo-Cyclo-Butene,BCB)鍵合。BCB 材料具有低的介電常數和優良的熱學、化學、力學穩定性,可以實現硅襯底、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材料[2-10]。然而微機電系統的實際鍵合工藝比較復雜,在晶圓級鍵合過程中,受鍵合工藝、襯底表面形態及環境等因素的影響,界面層質量難以達到理想狀態,不可避免地出現因氣泡、雜質、應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]。因此,研究BCB 界面層質量對界面熱阻的影響對器件整體散熱能力分析有極大意義。

然而,針對微機電系統中硅-硅、硅與半導體器件、半導體器件與半導體器件等一系列的圓片級封裝鍵合界面熱阻的表征技術,目前,國內外未見有效的分析途徑和統一的測試方法。因此,本文基于硅-硅圓片級封裝的BCB 粘結鍵合結構,通過構建含界面層的三層結構測試試樣的熱阻網格化計算模型,結合超聲掃描和激光閃射法測試技術實現鍵合界面質量和熱阻的系統分析。首先,利用聲掃法對BCB 鍵合的界面質量測試,定性地評估空洞含量;其次,采用激光閃射法測試不同界面層厚度和空洞含量對界面層熱擴散率的影響;最后,結合數值計算法,定量計算評估界面熱阻。

1 界面熱阻測試和計算原理

為解決電子元器件應用中微機電系統在晶圓級鍵合過程中的界面層熱阻精確表征問題,本文通過含鍵合界面層及鍵合基材的三層熱阻網格化結構的設計假設,構建鍵合界面熱阻計算方法,并結合激光閃射法的測試技術實現鍵合界面熱阻的精確分析。

1.1 激光閃射法的測試原理

激光閃射法是目前公認準確地直接測量固體材料熱擴散系數的方法,其原理是在規定厚度薄圓片狀試樣的下表面施加一個具有一定脈沖寬度的瞬態激光脈沖,使其表層吸收激光束能量后溫度瞬間升高,此表面作為熱端將能量(熱能)以一維導熱形式向上表面(冷端)傳遞,上表面則用紅外檢測器連續測量試樣上表面中心部位相應的溫升過程[6-7]。再由傅里葉定律可得出試樣上表面溫度隨時間的變化關系,即公式(1)所示:

式中:Q為激光脈沖能量;L為試樣的厚度;ρ為材料密度;C為材料比熱;α為材料的熱擴散系數;t為時間。當時間t→∞,試樣上表面(冷端)溫度則達到最大值,傅里葉定律即可簡化為:

通過公式(2)可求得半峰寬時間t1/2,然后再依據傅里葉傳熱方程可得到待測材料的熱擴散系數,其原理是利用公式(3):

在實際測量過程中由于試樣表面或徑向的輻射散熱、邊界熱損耗、表面涂覆導致的能量透射或深層吸收以及脈沖寬度等因素影響,使得測試環境難以實現假設的理想條件,在測試過程中針對測試模式選用適當的數學模型進行計算修正,進而增加測試精度。

1.2 界面熱阻的計算原理

本文假設BCB 鍵合界面層的熱傳遞方式為固體導熱機制,其熱阻表征為界面層對熱流傳導的阻礙能力,與界面層導熱路徑尺寸、通過的截面面積及材料的導熱系數等因素有關,其表達式為[6-9]:

式中:R為熱阻;A為截面面積;L為試樣的厚度;λ為材料的熱導率。而熱導率則可由熱擴散系數求得:

因此,通過激光閃射法求得熱擴散系數,進而求得待測試樣熱阻。

依據測試得到的試樣熱阻,結合試樣的結構,構建晶圓級鍵合界面熱阻的網格化計算模型,依據激光閃射法測試原理,假設熱傳遞為一維串聯傳熱,結合測試試樣,熱輸運模型如圖1 所示,可進行鍵合層界面熱阻的提取。針對Si-BCB-Si 晶圓片的熱阻結構,通過激光閃射法測試得到晶圓片整體的熱擴散系數,結合公式(5),計算求得晶圓片整體的熱阻R為:

圖1 鍵合界面熱阻網格化計算模型Fig.1 The grid calculation model for thermal resistance of bonding interface

式中:Rdow和Rup分別為兩層Si 晶圓的熱阻;Rtbr為BCB 鍵合層界面熱阻。因Si 鍵合晶圓材料的熱導率、厚度和截面面積都是已知參數,Rdow和Rup可以由公式(4)直接求得。結合測試計算得到的Si-BCB-Si 晶圓片整體的熱阻R,再利用公式(6)和公式(4),可計算求得Si-BCB-Si 鍵合層界面熱阻Rtbr。該方法有效實現了Si-BCB-Si 結構的鍵合界面熱阻精確分析。

2 試驗

2.1 Si-BCB-Si 結構圓片級鍵合工藝

采用聚合物介質的鍵合工藝途徑,晶圓的Si 晶片直徑尺寸為76.2 mm,厚度為480 μm,將兩硅晶片經過丙酮以及酸清洗,去除表面影響鍵合質量的潛在因素,隨后在其中一片硅片正面旋涂BCB,然后將硅片放入烘箱進行預烘,溫度為120 ℃,時間為30 min,然后將兩片硅片正面相對貼合在一起,放入鍵合機中,鍵合溫度為250 ℃,保持時間為1 h,鍵合完成后溫度自然冷卻降至室溫后取出。本文試驗制備了2 組不同BCB 界面層厚度的試樣,界面層厚度分別為40 nm 和100 nm。

2.2 界面質量及熱特性評估技術

將制備好的直徑為76.2 mm 的Si-BCB-Si 結構晶片進行表面等離子水超聲清洗,防止試樣表面對界面測試的影響,BCB 鍵合界面質量的表征是利用超聲掃描顯微鏡技術,采用PVA Tepla 超聲掃描顯微鏡(型號:SAM300,德國)測試評估鍵合層空洞分布情況,測試采用110 MHz 換能器,圖像分辨率達到15 μm。

為了研究BCB 鍵合界面層傳熱性能及其鍵合質量對傳熱特性的影響,將兩組Si-BCB-Si 結構晶片按空洞分布從無到多定性設計,制備成尺寸為Φ(12.65±0.05) mm 的圓片試樣,并利用激光閃射法進行測試分析,采用激光熱分析儀(型號LFA447)對圓片試樣進行熱擴散率的測試,測試采樣時間為30 μs,采樣點數為2000 個,儀器的熱擴散系數本征測試精度為±3%。

3 結果與分析

圖2 為兩組Si-BCB-Si 鍵合界面層超聲掃描顯微鏡的測試結果,表明兩組不同厚度的鍵合層均存在形態、尺寸不一的空洞(圖中白色區域)?？斩闯叽鐝膸资⒚字潦畮缀撩?其形態大多數偏向于圓形,主要易形成于晶片的中間區域和邊緣區域。中間區域空洞形成的原因主要是在BCB 實際鍵合過程中,由于工藝、氣氛環境和襯底表面粗糙度及平整度等原因,導致在鍵合過程中兩晶片鍵合層存在殘余氣泡或固態顆粒,難以及時排出進而形成空洞;而邊緣區域空洞形成的原因主要是由于鍵合過程中引入的殘余應力導致,尤其是熱應力。同時由圖2 的測試結果發現,BCB 鍵合層厚度為100 nm 的界面質量整體優于鍵合層厚度為40 nm 的界面質量,且中間區域的空洞尺寸整體上偏小,這主要是由于在鍵合過程中,BCB 鍵合層越厚,受上下晶片表面粗糙度和平整度影響越小,也越有利于氣泡的排除,形成高質量的界面層。

圖2 BCB 鍵合界面層的超聲掃描顯微鏡測試結果。(a) BCB 界面層厚度40 nm;(b)BCB 界面層厚度100 nmFig.2 The SAM results of BCB bonding interface layer.(a) BCB bonding layer thickness of 40 nm;(b)BCB bonding layer thickness of 100 nm

同時,將兩組晶片按空洞分布密度制備成直徑為(12.65±0.05) mm 的8 個測試試樣,如圖3 所示,BCB 鍵合層為40 nm 厚的為1 組試樣,鍵合層厚度為100 nm 為另1 組試樣,分別表示為a～d 編號的4 個試樣和e～h 編號的4 個試樣,其空洞密度由大至小,定性分為高密度、中密度、低密度和無空洞,其中試樣d 和h 均無空洞(在儀器15 μm 分辨率的情況下)。8 個試樣的熱擴散率測試結果如圖4 所示,測試溫度為(25±1) ℃,可以看出40 nm 界面層厚度的試樣熱擴散率(圖中:▲)整體高于100 nm 界面層厚度的熱擴散率(圖中:○)。依據熱阻和熱擴散率的關系公式(3)～(5),并結合構建的鍵合界面熱阻的網格化計算模型,計算得到的各結構界面熱阻值如表1所示。

圖3 (a～d)40 nm 鍵合厚度和(e～h)100 nm 鍵合厚度下不同空洞密度熱測試試樣的超聲掃描顯微鏡測試結果。(a,e)高密度;(b,f)中密度;(c,g)低密度;(d,h)無空洞Fig.3 The SAM results of thermal test samples with different cavities densities at (a-d) 40 nm and (e-h) 100 nm bonding thickness.(a,e) High density;(b,f) Medium density;(c,g) Low density;(d,h) No cavities

圖4 不同空洞含量試樣的熱擴散率測試結果Fig.4 The results of thermal diffusivity of samples with different cavities

從表1 可看出基于BCB 鍵合介質的界面熱阻整體在10-6m2K/W 數量級,且空洞對BCB 界面熱阻的影響極大。對于鍵合介質厚度為40 nm 的BCB 界面層,a、b 和c 試樣的界面熱阻分別是無空洞試樣d 界面熱阻的2.5,2.4 和2.0 倍,表明界面層若含微米級以上的空洞,將使界面熱阻直接增大,而界面所含空洞的密度對界面熱阻也成正比的影響。同時,這種影響還和鍵合界面層厚度息息相關,對比鍵合介質厚度為100 nm 時的BCB 界面層,不同空洞密度的e、f 和g試樣的界面熱阻分別是無空洞試樣h 界面熱阻的1.5,1.3 和1.2 倍,表明界面層越厚,界面熱阻受空洞的影響越小。這可能是因為界面層的空洞并非直接貫穿整個界面層,而是僅僅包裹于界面層中某一區域(厚度方向),因而,鍵合界面層越厚,空洞對界面熱阻的影響越小。但鍵合界面層越厚,其本征界面熱阻值將增大,如表1 中試樣h 的界面熱阻是試樣d 的2.3倍,較符合理論值的2.5 倍,其理論值由公式(5)和鍵合介質材料的理論參數計算得出。

表1 不同空洞含量試樣的界面熱阻計算結果Tab.1 The results of thermal boundary resistance of samples with different cavities

3 結論

本文利用超聲掃描顯微鏡定性分析了BCB 鍵合層的界面質量及空洞情況,通過激光閃射法并結合數值計算定性分析了空洞對BCB 鍵合界面層熱阻的影響,同時研究了鍵合層厚度對這種影響的作用。結果表明Si-BCB-Si 結構的圓片級鍵合易產生因工藝環境和試樣表面特性等因素導致的空洞,空洞嚴重影響了BCB界面熱阻,限制了鍵合層的熱傳遞能力。在無空洞的情況下,BCB 的界面熱阻在10-6m2K/W 數量級,而空洞直接導致界面熱阻的翻倍,且隨著空洞密度的增多,熱阻增大。同時該影響隨界面層的厚度增大而減小,測試得到的熱阻與界面層厚度成正比關系,其變化規律符合理論計算值。因而可通過控制BCB 鍵合過程的空洞密度及界面層厚度,減少界面熱阻,提高鍵合質量。本文研究對MEMS 系統熱管理和熱設計提供了理論指導和試驗依據。