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
- Tez No: 793444
- Danışmanlar: PROF. DR. YUNUS EREN KALAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Science and Technology, Electrical and Electronics Engineering, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 160
Özet
Elektronik sistemler, plakaların ayrı devreler için dilimlenip ardından paketlenmesiyle veya entegre bir devre hala plakanın üzerindeyken paketlenmesiyle beraber birleştirilebilir. İkinci birleştirme yöntemi, bütün dedektörlerin tamamlayıcı metal oksit yarı iletkenler (CMOS) üzerinde eş zamanlı olarak paketlenebilmesini sağlar, bu da üretim maliyetini önemli ölçüde azaltır ve verimliliği arttırır. Mikrobolometreler için uygun bir paketleme sürecine karar vermek açısından en önemli parametre, paketleme işleminin dedektörlere ve CMOS tabanlı çiplere uyumluluğu olarak görünmektedir. Ayrıca, MEMS'in karmaşıklığı ve gerekli dayanıklığı arttıkça, daha iyi paketleme elde etmek için daha güçlü paketleme gerekmektedir. Bu amaçla, bu çalışmada, ikili Altın – İndiyum (Au-In) malzeme sistemi ve Geçici Sıvı Faz (TLP) bağlama yöntemi kullanılarak, MEMS paketleme için en iyi kompozisyon-özellik ilişkisinin araştırılması amacıyla tek bir kaplama işleminde bağlama işlemi için birden fazla kompozisyon elde edilebilmesini sağlayan kombinatoryal yaklaşım çalışılmıştır. Ayrıca, Disk Seviyesi Paketleme (WLP) için daha önce literatürde çalışılmamış olan Altın – İndiyum – Kalay (Au-In-Sn) üçlü malzeme sistemi MEMS paketinin özelliklerini geliştirme amacıyla çalışılmıştır. Bu tez kapsamında yapılan çalışmalar sonucunda, kombinatoryal yaklaşım ile Au-In ikili sistemi için çeşitli kompozisyonlar elde edilmiştir. Karakterizasyon aşamalarının sonuçları karşılaştırılarak, Au-In TLP bağlama yöntemi ile MEMS cihazlarının paketlenmesi için en verimli kompozisyon değeri bulunmuştur. Buna bağlı olarak AuIn-AuIn2 intermetalik bölgesinin yaklaşık %40'lık bir kısmı kombinatoryal yaklaşım sayesinde yalnızca 3 In kaplamasıyla incelenmiştir. Ayrıca kombinatoryal yaklaşımla gerçekleştirilen tekli In kaplaması ile ağırlık olarak %8'e varan In kompozisyon aralığı elde edilmiştir. Kombinatoryal optimizasyonlar sonucunda ağırlıkça %46.0 In kompozisyonuyla beraber 22 MPa kesme dayancı elde edilmiştir. Bu sayede, bu tez kapsamında kompozisyon/özellik ilişkisinin kombinatoryal yaklaşım ile optimizasyonu çalışılmıştır. Ayrıca Au-In ikili sistemi için kompozisyon optimizasyonu yapıldıktan sonra, hermetik özellikleri gözlemleyebilmek için kapak boşluğu oluşturulan örnekler ile pul seviyesi paketleme gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak 8 µm kapak bükülme derinliğine 24 µm membran kalınlığı ile ulaşılmıştır bu da paket içerisinde herhangi bir gaz girişi olmadan 0.2 mbar basınç elde edildiğini göstermektedir. Ayrıca, optimize edilmiş kompozisyon değeri ile bu örnekte 28 MPa paket mukavemeti gözlemlenmiştir. Au-In-Sn üçlü bağlama sistemi, Diferansiyel Taramalı Kalorimetre sonuçlarına göre TLP bağlanma şartlarına uygunluk, 49 MPa kesme dayanımından daha fazla kayma mukavemeti ve Taramalı Akustik Mikroskop ile inceleme sonuçlarına göre yüksek bağ bütünlüğü gibi uygun sonuçlar verdiğinden MEMS cihazlarının WLP paketlemesi için aday malzeme sistemlerinden biri gibi görünse de, bağlama deneylerinden sonra elde edilen paketlenen ürünlerin düşük verimi sonucunda bu sistemin kullanımı için yeniden değerlendirme yapılması gerekmektedir.
Özet (Çeviri)
Electronic systems may be sealed by slicing the wafer into individual circuits and then packaging them or by packaging an integrated circuit while still part of the wafer. The latter enables the packaging of all detectors on complementary metal oxide semiconductors (CMOS) simultaneously, considerably decreasing manufacturing costs and increasing efficiency. Regarding a suitable packaging process for microbolometers, the most crucial parameter appears to be the compatibility of the packaging procedure with the detectors and the CMOS-based chips. Besides, as the MEMS's complexity and durability increase, more robust packaging is needed to achieve better packaging. For this purpose, in this study, a combinatorial approach that obtains multiple compositions for bonding purposes in a single deposition run was studied to investigate the best composition-property relation for MEMS packaging using binary Gold-Indium (Au-In) material system and Transient Liquid Phase (TLP) bonding method. In addition, a Gold – Indium – Tin (Au-In-Sn) ternary material system that has not been studied before in the literature for Wafer Level Packaging (WLP) has been studied to enhance the properties of the MEMS package. As a result of studies in this thesis, various compositions for the Au-In binary system were achieved with a combinatorial approach. According to comparing the results of characterization stages, the most efficient composition value was found for packaging MEMS devices with the Au-In TLP bonding method. Concerning that, almost %40 of the AuIn – AuIn2 intermetallic region has been investigated with only 3 In deposition run with a combinatorial approach. Furthermore, with single In deposition run via combinatorial deposition, up to 8% wt In composition range has been obtained. After combinatorial optimizations, 22 MPa average shear strength was achieved with 46.0 wt% In composition. Therefore, this thesis has studied optimizing the composition/property relationship with the combinatorial approach. Furthermore, after optimization of the composition of the In in Au-In binary system, WLP was done with a cap cavity to observe of hermetic properties of the structure. 8 µm cap deflection depth has been achieved with 24 µm membrane thickness, providing 0.2 mbar pressure inside the package without any gas penetration. Moreover, with an optimized composition value, 28 MPa package strength was observed in that sample. Although Au-In-Sn ternary bonding system seems to be one of the candidate materials systems for WLP packaging of MEMS since TLP bonding conditions have been obtained according to Differential Scanning Calorimetry results, higher than 49 MPa shear strength was achieved and high bond integrity has been acquired concerning Scanning Acoustic Microscope inspection, this system requires re-evaluation for use as a result of the low yield of successfully packaged chips after bonding experiments.
Benzer Tezler
- Wafer level vacuum packaging of MEMS sensors and resonators
MEMS sensör ve rezonatörler için pul seviyesinde vakum paketleme
MUSTAFA MERT TORUNBALCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
PROF. DR. MEHMET ALİ SAHİR ARIKAN
- 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
- A low-cost uncooled infrared detector array and its camera electronics
Düşük maliyetli soğutmasız kızılötesi detektör dizini ve kamera elektroniği
DİNÇAY AKÇÖREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. TAYFUN AKIN
YRD. DOÇ. DR. SELİM EMİNOĞLU
- Afyon İlinde bulunan yüksek kapasiteli bazı et işletmelerinin genel değerlendirilmesi ve bu işletmelerde üretilen sucukların bir kısım özelliklerinin belirlenmesi
Başlık çevirisi yok
MEBRURE DOĞU
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Gıda MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET HİLMİ ÇON
- Formation of carbide derived carbon coatings on SiC
Başlık çevirisi yok
ZARİFE GÖKNUR CAMBAZ
Doktora
İngilizce
2007
Kimya MühendisliğiDrexel UniversityNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. YURY GOGOTSİ