封装工艺中吸收剂的分类及其作用

吸收剂在降低微电子机械系统和微光电机械系统封装成本方面将起到越来越重要的作用,但如何实现低成本高性能的封装还有待于人们对各种吸收剂材料进行深入研究。本文对封装工艺中的吸收剂作一简要介绍,包括其种类以及在成品中所起的作用。

Ken Gilleo博士

总工程师

Cookson Electronics

kgilleo@

Steve Corbett

Cookson Semiconductor Packaging Materials

scorbett@

新世纪的来临是一件令人激动的事,全球正进入到一个通信时代,不久我们将可以在世界的任何一个角落和任何人进行通信,不过要想完全领略新技术带来的好处仍然还有很多工作要做。

电子放大技术的发展可以说是无线电领域的奠基石之一。1907年Lee De Forest发明了三极管真空放大器(图1),他在具有阳极和灯丝的二极管整流器上加了一个控制栅极,从而产生放大作用,于是利用放大器就可以把微弱的信号进行放大,无线电技术也从此真正开始成为一门独立的技术。

如图1所示,在真空三极管的外面有一个玻璃外壳,即所谓的封装,给器件加封装前须将里面的空气去除掉。开始人们认为在里面保留少量空气是器件正常工作所必要的,几年以后却发现提高真空度可以改善性能,于是技术又向前进了一大步,但其实还是存在很多问题。这主要是由于灯丝的工作温度很高,与内部存在的氧气发生氧化反应后灯丝会过热,导致过早烧坏,缩短工作寿命,如果有空气漏入封装内部则会带来更多氧气,大大加快灯丝的损耗速度。一种解决方法是加入吸氧材料,如活泼金属,这些材料与氧反应的速度比灯丝快,而灯丝通常是采用高熔点钨；另外一种方法就是利用吸收剂。

MOEMS交换器

到下一个世纪,无线通信将在我们的生活中起到重要的作用,为了实现高带宽和低成本通信,人们将越来越多地采用光纤作为陆地和洲际间连接方式,光传输已成为陆地长距离因特网和电话传输的重要手段,光被用作为一种经济快速的信息载体。目前因特网核心路由技术仍然采用电子路由,随着技术的发展以后信号交换将改为全部用光来实现,即对光信号直接实现路由而不用在中间转为电信号。光交换技术将用到最近才出现的先进微机电系统(MEMS)技术,将光学技术加入到这种技术后它又称为光微电系统(MOEMS)。

最近研究人员提出了几种光交换器概念,其中大部分都采用移动微镜阵列实现,微镜阵列可作为单轴“通断”开关也可用作双轴任意方向光束重定向。这种阵列有很多种设计方案,其中大家比较熟知的是德州仪器公司(TI)的DMD(数字微镜器件)系统,该系统有很多微镜模块元件和可移动部件,结构也是世界上最复杂的。这种高密度装置里面包含了几百万个移动部件,采用先进的半导体工艺设计制作,其高精密复杂结构表明目前的工艺已发展到了一个新的高度。图2是移动镜面结构的放大示意图,图3则是其它一些微镜设计方案。

MOEMS封装

所有的MOEMS封装都有一个相同的要求,即必须要有透明窗,并且光线传入传出的损耗必须很小。

TI的DMD最初是用在数字投影仪上,这种投影仪在一些会议场所经常用到。其实现原理如下:从强光源来的光线先照到成千上万个小镜片上,如果像素处于“开”状态其对应镜片就会将光射向镜头,并照到银幕上,反之则不会。由于镜片结构的质量很小,它可以对每一个脉冲做出快速响应,而任何污染都可能对机构的机械运动和光束产生很大影响,因此封装内不能有气体和尘埃,尤其是水气。现在几乎所有生产商都采用密闭封装,目前也有人在研究低成本的准密闭型封装,可能不久就会有结果。另外DMD系统也可用作利用每个镜片进行输入输出控制的光交换系统。

有时密闭封装也不能满足要求。主要是因为除去所有的气体和微粒很难,有时气体和粒子还可能会从封装内部生成:内部很多地方都会产生气体而出现水气,器件磨损也可能产生微小的固体颗粒而影响机械结构的正常运动。需要一个可靠的方法去掉封装内部的气体和微粒,最简单的办法就是采用吸收剂。为了达到最佳性能并延长工作寿命,TI和其它一些公司都采用了先进的吸收剂。

什么是吸收剂

吸收剂既然如此重要,到底这是一个什么样的物质呢？

吸收剂是一种可以有选择性去除杂质的材料,用于去除一些无用的杂质。这些吸收剂就像是封装中的“抗生素”,专门消灭有害污染物,它分为气体、液体和固体吸收剂三种:气体吸收剂主要包括氧气和氢气吸收剂,这两种都是密闭封装里的有害气体；液体吸收剂主要是水气吸收剂,有些水气吸收剂也能吸收氨、二氧化硫和封装内其他一些有害气体；固体微粒吸收剂则吸收所有微粒,而不管其化学成分为何。

上述几种都是一些重要的吸收剂,可用于高可靠性电子产品和MEMS。对于MOEMS器件,主要用到水气和微粒吸收剂,两者也可合二为一作为多功能吸收剂使用。

吸收剂工作原理

水气吸收

传统用于军事、航空、医疗及其他一些应用的密闭封装通常要求有很高的可靠性,制造时最大水气含量不能高于5,000ppm,封装的最大泄漏速度不得超过10～8atm-cc/s,以免在器件的正常使用寿命期间漏入太多水气。

但要在微电子设备密封时只漏入很少水气并且在其数年使用过程中保持很低含量是比较困难的。有多种原因会使水气进入封装内部,如密封泄漏、密封过程中产生水气、粘胶甚至封装材料本身产生水气等等,因此要保持长期可靠性就需要用到吸收剂。

水气吸收剂里含有干燥成分,一般和浸透性聚合物混合在一起。干燥剂可以是普通的无机化合物,与水分子结合后产生氢氧化合物,它就利用这种化学作用将封装内的水分子除去。

通常用沸石或其它矿物类化合物作为水气吸收剂,这些固体干燥剂均匀地散布于一个塑料薄膜里,并放置于封装内,除了常见的薄膜方式外,吸收剂还可做成浆状而在热硬化处理后涂覆到封装内或盖板上。由于吸收剂在存储和使用过程中可能已经吸收了水分,因此在封装密封之前应先进行加热使其脱水恢复到完全干燥的状态。另外有些陶瓷封装本身就有吸水功能,所以这种封装本身也是吸水剂。

水气对任何电子设备通常都是有害的,尤其对于MEMS产品更是如此。湿气会导致物体表面接触,造成所谓的粘结现象。粘结就是指两个接触物体表面间的引力,它会使两物体表面接触并粘在一起,此时要想将两个物体分开或移动要用到很大的力。

如果不能消除这种粘结现象,要想使粘在一起的物体相对移动就得有很大的启动力,也即意味着需要强力驱动马达,镜片移动时一些微小停顿可能就是粘结造成的。发生在宏观世界里的粘结现象由于其力量很小,所以根本不会察觉到,但MEMS器件质量非常小,而表面积又相对较大,因此在这样一个微观条件下它就会是一个严重问题。

但它与水气有什么关系呢？主要是因为水分子在器件表面上会产生类似于胶水的作用,增大这种粘合的可能,一旦粘在一起,这个镜片也许就报废了。据有关文献介绍,相对湿度小于20%可以减少粘结发生。此外,水分子的存在从光学角度来讲也是不好的,因为它会使镜头雾化,腐蚀镜片,并在窗口上凝结。

Cookson半导体封装材料公司(CSPM)的水气吸收剂如STAYDRY SD1000可应用于400℃高温条件下,这类产品可吸收水气和其它一些腐蚀性气体,如氨、二氧化硫以及硫化氢等,完全固化后,在1.5cm³内部空间及150℃温度条件下2.54×2.54cm吸收剂涂覆层的吸收能力可超过300,000ppm/in²/mil,在室温下其吸收能力还要再高5倍。

氢气的去除

谈到氢气的去除可能会让人迷惑:这种气体从何而来？有何危害？其来源主要是因为金属进行电镀时会吸收氢气,在一定条件下则会释放出来,此外作密封处理时也可能产生氢气,还有封装中用到的射频吸收材料甚至裸片粘接剂也是氢气来源之一。氢对于大多数硅器件是没什么害处的,但对高速砷化镓(GaAs)则会产生缓慢损害,因为氢一旦遇到铂(Pt)或钯(Pd)会产生一系列化学反应,使氢分子激化为高活性氢原子,而氢原子将对半导体造成破坏,造成工作性能逐渐下降。由于许多GaAs器件用Pt或Pd作为导电层,所以氢吸收剂在这里就相当重要,这些吸收剂一般用能吸收氢的铂或钯以及PdO之类的氧化物。STAYDRY H2-3000(CSPM)就是一种PdO吸收剂,它可将氢转化为水,再由同一个吸收剂内的水气吸收剂把水吸掉。

微粒吸收

微粒吸收剂常常设计为多功能吸收剂,如STAYDRY GA2000-2(CSPM)就是一个含有两种成分的双功能吸收剂,固化之后非常粘。它可以兼作水气和微粒吸收剂,能用于需要进行微粒冲击噪声检测(PIND)测试场合,可在恶劣条件下延长使用寿命,此外它还满足MIL-STD-883D中5011.3方法的规定。很多微粒吸收剂都可以印刷在封装盖上或用针进行涂覆。微粒吸收剂对于微镜阵列和其它可移动MEMS器件是相当重要的,目前MOEMS器件都采用水气-微粒综合吸收剂。

准密封封装工艺

去年11月,美国国家自然科学基金委员会(NSF)资助的MEMS工作组在奥兰多专门讨论了封装方面的问题,会上封装成本成为讨论的热点,人们发现采用非完全密封方式可以降低封装的成本。

TI认为如果有足够的吸收剂,那么采用聚合体粘合剂进行准密闭封装将可以满足光学镜片阵列的封装要求,当然这里还有很多工作要做,可能需要一些大学参与这方面的研究,尤其还应得到政府的支持。NSF工作组希望不久能在杂志上发表这方面的一些新进展。

本文结论

最近MEMS已成为一项非常热门的技术,但仍然有许多问题需要寻找经济的解决办法。在MEMS和MOEMS封装工艺中吸收剂将起很关键的作用,双功能水气-微粒吸收剂是一种理想的吸收剂,可用于光学MEMS产品中。此外该领域内还有很多工作要做,尤其是在准密闭封装工艺方面,采用吸收剂可以实现低成本封装如粘胶密封或者塑料封装。