Al-Ge eutectic bonding for wafer-level vacuum packaging of mems devices
Mems aygıtlarının Al-Ge ötektik bağlama yöntemi ile disk seviyesinde vakum paketlenmesi
- Tez No: 757847
- Danışmanlar: PROF. DR. YUNUS EREN KALAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Alüminyum alaşımları, Ambalajlama, MEMS, Vakum ambalajlama, Ötektik alaşımlar, Aluminum alloys, Packaging, MEMS, Vacuum packaging, Eutectic alloys
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Paketleme, MEMS tabanlı aygıtların ticarileştirilebilmesi için önemli bir konudur. Disk seviyesi paketleme yöntemleri, aygıt seviyesi yöntemlere kıyasla hem düşük maliyetli hem de yüksek verimlidir. Mikrobolometreler ve rezonatörler gibi çok sayıda MEMS aygıtının çalışabilmesi için vakum ortamında paketlenmesi gerekmektedir. Al-Ge alaşımının diğer yöntem ve alaşımlara kıyasla en önemli avantajı, bağlayıcı katman gerektirmediği için iki metalin tek disk üzerine üst üste kaplanarak disk bağlama işleminin yapılabilmesidir. Bu sayede aygıtların bulunduğu disklere herhangi bir üretim adımı eklenmeden disk seviyesinde paketleme işlemi yapılabilmektedir. Fakat ötektik erime noktasının (425 ℃) CMOS disklerin sıcaklık limitine (450 ℃) yakın olması Al-Ge alaşımının CMOS disk içeren uygulamalarda kullanımını kısıtlamaktadır. Bu bağlamda, Al-Ge alaşımının mikrobolometrelerin disk seviyesinde paketleme işlemine uygunluğu değerlendirilmiştir. Bu çalışmada termal buharlaştırma ve eş zamanlı saçtırma yöntemleri kullanılarak kaplanmış Al-Ge alaşımları ile disk bağlama deneyleri yapılmıştır. Yapılan Disk viii bağlama deneyleri sonucunda iki yöntemle elde edilen kaplamalarla da başarılı bir şekilde vakum paketleme işlemi gerçekleştirilememişti. Bu metallere yapılan ısıl işlem deneylerinin sonucunda düşük performanslarının kaplama yöntemlerinden kaynaklı yavaş difüzyon mekanizmasına bağlı olduğu belirlenmiştir. Hem termal buharlaştırma hem de saçtırma yöntemleri ile Al ve Ge'nin tek diske üst üste kaplanmıştır. Mümkün olan en düşük bağlama sıcaklığına sahip disk bağlama prosedürünü geliştirebilmek için, disk bağlama ve ısıl işlem deneylerinin ardından katman yığınının iç yapısal gelişimi detaylı bir şekilde incelenmiştir. Ötektik bağlama adımından önce 400 ℃ katı halde bağlama adımı içeren bir disk bağlama prosedürü, tek adımda ötektik bağlama prosedürü ile karşılaştırılmış ve ilk yöntem daha iyi sonuç vermiştir. Hücrelerin içerisindeki vakum seviyesinin karakterizasyonu kapak bükülme testi ile yapılmıştır. Hem termal buharlaştırma hem de saçtırma yöntemi ile elde edilmiş örnekler ile vakum paketleme işlemi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Saçtırma yöntemi ile kaplanmış metallerde bağlama sıcaklığı 435 ℃'ye düşürülmüş ve ortalama kesme dayancı yaklaşık 27 MPa olarak belirlenmiştir. 440 ℃ bağlanmış örneklerde ortalama kesme dayancı 51 MPa seviyesine yükselmiştir.
Özet (Çeviri)
Packaging is one of the most critical processes regarding the commercialization of MEMS devices. Wafer-level packaging is both yield and cost-efficient compared to die-level packaging. Various MEMS-based devices require vacuum encapsulation, such as microbolometers and resonators. Among other bonding methods and alloy systems used for wafer-level packaging, the Al-Ge system is advantageous since it can bond wafers by coating all the metallic layers on a single wafer. This eliminates the need for additional process steps on the device wafer. On the other hand, the limitation of the system is that the eutectic melting point (425 ℃) is close to the CMOS process temperature limit (450 ℃), which restricts the use of Al-Ge in critical CMOS-based applications. In this regard, the applicability of Al-Ge eutectic alloys for vacuum encapsulation of microbolometers through wafer-level packaging has been studied in this thesis study. Throughout this study, the suitability of thermally evaporated and co-sputtered Al-Ge alloys has been examined in detail. Bonding performance after both methods appeared poorly. Results of annealing experiments indicated that the poor performance is due to sluggish diffusion between Al and Ge. Al-Ge layer stack has vi been coated on a single wafer using thermal evaporation and sputtering. The microstructural evolution of the layer stack has been examined in detail after annealing and bonding experiments to devise an optimum bonding procedure with the minimum eutectic bonding temperature. A eutectic bonding procedure with a solid-state bonding step at 400 ℃ has been compared with a traditional eutectic bonding procedure, the former of which has performed better. The vacuum level inside the packages has been characterized using cap deflection test. Vacuum packaging has been achieved using both thermal evaporation and sputtering. In pursuing the lowest possible eutectic bonding temperatures, a successful vacuum sealing with 27 MPa average shear strength was performed at 435 ℃, and 51 MPa average shear strength was obtained at 440 ℃.
Benzer Tezler
- Alümina fiber takviyeli Al-si metal matriksli kompozitlerin üretimi ve mikroyapı-özellik ilişkilerinin incelenmesi
production of alumina fiber reinforced Al-si metal matrix composites and the investigation of their microstructure-propetry relation ships
HATEM AKBULUT
- Katı ortamda bor yayınımı ile sertleştirilen çelik yüzeylerinin kuru kayma halinde sürtünme ve aşınma davranışları
Başlık çevirisi yok
YAVUZ SOYDAN
- Kaynak edilebilen kobalt ve demir esaslı alaşımların yüksek sıcaklıkdaki aşınma davranışları
High temperature wear behaviour of weldable cobalt and iron based alloys
HALİS ÇELİK
- Sıcak iş takım çeliklerinde üretim koşullarının yapı ve özelliklerinin üzerindeki etkisi
Effects of manufacturing conditions on the structure and properties of the hot work tool steels
SENİH DİNÇ
- A Finite element method investigation of the microstructure of the squeeze aluminium-silicon alloys
Başlık çevirisi yok
SERDAR KORAY KAYA
