Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi

ÖZENBAŞ, Ahmet Macit; KALAY, Yunus Eren

Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi

Yürütücü

Yunus Eren KALAY (Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)

Danışman(lar)

Ahmet Macit ÖZENBAŞ (Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)

9 0

Proje Grubu: EEEAG Sayfa Sayısı: 104 Proje No: 115E060 Proje Bitiş Tarihi: 01.12.2018 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 05-03-2020

Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi

Öz:

Özellikle savunma sanayinde yogun ihtiyaç duyulan sogutmasız kızılötesi dedektörlerin yurt içinde, ulusal imkânlarla özgün olarak tasarlanması, özgün üretim süreçlerinin gelistirilmesi ve üretilmesi büyük önem arz etmektedir. Sogutmasız kızılötesi detektörlerden yüksek performans elde etmedeki en önemli etkenlerden biri dedektörlerin vakum ortamında çalıstırılmasıdır. Dolayısıyla, MEMS tabanlı sogutmasız kızılötesi dedektörlerin ürüne dönüsmesindeki en son adım olan paketleme konusu daha da önem kazanmaktadır. Paketleme dedektör seviyesinde tek tek yapılabildigi gibi silisyum disk seviyesinde de yapılabilir. Yürütülen proje kapsamında sogutmasız kızılötesi dedektörler için vakum paketleme süreçlerinde kullanılabilecek, dedektör üretim süreçleriyle ve dedektörlerin üretildigi CMOS tabanlarla uyumlu bir paketleme yöntemi gelistirilmesi ve yöntemin yine proje kapsamında üretilmis olan sogutmasız kızılötesi detektörlere disk seviyesinde uygulanması hedeflenmistir. Bu kapsamda vakum paketleme yönteminin gelistirilmesi için Au-Sn ve Au-Si malzeme sistemleriyle yapılan denemeler sonucunda, Au-Sn malzeme sistemiyle geçici sıvı faz baglama (TLP) methodunun dedektör üretim süreçleri ve dedektör performansı açısından avantajlı olduguna karar verilerek bu yönteme yogunlasılarak bir baglama methodu gelistirilmistir. Baglama methodu gelistirme süreçleri kapsamında baglama hatlarının metal katmanlarının kimyasal kompozisyon, kaplama yöntemleri, baglama sıcaklıgı ve basıncı altında metaller arası etkilesim bakımından TLP baglama methoduna uygun olarak ideallestirilmesi gerçeklestirilmistir. Ideallestirme çalısmaları sırasında baglaması yapılan örneklere yapısal incelemeler optik, akustik (SAM) ve elektron mikroskobu (SEM/TEM) ile kimyasal ve faz incelemeleri EDX ve XRD yöntemleriyle, mekanik incelemer ise kesme dayanımı testi yöntemiyle gerçeklestirilmistir. Yapılan ideallestirme ve inceleme çalısmaları sonucunda, Au-Sn malzeme sistemiyle TLP metoduna uygun olarak deneme örnekleri üstünde gelistirilen baglama yöntemi görece düsük sıcaklıkta (300-320°C) baglamayı saglayıp, baglama sonrası yüksek sıcaklıklara (500°C'den fazla) dayanım imkânı ve mekanik olarak askeri standartlara uygun bir kesme dayanımı (6 MPa'dan fazla) göstermektedir. Ayrıca yöntem bolometre yapılarının performansına kötü yönde etki etmemektedir. Deneme örnekleri üzerinde MIL-STD 883 standartına uygun olarak yapılan He kaçak testlerinde 1x10- 9 atm.cc/s?den daha büyük kaçaklar tespit edilememistir. Baglama yöntemi, proje kapsamında üretimi gerçeklestirilen VOx tabanlı 25?m adım aralıklı 384x288 formata sahip sogutmasız detektörlere disk seviyesinde tek sefer uygulanmıstır. Uygulama ile ilgili tüm süreç yasanan problemlerin detayları ile birlikte ayrıntılı olarak anlatılmıstır.

Anahtar Kelime: Ötektik Disk Seviyesi Paketleme MEMS Mikrobolometre Sogutmasız Kızılötesi Dedektör TLP

Konular: Malzeme Bilimleri, Özellik ve Test Malzeme Bilimleri, Kaplamalar ve Filmler Metalürji Mühendisliği

Erişim Türü: Erişime Açık

[1] Welch W.C., 2008 Vacuum and Hermetic Packaging of MEMS Using Solder, PhD Thesis, The University of Michigan.
[2] Mitchell J. S., 2008 Low Temperature Wafer Level Vacuum Packaging Usin Au-Si Eutectic Bondin and Localized Heating, PhD Thesis, The University of Michigan.
[3] Liu H., Wang K. Aasmundtveit K.E. ve Hoivik N.,Intermetallic Compound Formation Mechanisms for Cu-Sn Solid–Liquid Interdiffusion Bonding, Journal of Electronic Materials, Vol. 14, No. 9.
[4] Lapadatu A., Simonsen T. I., Kittilsland G., Stark B., Hoivik N., Dalsrud V. ve Salomonsen G., 2010 “Cu-Sn Wafer Level Bonding for Vacuum Encapsulation of Microbolometers Focal Plane Arrays, ECS Trans., Vol. 33, Issue 4.
[5] Van De Wiel H.J.,Vardoy A-S.B., Hayes G., Fischer H.R., Lapadatu A. ve Taklo M.M.V., 2012, Characterization of hermetic wafer-level Cu-Sn SLID bonding, ESTC,.
[6] Marauska S., Claus M., Lisec T. ve Wagner B., Low temperature transient liquid phase bonding of Au/Sn and Cu/Sn electroplated material systems for MEMS wafer-level packaging,Microsystem Technologies, Vol. 19, Issue 8, 2012.
[7] Mitchell J. S. and Najafi K., 2009 “A Detailed Study of Yield and Reliability for Vacuum Packages Fabricated in a Wafer Level Au-Si Eutectic Bonding Process,” in Proc. Transducers 2009, pp. 841-844,
[8] Chae J., Giachino J. M., and Najafi K., 2008 “Fabrication and Characterization of a Wafer Level MEMS Vacuum Package with Vertical Feedthroughs,” Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 17, pp.193-200.
[9] Lee S., Mitchell J. S., Welch W., Lee S., and Najafi K., 2010. “Wafer Level Vacuum/Hermetic Packaging Technologies for MEMS,” in Proc. SPIE, Vol. 7592, 759205.
[10] Savornin B., Baillin X., Blanquet E., Nuta I., Patrice D. S., Nicolas P., Charvet P. L., and Pornin J. L., 2012 “New Method to Evaluate Materials Outgassing used in MEMS Thin Film Packaging Technology,” Microelectronic Engineering, Vol. 107, pp. 97-100.
[11] Ko W . H., Suminto J. T., and Yeh G. J., 1985 “Bonding Techniques for Microsensors,” Elsevier.
[12] Dragoi V., Mittendorger G., Thanner C., and Lindner P., 2008 “Wafer Level Plasma Activated Wafer Bonding: A New Technology for MEMS Fabrication,” Microsystem Technologies, Vol. 14, pp. 509-515.
[13] Takagi M. and Maeda R., 2005 “Aligned Room Temperature Bonding of Silicon Wafers in Vacuum by Argon Beam Surface Activation,” Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 15, pp. 290-295.
[14] Cheng Y., Hsu W., Najafi K., Nguyen C. T. ve Lin L., 2002 Vacuum packaging technology using localized aluminum/silicon-to-glass bonding, J. Microelectromech Syst, Vol. 11,.
[15] Ma Z., Zhou G. L., Morkoc H., Allen L. H. ve Hsieh K. C., 1994, Solid-state reaction-mediated low-temperature bonding of GaAs and InP wafers to Si substrates, Appl. Phys. Lett., Vol. 64,.
[16] Djurfors B. ve Ivey D. G., 2001, Pulsed electrodeposition of the eutectic Au/Sn solder for optoelectronic packaging, J Electron Mater, Vol. 30.
[17] Lee J.-H., Ko Y.-C., Choi B.-S., Kim J.-M. ve Jeon D. Y., 2002, Bonding of silicon scanning mirror having vertical comb fingers, J Micromech Microengineering, Vol. 12.
[18] Baggerman A. F. J. ve Schwarzbach D., 1998, Solder-jetted eutectic PbSn bumps for flipchip, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology Part B: Advanced Packaging, Vol. 21,
[19] Tilmans H. A. C., Peer V., Myriam D.J. ve Beyne E., 2000, Indent reflow sealing (IRS) technique -a method for the fabrication of sealed cavities for MEMS devices, J Microelectromech Syst, Vol. 9.
[20] Stark B. H. ve Najafi K., 2004, "A mold and transfer technique for lead-free fluxless soldering and application to wafer-level low-temperature thin-film packages," in 17th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS): Maastricht MEMS 2004 Technical Digesl,.
[21] ASM, ASM Handbook, 1992 Volume 03 - Alloy Phase Diagrams.
[22] Flötgen C., Corn K., van de Wiel H. J., Hayes G. R. ve Dragoi V. , 2012, Cu-Sn Transient Liquid Phase Wafer Bonding: Process Parameters Influence on Bonded Interface Quality, ECS Transactions, Vol. 50.
[23] Bosco N. S. ve Zok F. W., 2004, Critical interlayer thickness for transient liquid phase bonding in the Cu–Sn system, Acta Materiallia, Vol 52,.
[24] Marauska S., Claus M., Lisec T., and Wagner B., 2013 "Low Temperature Transient Liquid Phase Bonding of Au/sn and Cu/Sn Electroplated Material Systems for Mems Wafer-Level Packaging." Microsystem Technologies : Micro and Nanosystems Information Storage and Processing Systems. 19.8: 1119-1130.
[25] Welch W.C, Najafi K.. 2008 "Gold-indium Transient Liquid Phase (TLP) wafer bonding for MEMS vacuum packaging". 806-809.
[26] Welch W.C, Najafi K.. 2007 "Nickel-Tin Transient Liquid Phase (TLP) Wafer Bonding for MEMS Vacuum Packaging". 1327-1328,
[27] Theunis F., Lisec T., Reinert W., Bielen J., Yang D., Jonghl M.D. ve P. V. E. Krusemann, 2007, A Novel and Efficient Packaging Technology For RF-MEMS Devices, ECTC,.
[28] Chromik R. R., Wang D-N., Shugar A., Limata L., Notis M. R., ve Vinci R. P., Mechanical Properties of Intermetallic Compounds in the Au–Sn System, J. Mater. Res., Vol. 20, No. 8, 2005.
[29] Xu H., Suni T., Vuorinen V., Li J., Heikkinen H., Monnoyer P., and Paulasto-Kröckel M. 2013 "Wafer-level SLID bonding for MEMS encapsulation". Advances in Manufacturing. 1 (3): 226-235.
[30] Hoivik N., Aasmundtveit K., 2012 Wafer-level solid–liquid interdiffusion bonding. In Handbook of Wafer Bonding; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany, pp. 181–214.
[31] Ghosh G., 2004, “Elastic properties, hardness, and indentation fracture toughness of intermetallics relevant to electronic packaging”. J. Mater. Res., 19, 1439–1454.
[32] Tollefsen, A., Løvvik O. M., and Aasmundtveit K., 2012 "Au-Sn SLID Bonding--Properties and Possibilities". Metallurgical and Materials Transactions B. 43 (2): 397-405.
[33] Garnier, A., Lagoutte E., Baillin X., Gillot C., and Sillon N., 2011 "Gold-tin bonding for 200mm wafer level hermetic MEMS packaging". 1610-1615.
[34] Yamada T., Miura K., Kajihara M., Kurokawa N., Sakamoto K., 2005, “Kinetics of reactive diffusion between Au and Sn during annealing at solid-state temperatures”, Materials Science and Engineering A, 390: 118-126.
[35] Weste, N. H. E., Harris, D. M. 2011. Sayfa 212. CMOS VLSI Design, A Circuits and Systems Perspective (4. Basım). ABD: Addison-Wesley (Pearson).

APA	KALAY Y, ÖZENBAŞ A (2018). Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi. , 1 - 104.
Chicago	KALAY Yunus Eren,ÖZENBAŞ Ahmet Macit Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi. (2018): 1 - 104.
MLA	KALAY Yunus Eren,ÖZENBAŞ Ahmet Macit Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi. , 2018, ss.1 - 104.
AMA	KALAY Y,ÖZENBAŞ A Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi. . 2018; 1 - 104.
Vancouver	KALAY Y,ÖZENBAŞ A Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi. . 2018; 1 - 104.
IEEE	KALAY Y,ÖZENBAŞ A "Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi." , ss.1 - 104, 2018.
ISNAD	KALAY, Yunus Eren - ÖZENBAŞ, Ahmet Macit. "Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi". (2018), 1-104.

APA	KALAY Y, ÖZENBAŞ A (2018). Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi. , 1 - 104.
Chicago	KALAY Yunus Eren,ÖZENBAŞ Ahmet Macit Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi. (2018): 1 - 104.
MLA	KALAY Yunus Eren,ÖZENBAŞ Ahmet Macit Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi. , 2018, ss.1 - 104.
AMA	KALAY Y,ÖZENBAŞ A Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi. . 2018; 1 - 104.
Vancouver	KALAY Y,ÖZENBAŞ A Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi. . 2018; 1 - 104.
IEEE	KALAY Y,ÖZENBAŞ A "Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi." , ss.1 - 104, 2018.
ISNAD	KALAY, Yunus Eren - ÖZENBAŞ, Ahmet Macit. "Mikrobolometre Tipi Sogutmasız Kızılötesi Dedektör Dizinlerine Uygun Silisyum Disk Seviyesinde Vakum Paketleme Yöntemlerinin Gelistirilmesi". (2018), 1-104.