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| 材料 | 基板：
中間層:
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|---|---|
| 温度 | ≤ 450 °C |
| 利点 |
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| 欠点 |
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ガラスフリット接合は、ガラスはんだ付けまたはシールガラス接合とも呼ばれ、中間ガラス層を使用したウェーハ接合技術を指します。これは、加速度計やジャイロスコープなどの表面マイクロマシン構造の封止技術として広く使用されています。[1]この技術では、低融点ガラス（「ガラスはんだ」）を使用するため、温度の上昇とともにガラスの粘度が低下するなど、さまざまな利点があります。ガラスの粘性流動には、表面の凹凸を補正して平坦化する効果があり、プラズマエッチングや堆積による粗さの大きいウェーハを接合するのに便利です。粘度が低いと、構造形状への適合性が向上し、構造の密閉封止が促進されます。 [2]さらに、ガラス材料の熱膨張係数（CTE）はシリコンに適合しています。これにより、接合されたウェーハペアの応力が低くなります。ガラスは、接合された材料または近くの構造 (チップまたはセラミック基板上の金属化層など) のいずれかに変形や劣化が発生する温度よりはるかに低い温度で、はんだ付けされた表面を流動させて濡らす必要があります。流動と濡れが達成される通常の温度は、450 ～ 550 °C (840 ～ 1,020 °F) です。
ガラスフリット接合は、CTEが同じ範囲内であれば、疎水性および親水性表面を持つシリコン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、アルミニウム、チタン、ガラスなど、多くの表面材料に使用できます。この接合手順により、密閉されたキャビティ内のアクティブ構造に接触する金属フィードスルーを実現することもできます。誘電体材料としてのガラスフリットは、125°C（257°F）までのプロセス温度で漏れ電流を防ぐための追加のパッシベーションを必要としません。[3]
このプロセスは、処理する表面にガラスペーストを塗布することから始まります。次に、加熱して添加物を燃やし、ガラス層を形成するために焼成します。結合プロセスにより、焼結ガラスが目的の状態に再構成されます。最後に、再構成されたガラスが冷却されます。[4]
ガラスフリット接合は、表面マイクロマシン加工されたセンサー、すなわちジャイロスコープや加速度計をカプセル化するために使用されます。他の用途としては、絶対圧力センサーキャビティのシーリング、光学窓の取り付け、熱活性デバイスのキャッピングなどがあります。[3]
手順
ガラスフリット接合シリコンウエハーの顕微鏡的断面SEM画像
証言録取
ガラスフリット接合法は、部品の封止と実装に使用されます。ガラスフリット層のコーティングは、厚さ5～30μmの場合はスピンコーティングで塗布され、厚さ10～30μmの場合はスクリーン印刷で塗布されるのが一般的です。 [4]
スクリーン印刷は、一般的に使用される堆積方法として、ガラスフリット材料の構造化技術を提供します。この方法の利点は、フォトリソグラフィーなどの追加プロセスなしで、構造化されたキャップウェーハ上に材料を堆積できることです。[3]
スクリーン印刷は選択的な接着を可能にします。そのため、接着が必要な領域にのみガラスフリットが堆積されます。[3]
スクリーン印刷プロセスを最適化することで、ガラスフリットが構造物に流れ込むリスクを防ぐことができます。高い位置決め精度により、最小間隔 100 μm 未満で 190 μm の範囲の構造サイズを実現できます。正確な接着を確保するには、スクリーン印刷構造をキャップ ウェーハに正確に配置する必要があります。接着された構造は、印刷された表面の濡れ性に依存しますが、設計されたスクリーンよりも 10 ～ 20% 広くなります。[5]
均一なガラスの厚さを確保するには、すべての構造の幅を同じにする必要があります。印刷されたガラスフリットの高さは約30μmで、接合後の接合されたウェーハ間の隙間は5～10μmになります（断面SEM画像と比較）。[3]接合強度を高めるために接合面の活性化は必要ありません。[6]
温熱調節
印刷されたガラスフリット構造は加熱されて緻密なガラスを形成します。加熱プロセスは溶剤とバインダーを追い出すために必要です。これにより、ガラス粉末の粒子が融合します。機械的な圧力を使用して、ウェハーは高温で結合されます。[2]
熱処理によりガラスペーストがガラス層に変化し、ガラスフリット層内の空隙を防ぐために重要となる。[3]熱処理プロセスは以下の工程で構成される。
- 有機バインダーと溶剤のグレージング
- ガラス粒子を溶かしてガラスを圧縮する
- ガラスとウエハ表面の強固な接合の形成
最初のステップは、界面から溶媒を拡散させるために、100～120℃で5～7分間乾燥させることです。これにより、有機バインダーの重合が始まります。バインダー分子は長鎖ポリマーに結合し、ペーストを固めます。[5]
ガラスペーストの有機バインダーは、ガラスが完全に溶けない特定の温度（325～350 °C）まで加熱して、10～20分間焼成する必要があります。このいわゆるグレージングにより、有機添加剤のガス放出が確実に行われます。
さらに、予備溶融またはシーリング工程では、材料を410～459℃のプロセス温度に5～10分間加熱します。材料は完全に溶融し、介在物のない緻密なガラスを形成します。無機充填剤は溶融し、結合ガラスの特性が固定されます。[3]ガラスの溶融は、ガラス表面に向かうシリコンガラス界面から始まります。溶融プロセス中にガラスの多孔性がなくなり、中間層の圧縮に基づいてガラスの厚さが大幅に減少します。[5]
接合プロセス
ガラスフリット接合は、ウェーハの位置合わせから始まり、接合チャンバー内で特定の圧力で行われる熱圧縮プロセスです。接合圧力下で、ウェーハは数分間、約 430 °C のプロセス温度まで加熱されます。[3]接合時間が短いと、ガラスフリットが十分に広がらず、一方、接合時間が長いと、ガラスフリットが溢れて空隙が残ります。[6]
ずれを防ぐためには、位置合わせが非常に正確で安定していなければなりません。これは、クランプまたは特殊な圧力プレートを使用して実現できます。[3]ずれは、ボンディングツールの位置ずれやボンディングツール間の熱膨張の差に基づく正確な垂直圧力ではなく、一時的にずらした圧力によって発生する可能性があります。[5]
接合中は、接合ガラスへの熱入力を改善し、ウェーハ形状の許容範囲（つまり、反りやそり）を均等にするために、支持ツールの圧力が加えられ、濡れ性が向上します。[7]ガラスの粘度が十分に高いため、接合はほぼ圧力なしで行うことができます。[5]
接合温度は、ガラス材料の粘度を下げて接合面の濡れ性を確保するのに十分な高さである必要があるが、ガラスフリット材料の広がりを防ぐのに十分低くなければならない。410℃以上に加熱すると接合面の濡れ性が高まる。濡れ性が良好であることは、エッジ角度が低いことで示される。原子レベルのウェーハ表面層が、原子レベルでガラスに融合される。[7]これにより、界面に薄いガラス混合物が形成され、ガラスとウェーハの間に強力な結合が形成される。[3]
冷却
圧力下で冷却すると、機械的に強く、気密に封止されたウェーハ接合部が形成される。[3]冷却プロセスは、特に高温時にガラスフリット層に熱応力をもたらし、接合フレームの寿命解析で考慮する必要がある。[8]ウェーハペアは、熱衝撃によるウェーハまたは接合界面の熱亀裂を防ぐために、より低い温度で接合チャンバーから取り出される。[7]
接合強度は主に密度、ガラスフリット層の広がり面積、接合界面の表面層に依存します。接合強度は20MPa程度と、ほとんどの用途で十分な高さであり、陽極接合で達成される強度に匹敵します。気密性により、接合部、ひいては製品の正しい機能と十分な信頼性が保証されます。さらに、ガラスフリット接合ウェーハの接合収率は非常に高く、通常90%を超えます。[6]
種類
使用されるガラスはんだには、ガラス質はんだと失透性はんだの2種類がある。ガラス質はんだは、再溶融時に非晶質構造を維持し、繰り返し再加工でき、比較的透明である。失透性はんだは、凝固中に部分的な結晶化を起こし、ガラス相と結晶相の複合体であるガラスセラミックを形成する。失透性はんだは通常、より強力な機械的結合を形成するが、より温度に敏感で、シールが漏れやすい。多結晶構造のため、半透明または不透明になる傾向がある。[9]失透性はんだは、再結晶後の融点が大幅に高くなるため、「熱硬化性」であることが多い。これにより、その後のベークアウトよりも低い温度で部品をはんだ付けすることができ、接合部を後で再溶融する必要がなくなる。失透性はんだには、多くの場合、最大25％の酸化亜鉛が含まれる。ブラウン管の製造では、PbO-B 2 O 3 -ZnOをベースにした失透性はんだが使用される。
200～400℃（390～750℉）で流動する極低温融解ガラスは、電子機器の封止用途向けに開発された。これらは、タリウム、ヒ素、硫黄の二成分または三成分の混合物で構成されている。[10]亜鉛ケイホウ酸塩ガラスも電子機器の不動態化に使用できるが、熱膨張係数はシリコン（または使用する他の半導体）と一致する必要があり、アルカリ金属を含んではならない。アルカリ金属は半導体に移行して故障の原因となるからである。[11]
ガラスまたはセラミックとガラスはんだとの結合は共有結合か、より一般的にはファンデルワールス結合のいずれかです。[12]シールは漏れのないものにすることができ、ガラスはんだ付けは真空技術でよく使用されます。ガラスはんだはシーラントとしても使用できます。鉄にガラス質エナメルコーティングを施すと、水素透過性が10倍低下します。[13]ガラスはんだは、ガラスと金属のシールやガラスセラミックと金属のシールによく使用されます。
生産
ガラスはんだは、粒径が 60 マイクロメートル未満のフリット粉末として入手できます。水またはアルコールと混合してペースト状にして簡単に塗布したり、溶解したニトロセルロースまたは他の適切なバインダーと混合して溶融するまで表面に接着したりできます。[14]最終的なバインダーは、溶融が進む前に焼き尽くす必要があるため、慎重な焼成が必要です。はんだガラスは、部品の製造中に、溶融状態から将来の接合部分に塗布することもできます。溶融状態での粘度が低いため、PbO含有量の高い(多くの場合 70～85%)鉛ガラスがよく使用されます。最も一般的な組成は、ホウ酸鉛(鉛ホウ酸ガラスまたはホウケイ酸ガラス) に基づいています。化学的安定性を高めるために、少量の酸化亜鉛または酸化アルミニウムを追加できます。リン酸塩ガラスも使用できます。酸化亜鉛、三酸化ビスマス、および酸化銅 (II)を追加して熱膨張に影響を与えることができます。アルカリ酸化物とは異なり、これらは熱膨張を増加させずに軟化点を下げます。
450 °C 未満のプロセス温度を実現するために、鉛ガラスまたは鉛ケイ酸ガラスが使用されます。ガラスフリットは、ガラス粉末、有機バインダー、無機フィラー、および溶剤からなるペーストです。この低融点ガラスペーストは粉末 (粒径 < 15 μm) に粉砕され、有機バインダーと混合されて印刷可能な粘性ペーストを形成します。[3]無機フィラー、すなわちコージェライト粒子 (例: Mg 2 Al 3 [AlSi 5 O 18 ]) またはバリウムケイ酸塩は、特性に影響を与えるために、すなわちシリコンとガラスフリット間の熱膨張係数の不一致を低下させるために、溶融ガラスペーストに追加されます。[15]溶剤は、有機バインダーの粘度を調整するために使用されます。FERRO FX-11-0366 など、いくつかのガラスフリットペーストが市販されており、それぞれ堆積後に個別に処理する必要があります。[5]ペーストの選択は、堆積方法、基板材料、およびプロセス温度など、さまざまな要因によって異なります。[2]
MEMS用途に使用されるガラスは、粒子と酸化鉛で構成されています。後者はガラス転移温度を400℃以下に下げます。[8]シリコンによる酸化鉛の還元により、シリコンとガラスの界面に鉛の析出物が形成されます。これらの析出物は接合強度を低下させ、デバイスの寿命予測において考慮しなければならない信頼性リスクとなります。[15]
用途
ガラスはんだは電子パッケージングで頻繁に使用される。CERDIPパッケージングはその一例である。初期のCERDIP集積回路では、封止中にガラスはんだから水分が放出されることが故障率の高さの原因であった。例えば、故障解析やリバースエンジニアリングのためにチップにアクセスするためにガラスはんだ付けされたセラミックカバーを除去するには、せん断が最も効果的である。これがリスクが大きすぎる場合は、代わりにカバーを研磨して除去する。[16]
ガラス部品を直接接合するよりもはるかに低い温度で、炎を使用せずに（温度制御された窯またはオーブンを使用）シールを行うことができるため、ガラスはんだは超小型真空管などの用途や、雲母窓を真空管や機器（ガイガー管など）に接合する場合に便利です。熱膨張係数は接合する材料に合わせて調整する必要があり、多くの場合、材料の膨張係数の間で選択されます。妥協する必要がある場合は、接合部に引張応力よりも圧縮応力をかける方が望ましいです。薄い層が小さな領域に使用される用途（たとえば、焼成インク）や、接合部が永久圧縮（たとえば、外部のスチールシェルによる）にさらされて熱によって生じた引張応力が相殺される用途では、膨張の調整は重要ではありません。[10]
ガラスはんだは、熱膨張係数が大きく異なる材料（ガラス、セラミックス）を接合する際の中間層として使用できます。このような材料は拡散溶接では直接接合できません。[17] 真空ガラス 窓は、はんだ付けされたガラスパネルで作られています。[18]
ガラスはんだは、例えばブラウン管やプラズマディスプレイパネルの部品を接合するために使用されます。新しい組成では、酸化鉛(II)含有量を70%から減らし、酸化亜鉛含有量を増やし、二酸化チタンと酸化ビスマス(III) 、およびその他の成分を追加することで、使用温度が450℃から390℃(840℉から730℉)に下がりました。このようなガラスの高い熱膨張は、適切なセラミック充填剤によって低減できます。はんだ付け温度が450℃(842℉)の鉛フリーはんだガラスも開発されました。
低融点のリン酸塩ガラスが開発されました。そのようなガラスの組成の一つは、五酸化リン、酸化鉛(II)、酸化亜鉛、そしてリチウムと他の酸化物の添加です。[19]
導電性ガラスはんだも製造できる。[要出典]
利点
ガラスフリット接合法を使用することで、次のような利点が得られる。[5]
- 薄く構造化されたウェーハに適用可能なスクリーン印刷プロセス
- 接合プロセス中に電位は不要
- 接着温度が低いため張力が低い
- 構造化された中間ガラス層に基づく選択的結合
- 粗いウェーハ表面の接合
- 接着後のガス放出がなく、化学的耐久性が優れ、有機接着剤に比べて強度が高い
- 高い信頼性と安定した気密性
- 金属層または共晶層の手順に比べて簡単なプロセス
参考文献
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