三维集成玻璃基板材料的键合技术研究

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三维集成封装在电子封装领域中所占的地位越来越重要。在三维集成封装的工艺步骤中,键合技术为关键工艺之一。如何将基板之间在较低的温度下进行相互连接、保持牢固的键合并根据需求实现键合层的绝缘或者导通已成为三维集成中的关键问题之一。金锡合金作为一种常用的引线键合材料已被广泛应用于电子封装中,其具有键合温度低,键合强度大,气密性好的封装特点;而在绝缘介质键合中主要以有机聚合物为代表,苯并环丁烯(BCB)作为一种新一代电子封装胶,具有固化温度低、低吸湿性、高粘结性以及稳定的低介电与低损耗,在三维集成封装领域具有广泛的应用前景。传统的降低键合温度的主要实现手段有通过紫外线,等离子体以及高真空度等手段提高表面活性以及减少杂质污染的方法。以上的方法由于成本高昂以及步骤繁琐,对条件要求苛刻,并不适用于生产。在此背景下,本论文研究了两种键合温度低,键合强度高,对键合环境要求宽容的适用于玻璃基板键合的键合工艺方法。为三维系统在玻璃基板上的集成提供了键合技术的支持。本论文的主要工作内容包含以下方面:(1)研究了金锡合金键合过程中温度与压力对键合结果的影响。在超过金锡合金的相变点后,只需施加0.6 Mpa的压力就能形成键合。键合后其键合强度为3.41MPa。(2)相比于两侧均为金锡合金的键合样品,键合表面使用金与金锡合金作为键合介质的样品具有更高的键合强度。有文献表明,金原子有更好的扩散性能,在相同的键合条件下能够得到更均匀的键合层,在同等温度与键合压力(283℃,0.6 MPa)的条件下,金与金锡合金的键合强度为4.91 MPa。最后我们将金锡键合应用于四英寸玻璃晶圆的键合上,验证了金锡合金键合在实际的晶圆键合应用中的可行性。(3)研究了BCB甩胶速率与键合层厚度的关系。在BCB胶预键合工艺中,甩胶后的烘干程度对于键合界面的完整性有强关联,甩胶之后烘干不充分会导致在后续的加热固化步骤中,键合界面内聚集无法排出的有机溶剂,降低有效键合面积,对于键合强度有不利影响。在250℃的固化条件下,BCB键合片的最高键合强度为4.27 MPa。(4)在固化键合的步骤中,BCB胶聚合度的高低是决定键合强度大小的主要因素,在固化时间同为1小时的条件下,固化温度为250℃的样品键合界面最为完整均匀,温度过低或过高内部都会聚集小气泡。当固化温度不足250℃时,可以通过增加固化时间来达到相同的键合效果。在键合温度为200℃时,随着固化时间的延长,内部气泡逐渐消失。在200℃的固化条件下,BCB键合片的最高键合强度为3.37 MPa。
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