This thesis investigates closed-loop solder-line bonding for hermetic MEMS packaging with electrical feed-throughs. AuSn solder-line and Ti/Au adhesion metal layers have been used for a low-temperature, high-strength, hermetic MEMS packaging. Leak rate has been used as a parameter to characterize the hermetic sealing of the packaging, and bonding strength has been evaluated by pressurized test.
In the theoretical study, to measure the internal cavity pressure change, we use a silicon diaphragm that deflects proportionally to the pressure difference between the external and the internal cavity pressure. Pressurized accelerated test condition has been provided to activate the leakage. Packaging specimens with and without feed-throughs have been designed. Substrate and local heating methods have been used in the bonding process.
From the leak rate test, specimen with a feed-through bonded by local heating shows the maximum leak rate of $18.8±9.9×10^{-10} mbar-ℓ/s$. The reject limit of the MIL-STD-883E is the $3.814×10^{-8} mbar-ℓ/s$ and solder-line bonding specimen satisfies the sealing requirements in MIL-STD-883E. Specimens bonded by substrate heating show the lower leak rate than the specimen fabricated by local heating. From an analysis on the fracture surface of bonding by EDS, the specimen by substrate heating has stronger bond than the specimen by local heating. Weaker solder means that it has more sources of leak, that is, cracks, micropores, impurities and etc. The packaging having weaker solder has larger leak rate than others. So, the specimen by substrate heating has lower leak rate than the specimen by local heating. From EDS results, we can find out that feed-throughs do not influence much to the leak rate. Bonding strength of the solder-line bonding is 3.53±0.07 MPa. Fracture bonding strength can be measured by enlarging the applicable pressure in test equipment.
In this thesis, proposed AuSn solder-line bonding satisfies the hermetic MEMS packaging with feed-throughs and is applicable to sealing that requires MIL-STD-883E. To improve the hermetic sealing characteristics, adjusting the bonding condition to make better AuSn solder performance should be considered thoroughly.
본 논문에서는 전기적 연결선에 의한 단차 구조를 가지는 MEMS 소자의 밀봉접합을 위해 사각고리형 금속박막을 사용한 접합 구조물과 공정을 제안하였다. 금-주석 합금 땜납을 주 접합재로, Ti/Au 금속박막을 퍼짐성과 접합성을 향상시키기 위한 부 접합재로 사용하여 저온 공정, 높은 접합 강도, 밀봉 접합을 만족하는 패키징을 설계하였다. 밀봉 접합 성질을 분석하기 위해 누설율 특성이 사용되었고, 접합 강도를 측정하기 위해 임계 가압 시험이 수행되었다.
단차가 밀봉 접합도에 미치는 영향을 분석하기 위해, 전기적 연결선을 가지는 시편과 가지지 않는 시편, 두 종류의 시편을 설계하였다. 전기적 연결선의 두께는 2000Å으로, 일반적인 MEMS 소자에 사용되는 연결선 단차이다. 또, 접합 방법에 의한 밀봉 접합도의 변화를 살펴보기 위해, 기판 가열법과 국부 가열법을 사용하여 시편을 제작하였다. 누설율 시험 결과 최대 $18.8±9.9×10^{-10} mbar-ℓ/s$의 결과를 얻었다. 접합 강도 실험에서는 임계 가압 시험 장치의 최대 작용 압력 1±0.2 MPa 에서도 시편의 접합이 유지되었다. 가압된 면적과 접합 면적을 고려하여 접합 강도를 계산하면, 3.53±0.07MPa 이상의 접합 강도를 가지는 것을 알 수 있다.
측정된 누설율 특성은 MIL-STD-883E, 1014.9 시험 방법의 제한 누설율 기준에 의해 평가될 수 있다. 측정 누설율 한계는 $5×10^{-5}ℓ$ 이하의 패키징 부피에서 $5×10^{-8} mbar-ℓ/s$ 이하의 누설율을 가져야 하고, 비교를 위해 등가기준누설율로 변환하였을 때 $3.814×10^{-8} mbar-ℓ/s$ 이하의 누설율을 가져야한다. 제작된 밀봉 접합 시편의 최대 누설율은 등가기준누설율 한계 범위 안에 있으므로, 본 연구는 MIL-STD-883E 기준을 요구하는 밀봉접합에 응용될 수 있다. 기판 가열법과 국부 가열법에 의해 제작된 시편의 누설율은 기판 가열법으로 제작된 시편이 더 낮은 누설율을 갖는다. 접합 파단면의 물질을 EDS 실험기기를 통해 알아내고, 접합 방법에 대한 누설율 특성을 분석하였다. 결과는, 국부 가열법에 의한 시편의 경우 땜납 내에서 파단이 발생하였고, 파단면에 불균일한 형태의 땜납이 존재하는 것을 발견할 수 있다. 기판 가열법을 사용한 시편의 접합 파단면은 접착박막 Ti와 절연체 $Si_3N_4$ 사이에서 나타나고, 땜납 자체의 접착성은 충분히 만족된 것으로 예상된다. 접착 박막과 절연체 사이의 접착성은 공정의 재현성에 의해 결정되므로, 실험 결과는 기판 가열법에 의한 시편의 땜납 성질이 적은 누설로를 갖고 우수한 누설율을 가짐을 보여준다. 전기적 연결선 단차를 가지는 시편과 가지지 않는 시편의 경우를 비교해보면, 연결선 단차를 가지는 시편이 더 낮은 누설율을 가졌다. 이 역시 EDS 결과로 분석해 보면, 연결선 유무에 의해 파단면이 영향을 받는 것이 아님을 알 수 있다. 2000Å 두께의 전기적 연결선 단차는 밀봉 접합 누설율에 큰 영향을 끼치지 않는 것으로 보인다. 본 논문에서는 금-주석 합금과 Ti/Au 금속박막, 기판 가열법과 국부 가열법을 사용하여 전기적 연결 단차를 포함하는 MEMS 구조물의 밀봉접합에 응용해 보았고, 최대 $18.8±9.9×10^{-10} mbar-ℓ/s$ 의 누설율과 3.53±0.07MPa의 접합 강도를 가짐을 보였다. 본 사각고리형 금속박막을 사용한 접합법은 단차가 있는 MEMS 구조물의 밀봉 접합 방법으로 사용될 수 있음을 실험적으로 보였고, 재현성 있는 접합재 성능을 위한 접합 방법 및 가열 특성이 밀봉 접합 특성 향상의 주요한 요인이 될 것으로 예상된다.
