Thermomechanical bonding processes in microsystems

Microsystems production consists of several stages, one of which is dedicated to packaging. Silicon wafer-level bonding is the main part of packaging and it is intended to protect the delicate parts of the systems as well as to maintain the hermiticity of the MEMS chamber. The main problem existing in this process is the residual stress. Hence, the aim of this thesis is to identify the sources of the residual stress and to present a solution to decrease it. In order to achieve this goal, first the effect of thin film deposition on the residual stress is studied. In the next step, the binding material, i.e. glass frit, is characterized. Microstructural features and composition are studied by scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy, respectively. Mechanical properties are measured by nanoindentation tests and the surface topography and its characteristics are obtained by laser profilometry. Also, the quality of bonding by means of mechanical resistance to external loads is investigated by die shear test. The failure mechanisms are studied experimentally as well as numerically, by exploiting the cohesive zone model for fracture. The whole thermomechanical process of wafer bonding is then modelled and simulated via a finite element commercial code. The sources of the residual stress are recognized by the results of the simulations, in terms of the effect of thermal expansion coefficient difference as well as the effect of mechanical constraints. Finally, a solution to decrease the warpage of bonded wafer is introduced via a new micromachining process. By reducing the thickness of both wafers at the center, the effect of the thermal expansion coefficient difference as well as mechanical constraints in bonding process is lessened. The simulation results show the new wafer configuration decreases 34% of wafer warpage.

La produzione dei microsistemi contempla molti passaggi, uno dei quali è dedicato all’incapsulamento o packaging. L’incollaggio di fette di silicio è il passo principale a livello di packaging e ha l’obiettivo sia di proteggere i componenti più delicati del sistema sia di mantenere l’ermeticità della camera dove è posizionato il microsistema. Il problema principale del processo è lo sforzo residuo. Dunque, l’obiettivo di questa tesi è di riconoscere le cause e presentare delle soluzioni in modo da ridurre lo sforzo residuo. Innanzitutto, viene studiato l’effetto della deposizione di film sottili sulla fetta di silicio. Poi, il materiale dell’incollaggio, detto "glass frit", è caratterizzato mediante un microscopio elettronico a scansione (SEM) e mediante spettroscopia EDX; la topografia del materiale è misurata con una profilometria a laser. Per valutare la resistenza dell’incollaggio, si esegue una prova di nano-indentazione sul glass frit. La resistenza meccanica dell’incollaggio è misurata con un test di taglio sul "die" di silicio; i meccanismi della frattura sono quindi studiati sperimentalmente. Utilizzando un modello di frattura coesiva, i risultati ottenuti sperimentalmente sono riprodotti anche numericamente. Infine, sfruttando il metodo degli elementi finiti, il processo di incollaggio viene simulato in tre dimensioni, con le medesime condizioni che si adottano nel processo industriale. Lo spostamento fuori piano è confrontato con le misure sperimentali e il paragone risulta essere in buon accordo. Inoltre, con questo modello ad elementi finiti viene introdotto un nuovo processo di micro-fabbricazione per ridurre la curvatura delle fette. Il processo consiste nel limitare lo spessore al centro della fetta di silicio, così diminuendo l’effetto della differenza nel coefficiente di espansione termica fra silicio e glass frit. Le analisi numeriche mostrano un 34% di decremento dello spostamento fuori piano nella nuova configurazione.