1 引言

圆片级封装是一种新型的半导体和光电器件封装形式，利用这种工艺进行封装时，制备了器件及其外引出端的圆片直接和制备了包封体的圆片键合，然后切割分离成单个独立器件，既回避了常规封装的Pick&Place（拾取-放置）工艺过程，又极大地提高了封装的生产效率。圆片级封装技术具有封装尺寸小、连接密度高、成本低、可靠性高等优点。因此圆片级封装受到了广泛的关注，成为目前封装领域研究的一个重要的方向 [1]。

实现圆片级封装的技术重点和难点在于封盖和基底两圆片的键合。为了能使圆片键合后形成封装的可靠性得到保证，两键合圆片间必须达到足够的键合强度，同时在一定的工作条件下还要满足相应的键合质量要求，比如气密性和环境兼容性等方面的要求。只有在满足圆片键合强度和键合质量的前提下，圆片级封装才具有实用价值并进入商业应用。因此，圆片键合的研究对提高IC和MEMS器件的封装可靠性和生产效率都有重要的意义。

Si圆片与Si圆片的键合是目前圆片键合研究的一个主要内容，直接Si-Si键合需要在900～1100℃的高温下进行，但是如此高的温度对器件是非常不利的，而且键合后的残余热应力将极大影响器件的可靠性。

如何在不影响键合强度的前提下实现低温键合，是目前国内外研究的一个重点。尽管国外一些科技工作者从多方面入手，开展了一些研究工作，取得了一定的成果，但是还远没有到实用化的工艺水平。直接键合已经证明实用价值不高，而表面活性技术（SAB，surface activated bonding）的出现，在一定程度上解决了这个问题。表面活性键合技术使用特殊的物理化学方法处理待键合的表面，提高其表面活性能，从而实现圆片的直接键合。Taek 等人，利用等离子方法进行表面活性键合[2]，使硅与砷化钾圆片在200℃左右键合成功，而D. Resnik 等人采用湿法化学表面活性处理后，在温度为200℃时，键合强度达到了12MPa [3]。

但是表面活性键合对键合圆片的表面质量要求比较高，通常在进行活性处理前的硅圆片表面粗糙度R as要求在0.2nm左右[4]，这对已经制作好器件的圆片来说是很难保证的。

与此相反，使用中介层键合的方法对键合表面质量不很敏感。目前键合玻璃类中介层键合能够得到比较好的键合质量，通过调整玻璃的组成成分和含量，可以使其CTE（热膨胀系数）与硅十分接近，因此可以避免因为CTE失配引起的热应力，以此种玻璃（如Pyrex7440）为键合中介，将其沉积到待键合的两片硅圆片中的一片，并在键合时加一定的温度和电压，可以在较低的温度下实现Si-Si圆片键合 [5]。

基于玻璃中介键合的优点，本文使用了玻璃转换温度（Tg＝410℃）较低的玻璃材料作为键合中介层，以离心旋转的方法在硅圆片上形成均匀玻璃层，在比较低的温度430℃下实现了Si-Si圆片键合，并且取得了合适的键合强度。

2 试验

2.1 试验装置

为了能在比较低的温度下键合成功，试验使用了硼酸盐玻璃粉末，其玻璃转换温度的400℃。键合的Si圆片为n型，厚度≥510μm，电阻率3Ω·cm，晶向<100>。键合装置为HS-1型键合试验机，温控精度±3℃，其试验装置示意如图1所示。键合强度的测试使用了华中科技大学微系统中心研制的六轴微样件测试仪，其测量运动精度 0.1μm，测力分辨率3mN。对失效键合样件使用了电子扫描显微镜（SEM）观察其失效界面的表面形貌。

2.2 键合流程

（1）清洗硅片：硅片使用标准RCA清洗，去除表面的污染物，并使键合硅片表面得到亲水的性质。

（2）涂附玻璃层：单纯的玻璃粉末很难在硅片表面形成键合需要的均匀玻璃薄膜层。因此使用无水乙醇将其调配成稀糊状，以方便使用离心旋转的方法将其均匀涂附到硅片表面上。

（3）加热键合：将一块涂附了玻璃层的硅片和另一块清洗干净的硅片对准，放置在键合试验机的加热板上，施加压力，开始加温键合。当温度达到设定的键合温度时，保持30min。为了掌握键合温度对键合强度的影响，进行了5种温度条件下的键合试验。

（4）冷却：因为玻璃层和硅片的CTE不一致，所以冷却速度太快会产生比较大的残余热应力。因此键合完成后控制键合试验机以缓慢的速度降温以避免热应力的产生。整个降温的曲线过程如图2所示，图中键合温度430℃和410℃的降温曲线出现拐点是因为通了压缩空气以缩短降温时间。

键合后的硅片被分割成5mm×5mm的样件，利用六轴微样件测试仪对样件进行键合强度的测试。首先将小样件用粘接剂粘到夹具上，再将夹具用螺钉固定到测试仪的拉杆上，最后利用测试仪对样件施加正向的拉应力测试。测试的目的是要得到样件键合后抵抗垂直于键合面拉力的能力，当键合样件在拉力作用下出现破损失效时，其键合强度为

式中Fmax为使键合样件出现破损的拉力， S为有效键合面积。

3 结果与讨论

从测试的结果看来，在键合温度350℃时，基本上键合不成功。当键合完成，温度降低到室温时，发现两硅片之间基本上没有键合力，非常轻微的外力就可将两硅片分开。观察样件的表面，发现样件表面上除了一些不规则的大颗粒粗糙玻璃晶体外，基本上和键合前没有太大的区别。

当键合温度达到370℃时，键合样件开始有一定的键合强度。当正向拉力载荷Fmax＝40.52N时，两微小样件被完全拉开，根据式（1），此时的键合强度 σmax＝1.62MPa。观察图4样件断裂的表面显微图，键合样件在承受较大正应力后断裂失效，玻璃和硅层产生了分层剥离的现象，硅层和玻璃层的界限比较明显，这说明此时的键合还没有使玻璃和硅片分子相互渗透，形成强力键合。

当键合温度为390℃时，拉开键合样件后发现，一些细碎的硅晶粒从键合硅片中拉出(如图5所示)，可见此时键合界面的局部有一些强力的键合。此时Fmax=73.26N,故键合强度σ max＝2.93MPa。

键合温度提升到410℃，此时键合样件拉开后已经产生了明显的脆性断裂，如图6所示，明亮的鱼鳞状规则裂纹是脆性断裂的典型图样。说明此时已经产生了大面积的强力键合。此时Fmax ＝95.50N键合强度σmax＝3.82MPa。

当键合温度提高到430℃时，发现此时六轴微样件测试仪无法将其拉断，因为测试仪的最大拉力为100N，所以此时的键合强度应该超过了4MPa。对键合样件的横截面进行SEM观测后发现，此时硅片层已经向玻璃层进行了大面积渗透（如图7所示），这也就是键合能成功的原因。

4 结论

玻璃中介键合是实现玻璃圆片键合的有效手段。本文利用转换温度较低的玻璃粉末，实现了低温条件下的硅圆片键合。

从键合结果看来，键合温度低于350℃无法键合成功，而370-410℃时即能得到强度较好的键合。当键合温度超过430℃时，键合强度超过4MPa，这样的强度应用于一般电子器件的封装是完全足够的。