A wafer level vacuum packaging technologyfor MEMS based long-wave infrared sensors
MEMS tabanlı uzun dalgaboylu kızılötesi algılayıcılar için pul seviyesinde vakum paketleme teknolojisi
- Tez No: 761079
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN, PROF. DR. YUNUS EREN KALAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: MEMS, Disk Seviyesi Paketleme, Hermetik Paketleme, TLP Bağlama, Cam Hamuru Yapıştırma, Termal Kızılötesi Dedektörler, MEMS, Wafer Level Vacuum Packaging, Hermetic Encapsulation, TLP Bonding, Glass Frit Bonding, Thermal Infrared Detectors
- Yıl: 2022
- 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: 232
Özet
Bu tez, termal sensörlerin gereksinimlerini düşük maliyetle ve yüksek performansla karşılayan pul seviyesinde vakumlu paketleme elde etmek için yeni bir yaklaşım önermektedir. Güve gözü yapıları, kızıl ötesi radyasyonun uzun dalgaboyunda iletilmesine olanak sağlamak için herhangi bir boşluk olmaksızın silisyum bir alttaşın her iki tarafında oluşturulmuştur. Daha sonra, bu alttaş, düşük sıcaklıkta (yaklaşık 200 ℃) bağlanmaya izin veren Au-In geçici sıvı faz (TLP) yaklaşımı kullanılarak başka bir ara parça alttaşına yapıştırılır; TLP yaklaşımının avantajı, yapıştırma tamamlandıktan sonra çok yüksek sıcaklıkları (500℃ gibi) kaldırabilmesidir. Bu method, yaklaşık 430°C'de hem alıcıyı mükemmel şekilde aktive edebilen hem de cam hamuru bağlama yaklaşımları kullanarak önerilen kapak yığınının sensör puluna bağlanmasının kullanılmasına izin verir. Ara parça olarak kullanılan alttaş, alıcı katmanın bir gölge maskesi kullanılarak biriktirildiği kapak yığınının boşluk açıklığını oluşturmak için Derin reaktif iyon aşındırma (DRIE) yaklaşımı kullanılarak elde edilir. Bu paketleme yaklaşımı, (i) ızgara yapılarının çift taraflı pürüzsüz bir alttaş üzerinde üretilmesi ve ölçülen kızılötesi iletim performansının yaklaşık %85 olarak gösterilmesiyle, (ii) IR pencere alttaşı ve ara levha alttaşının TLP bağlama performansının optimize edilmesi ve doğrulanmasıyla, (iii) güve gözü yapılarına zarar vermeden kavite açma adımının optimize edilmesi, (iv) 8" boyutlu diskler için cam hamurunun serigrafi yöntemi ile oluşturulması ve cam hamuru bağlama yönteminin optimizasyonu, (v) yapıştırma kalitesi için Pirani vakum göstergeli bir vakum sensörlü pul geliştirme ve karakterizasyonuna yönelik ölçümler (vi) kapak yığınının çeşitli silisyum disklere yapıştırılması ve hermetik olarak kapatılmış boşluk/kavite bölgelerinin vakum seviyesi dahil olmak üzere bağlanma kalitesinin ölçülmesi ile doğrulanır. Disk seviyesi paketleme yaklaşımının yapıştırma kalitesi üç farklı yaklaşımla karakterize edilmiştir: He-sızıntı/kaçak testleri, kapak pulunun ince bir diyafram haline getirilip çökmenin analiz edilmesi ve pirani vakum ölçerler. Önerilen yöntemle oluşturulan bağlar, MIL-STD 883'e göre yapılan He-kaçak testleri ile hermetik olarak test edilmiştir. Pürüzsüz pul kullanım durumu için, önerilen disk seviye yapıştırma yöntemi ile elde edilen ortalama kesme dayancına sahip bağlar 23.38 MPa elde edilmiştir ve oluşturulan bağların helyum sızdırmazlık değerleri 0.1x10-9 atm.cc/sn'den daha düşük ölçülmüştür. Öğütülmüş/inceltilmiş disklerin yüzeyi daha pürüzlüdür ve bu disklerin kullanım durumu için, önerilen disk seviye yapıştırma yöntemi ile elde edilen ortalama kesme dayancına sahip bağlar 18.72 MPa elde edilmiştir ve oluşturulan bağların helyum sızdırmazlık değerleri 1x10-8 atm.cc/sn'den mertebelerinde ölçülmüştür. Paket basıncı, getter kullanılmadığında en iyi 3-4 Torr civarında ölçülürken, getter kullanım durumunda en iyi 1 mTorr ile 500 mTorr arasında değişen basınçlar ölçülmüştür.
Özet (Çeviri)
This thesis proposes a new approach to obtain a wafer level vacuum packaging that satisfies the requirements of the thermal sensors at low cost and with high performance. The moth-eye structures are formed on both side of a polished flat silicon wafer without any cavity to allow the transmission of the infrared radiation in long wave infrared region (LWIR). Then, this wafer is bonded to another spacer wafer using Au-In Trans-liquid phase (TLP) approach that allows bonding at low temperature (around 200℃); the advantage of the TLP approach is that it can handle very high temperatures (such as 500℃) after the bonding is complete. This allows the use of glass frit bonding of the cap wafer stack to the sensor wafer using high temperature bonding approaches such as glass frit at around 430℃, which can activate the getter perfectly. The spacer wafer is etched using deep RIE approach to form the cavity opening of the cap wafer stack, where the getter layer is deposited using a shadow mask. This packaging approach is verified (i) by fabricating the grating structures on a double sided polished wafer and demonstrating their measured infrared transmission performance as about 85%, (ii) optimizing and verifying the TLP bonding performance of the window cap wafer and the spacer wafer, (iii) optimizing the cavity opening step without damaging the moth-eye structures, (iv) optimization of glass frit deposition and glass frit bonding for 8" size wafers, (v) developing a vacuum sensor wafer with Pirani vacuum gauges for bonding quality measurements (vi) bonding the cap wafer stack to various silicon wafers and measuring bonding quality including the vacuum level of the hermetically sealed cavity regions. The bonding quality of the wafer level packaging approach is measured with three different approaches: He-leak tests, cap deflection, and pirani vacuum gauges. The bonds formed with the offered method were tested hermetic via He-leak tests performed according to MIL-STD 883. For the polished wafer usage case, the average shear strength obtained with the offered wafer level bonding method is 23.38 MPa and He-leak values as low as 0.1x10- 9 𝑎𝑡𝑚.𝑐𝑐/𝑠𝑒𝑐 were obtained. For the grinded wafer usage case, the average shear strength obtained with the offered wafer level bonding method is 18.72 MPa and He-leak values as around 1x10- 8 𝑎𝑡𝑚.𝑐𝑐/𝑠𝑒𝑐 were obtained. Best package pressure is measured around 3-4 Torr if getter is not used whereas in the case of getter usage best pressures ranging from 1 mTorr to 500 mTorr are measured.
Benzer Tezler
- 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
- Bonding material development at wafer level vacuum packaging for mems devices by transient liquid phase (tlp) method
Mikro elektronik ve mekanik sistemler için geçici sıvı faz yöntemi ile vakum altında silikon disk boyutunda baglama malzemesi geliştirme
EYÜP CAN DEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YUNUS EREN KALAY
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- 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
- 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
- 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