隨著微型機電系統（MEMS）技術的快速發展，其在汽車、醫療、通信、消費電子等領域的應用日益廣泛。MEMS器件由于其獨特的結構和功能特性，對封裝技術提出了極高的要求。其中，氣密性封裝是MEMS封裝中的關鍵技術之一，它不僅能夠保護MEMS器件免受外部環境的影響，還能提高器件的性能和可靠性。Au-Sn共晶鍵合技術作為一種先進的封裝技術，在MEMS氣密性封裝中展現出了巨大的潛力。

一、MEMS封裝概述

MEMS是將微傳感器、微執行器、信號處理、電路等元件集成到硅層上的系統。由于MEMS器件具有精密的可動結構，如微型腔體、微梁和薄膜元件等，這些微結構的尺寸很小、強度低，容易因機械接觸而損壞，因此封裝起來難度極大。MEMS封裝不僅需要提供必要的電學和其他物理場的互聯，還需對MEMS結構以及電連接等提供支持和保護，使之免受外部環境的干擾或破壞。封裝中面臨著結構優化、工藝條件的選擇、熱力學效應和多物理場耦合等問題。研究表明，在MEMS系統中發生的可靠性問題50%來自電子封裝過程。

二、Au-Sn共晶鍵合技術原理

共晶鍵合，又稱共晶焊接，是指兩種或兩種以上金屬層，在一定的溫度下直接從固體轉化成液態，通過金屬再結晶在鍵合面形成共晶相的鍵合工藝。Au-Sn共晶鍵合是其中一種重要的類型，它利用Au和Sn在特定比例下形成的共晶合金，實現低溫下的鍵合。

Au-Sn合金是半導體后道管殼級封裝中常用的焊料之一，常用的合金質量分數分別為80%的Au和20%的Sn。這種成分比例的Au-Sn焊料能夠在280℃下形成共晶合金，在合金溫度點附近，主要包括Au5Sn相和AuSn相。在鍵合過程中，當溫度高于Sn的熔點（231.9℃）時，Sn層開始熔化，在金錫界面形成液相。由于金和錫的反應擴散，在界面快速形成金錫的共晶相。溫度降低時，凝固形成穩定的金錫共晶體。

三、Au-Sn共晶鍵合技術在MEMS封裝中的應用優勢

1. 低溫鍵合

相比于其他封裝技術，如硅/玻璃靜電鍵合、硅/硅直接鍵合等，Au-Sn共晶鍵合技術具有更低的鍵合溫度。硅/玻璃靜電鍵合需要約1000V的高電壓，這對某些MEMS器件的性能產生影響，也不適于在CMOS集成傳感器中應用；硅/硅直接鍵合所需溫度高（>1000℃），且無法實現帶金屬鍵合，應用面較小。而Au-Sn共晶鍵合技術的鍵合溫度約為300℃，這一溫度遠低于上述兩種技術，有利于減少封裝過程中對MEMS器件的熱應力影響，提高器件的可靠性。

1. 高氣密性

MEMS器件對封裝的氣密性有著特殊的要求。在真空或充壓環境下進行氣密封裝可以提高多種MEMS器件的性能，如MEMS陀螺儀就必須要求真空封裝以提高諧振器的品質因數Q值。Au-Sn共晶鍵合技術在鍵合過程中出氣量很低，可以實現高真空零級封裝，滿足MEMS器件對氣密性的嚴格要求。

1. 工藝簡單，適于批量生產

Au-Sn共晶鍵合技術對鍵合面的平整度、劃痕和顆粒都不敏感，這降低了對鍵合前處理工藝的要求，使得鍵合過程更加簡單、易于控制。同時，由于Au-Sn共晶合金具有良好的物理特性、導熱性好、強度高、無需助焊劑以及低黏滯性等優點，因此Au-Sn共晶鍵合技術非常適合于批量的氣密封裝生產。

四、Au-Sn共晶鍵合技術在MEMS封裝中的應用實例

以某MEMS氣密性封裝項目為例，該項目采用Au-Sn共晶鍵合技術實現了MEMS晶圓級氣密封裝。具體過程如下：

1. 鍵合結構設計

設計了共晶鍵合多層材料的結構和密封環圖形。蓋帽層采用Ti/Ni/Au/Sn/Au結構，其中Ti作為金屬與硅襯底的黏附層，Ni作為擴散阻擋層和焊料的浸潤層。由于Sn在大氣環境下容易氧化，在Sn的表面淀積一層Au作為鈍化層。器件層采用Ti/Ni/Au結構。Au和Sn的厚度比例嚴格按照質量分數分別為80%的Au和20%的Sn進行電鍍，以保證鍵合質量。

1. 鍵合前處理

采用氮氣與氧氣等離子清洗相結合的前處理方法去除無機與有機沾污，得到一個清潔的鍵合表面。氮氣清洗屬于物理清洗方法，去除表面吸附的顆粒以及無機物；氧氣清洗屬于化學清洗方法，采用微波氧氣等離子體，通過微波提高氧活性和等離子體密度，與金屬表面的有機物迅速反應去除殘留的有機沾污。

1. 鍵合過程

兩層硅片在氮氣氣氛中靠靜態的壓力實現緊密接觸。加熱的峰值溫度為300℃，持續時間為2min。由于Au-Sn合金的共熔溫度為280℃，略高于共熔溫度是為了保證焊料的充分互熔。在升溫的過程中，界面的Sn首先熔化，熔化的Sn溶解了兩面接觸的Au，實現了金屬間的互熔。降溫時通入氮氣加速冷卻，快速降溫有利于生成的金屬間化合物更小、結構更致密。

1. 鍵合后處理

鍵合完成后采用應力測試儀測試圓片翹曲，通過翹曲度來評估圓片鍵合應力的大小。同時，從鍵合好的圓片上抽取封裝好的芯片進行剪切強度測試，以衡量封裝質量。

五、Au-Sn共晶鍵合技術在MEMS封裝中的應用前景

隨著MEMS技術的不斷發展，對封裝技術的要求也越來越高。Au-Sn共晶鍵合技術以其低溫鍵合、高氣密性、工藝簡單和適于批量生產等優點，在MEMS封裝中展現出了廣闊的應用前景。特別是在對氣密性要求較高的MEMS器件，如MEMS陀螺儀、壓力傳感器等，Au-Sn共晶鍵合技術將成為主流的封裝技術之一。

此外，隨著半導體封裝技術的不斷進步，Au-Sn共晶鍵合技術也有望與其他先進封裝技術相結合，形成更加完善的MEMS封裝解決方案。例如，將Au-Sn共晶鍵合技術與晶圓級封裝（WLP）技術相結合，可以實現更高密度、更高可靠性的MEMS封裝。

六、結論

Au-Sn共晶鍵合技術作為一種先進的封裝技術，在MEMS氣密性封裝中展現出了巨大的潛力。其低溫鍵合、高氣密性、工藝簡單和適于批量生產等優點，使得它成為MEMS封裝中的理想選擇。隨著MEMS技術的不斷發展，Au-Sn共晶鍵合技術將在MEMS封裝領域發揮更加重要的作用，為MEMS器件的性能提升和可靠性保障提供有力支持。同時，隨著半導體封裝技術的不斷進步，Au-Sn共晶鍵合技術也將不斷發展和完善，為MEMS封裝帶來更多的創新解決方案。