Wafer level vacuum packaging of MEMS sensors and resonators
MEMS sensör ve rezonatörler için pul seviyesinde vakum paketleme
- Tez No: 285614
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN, PROF. DR. MEHMET ALİ SAHİR ARIKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 141
Özet
Bu tez çeşitli MEMS aygıtlarının paketleme konseptlerinin iyileştirilmesine katkıda bulunulması amacıyla, Altın-Silisyum Ötektik ve Cam hamuru yapıştırma tekniklerini kullanarak pul seviyesinde vakum paketleme tekniklerinin geliştirilmesini sunmaktadır. İlk aşamada, vakum paketlerin performanslarının değerlendirilmesi için MEMS rezonatörler ve pirani vakum ölçerleri tasarlanmıştır. Bu tasarımlar MATLAB ve Coventorware sonlu modelleme aracı kullanılarak doğrulanmıştır. Tasarlanan rezonatörler, pirani vakum ölçerleri ve daha önceden geliştirilen dönüölçerler yanlamasına elektriksel hatlar ile yeni geliştirilen cam-üstü-silisyum üretim tekniği ile üretilmiştir. Bunlara ek olarak, daha kolay paketleme işlemi ve düşük parasitik kapasitans elde etmek için aynı aygıtların dikey elektriksel hatlar ile üretilmesi işlemi başlatılmıştır. Hem yatay hem dikey elektriksel hatlara sahip aygıtlar için kapak pulları tasarlanıp, üretilmiştir. Pürüzsüz ve pürüzlü yüzeyler üzerine Altın-Silisyum Ötektik yapıştırma optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Yapışma kalitesi, prensibi ince bir diyaframın paket içi ve dışı basınç farkından dolayı bükülmesine dayanan bükülme testiyle değerlendirilmiştir. Pürüzsüz yüzeylere Altın-Silisyum Ötektik yapıştırma sırasıyla 60 dakika bekleme ve 1500 N yapıştırma kuvveti kullanılarak 390ºC'de %100 verim ile başarılmıştır. Diğer taraftan, 0.15µm'lik hatların olduğu yüzeylere Altın-Silisyum Ötektik yapıştırma aynı bekleme ve yapıştırma kuvveti kullanılarak %100 verim ile 420ºC'de yapılabilmiştir. Ayrıca, cam hamuru yapıştırma yanlamasına elektriksel hatların bulunduğu cam pullara 435-450ºC'lik sıcaklık aralığında değişik bekleme ve yapıştırma kuvvetleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Üretim parametrelerine bağlı olarak %33'den %99.4'e değişen verim alınmıştır. Üretilen aygıtlar, optimize edilen cam hamuru ve Altın-Silisyum Ötektik yapıştırma yöntemleriyle pul seviyesinde vakum paketlenmiştir. Paketlerin performansları paket içine entegre edilen dönüölçer, rezonatör, ve pirani vakum ölçerleri ile değerlendirilmiştir. Cam hamuru paketlerde, literatürdeki çeşitli MEMS aygıtların gereksinimlerini karşılayacak şekilde, 10 mTorr-60 mTorr ve 0.1 Torr-0.7 Torr aralığında basınç değerleri gözlenmiştir. Altın-Silisyum Ötektik paketlemenin de vakumla sonuçlandığı optik olarak doğrulanmış ve rezonatör ve pirani vakum ölçer temelli vakum sensörleriyle vakum seviyesinin sınıflandırılması için daha fazla çalışma gerekmektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the development of wafer level vacuum packaging processes using Au-Si eutectic and glass frit bonding contributing to the improvement of packaging concepts for a variety of MEMS devices. In the first phase of this research, micromachined resonators and pirani vacuum gauges are designed for the evaluation of the vacuum package performance. These designs are verified using MATLAB and Coventorware finite element modeling tool. Designed resonators and pirani vacuum gauges and previously developed gyroscopes with lateral feedthroughs are fabricated with a newly developed Silicon-On-Glass (SOG) process. In addition to these, a process for the fabrication of similar devices with vertical feedthroughs is initiated for achieving simplified packaging process and lower parasitic capacitances. Cap wafers for both types of devices with lateral and vertical feedthroughs are designed and fabricated. The optimization of Au-Si eutectic bonding is carried out on both planar and non-planar surfaces. The bonding quality is evaluated using the deflection test, which is based on the deflection of a thinned diaphragm due to the pressure difference between inside and outside the package. A 100% yield bonding on planar surfaces is achieved at 390ºC with a holding time and bond force of 60 min and 1500 N, respectively. On the other hand, bonding on surfaces where 0.15µm feedthrough lines exist can be done at 420ºC with a 100% yield using same holding time and bond force. Furthermore, glass frit bonding on glass wafers with lateral feedthroughs is performed at temperatures between 435-450ºC using different holding periods and bond forces. The yield is varied from %33 to %99.4 depending on the process parameters. The fabricated devices are wafer level vacuum packaged using the optimized glass frit and Au-Si eutectic bonding recipes. The performances of wafer level packages are evaluated using the integrated gyroscopes, resonators, and pirani vacuum gauges. Pressures ranging from 10 mTorr to 60 mTorr and 0.1 Torr to 0.7 Torr are observed in the glass frit packages, satisfying the requirements of various MEMS devices in the literature. It is also optically verified that Au-Si eutectic packages result in vacuum cavities, and further study is needed to quantify the vacuum level with vacuum sensors based on the resonating structures and pirani vacuum gauges.
Benzer Tezler
- Mikro elektro mekanik sistemler (MEMS) için vakum paketleme
Vacuum packaging for micro-electro-mechanical systems (MEMS)
EBRU SAĞIROĞLU TOPALLI
Doktora
Türkçe
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TÜLAY SERİN
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- A wafer level vacuum packaging technologyfor MEMS based long-wave infrared sensors
MEMS tabanlı uzun dalgaboylu kızılötesi algılayıcılar için pul seviyesinde vakum paketleme teknolojisi
GÜLŞAH DEMİRHAN AYDIN
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
PROF. DR. YUNUS EREN KALAY
- A low-cost uncooled infrared imaging sensor using MEMS and a modified standard CMOS process
Düşük maliyetli soğutmasız kızılötesi detektör dizini
MEHMET ALİ GÜLDEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
DR. SELİM EMİNOĞLU
- Development of wafer-level vacuum packaging for MEMS devices with transient liquid phase (TLP) bonding: A combinatorial approach
MEMS aygıtlarının geçici sıvı faz bağlama yöntemi ile disk seviyesinde vakum paketlenmesinin kombinatoryal yaklaşım ile geliştirilmesi
ÖZGÜN YURDAKUL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUNUS EREN KALAY
- Al-Ge eutectic bonding for wafer-level vacuum packaging of mems devices
Mems aygıtlarının Al-Ge ötektik bağlama yöntemi ile disk seviyesinde vakum paketlenmesi
BEKİR GÜREL DİMEZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUNUS EREN KALAY