嵌入金纳米粒子的TSV和ALD等封装技术纷纷亮相

“TRANSDUCER 2013”上设有“Packaging＆Technology”分会。从此次会议可以看出，今后MEMS的发展趋势是在晶圆级别集成的同时进行封装，而非简单的晶圆级别封装。其中，金属-金属接合、TSV（硅通孔）和气密封装等是关键点，此次分会上相关技术的论文发表非常多。

这场分会的最后一篇论文演讲来自美国加州理工学院Wu老师的研究室，内容是在将金属嵌入TSV时采用金纳米粒子喷墨技术（论文序号T2A.007）。具体方法是，一边加热金纳米粒子（加热到140℃）一边将其注入到利用DRIE（深度反应离子蚀刻）工艺形成的通孔中，最后在250℃的温度下烧结，就可形成典型的直径40μm、深100μm、没有空隙的TSV。不过，由于金纳米粒子的收缩，通孔的侧面与金属之间容易出现缝隙，因此要想用于气密封装用途的话，还必须加以改进。

TSV的绝缘层和防扩散层使用的是ALD（原子层沉积）技术形成的铝。笔者的研究室也曾尝试过同样的方法，但可靠性等有待今后的验证。另外，最近ALD成了MEMS领域经常使用的技术，采用ALD的研究相当多。在TRANSDUCERS 2013的Plenary分会上，美国科罗拉多大学的George老师就针对有机-无机混合ALD发表了一场极具吸引力的演讲。

在墙报分会，瑞典皇家理工学院（KTH）的Stemme老师和Niklaus老师的研究室展示了有关使用焊线机（Wire Bonder）的TSV的论文（论文序号M3P.039）。具体方法是，利用DRIE（深反应离子刻蚀）工艺打开一个直径为30μm左右的通孔，利用焊线机将直径为20μm的金线穿入其中，缝隙用苯并环丁烯（BCB）树脂填充。虽然该技术的想法很巧妙，但是用金属来填充又深又细的通孔的难度很大，可以说是一个很有趣的想法。另外，由于是用BCB填充缝隙，因此这项技术无法用于气密封装。当然，这项技术要将金线穿入一个一个的通孔里，所以不是晶圆级批量工艺。现场就有与会者就这一点向进行墙报展示的学生们不断提问，稍微冷静下来想一想，在晶圆上的TSV的数量远远少于3D LSI的MEMS中，通过晶圆级批量工艺嵌入金属的方法与KTH的学生们提出的这种方法到底哪种更有利呢？这个问题其实还没有明确答案。当然，学生们认真做出了回答。Niklaus老师在封装和集成化方面曾发表过多篇富有魅力的论文。

关于金属与金属之间的接合，笔者的研究室也在第二天的墙报分会上展示了论文（论文序号：T3P.039）。如果通过Sn-Cu的SLID（固液互扩散键合法，也被称作瞬时液相（TLP）接合）选择适合的基层，则可以获得较大的接合强度。接合强度的测定取决于样品和检测方法，因此绝对值或许没有什么意义，不过这种方法在Die Shear试验中获得了100 MPa的高强度。另外，还展示了关于铝-铝接合的论文（论文序号：T3P.038）。采用金和铟（In）的话接合会很简单，但在CMOS代工中则不容易处理。如果采用LSI布线中使用的铝进行接合，就不那么简单了。

比如，在“IEEE MEMS 2008”上，Analog Devices发表了关于铝-铝接合的论文。T3P.038论文的内容与之相比并没有取得太大进步。如果将铝带着表面氧化膜直接接合的话，必须要在超过450℃的条件下才能顺利接合。从各种接合温度对应的封装合格率数据就能明显地看出这一点。另外，铝的厚度仅为1μm，接合宽度在100μm或200μm。希望出现可实现低温化的方法。（特约撰稿人：田中 秀治，东北大学）