《電子封裝、微機(jī)電與微系統(tǒng)》課件第9章

第九章MEMS封裝9.1MEMS封裝的基本類型9.2MEMS封裝的特點(diǎn)9.3MEMS封裝的功能9.4MEMS封裝的形式9.5MEMS封裝的方法9.6MEMS封裝的工藝9.7MEMS封裝的層次9.8MEMS封裝的氣密性和真空度9.9MEMS封裝的阻尼特性9.10MEMS封裝面臨的挑戰(zhàn)

9.1MEMS封裝的基本類型

MEMS封裝的分類方式有兩種：一種是按封裝材料分類，可分為金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三類；另一種是按密封特性分類，可分為氣密封裝和非氣密封裝。

9.2MEMS封裝的特點(diǎn)

1.?MEMS封裝區(qū)別于微電子封裝的不同點(diǎn)

1)封裝層次

微電子封裝通常分四個(gè)層次，即芯片級(jí)封裝、單芯片封裝和多芯片組件的封裝、單層或多層PCB基板封裝、多層母板封裝。MEMS封裝則通常分為裸片級(jí)封裝(DieLevel)、器件級(jí)封裝(DeviceLevel)、硅圓片級(jí)封裝(WaferLeverPackaging)、單芯片封裝(SingleChipPackaging)和系統(tǒng)級(jí)封裝(SystemonPackaging)。

2)封裝類型

微電子封裝一直追隨IC芯片的發(fā)展而發(fā)展，從而形成了與各個(gè)不同時(shí)期相互對(duì)應(yīng)的有代表性的標(biāo)準(zhǔn)封裝類型。MEMS因?yàn)閼?yīng)用領(lǐng)域十分寬廣，涉及多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域，往往是根據(jù)所需功能，制作出各種MEMS后再考慮封裝問(wèn)題的，故MEMS封裝難以形成規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的封裝類型。因此，從某種意義上說(shuō)，MEMS封裝在很多情況下是專用封裝。

3)封裝環(huán)境

MEMS封裝除具有微電子封裝的一些共同模式外，本身還具有獨(dú)特性。MEMS器件對(duì)封裝的環(huán)境更為敏感，有的要求長(zhǎng)期保持氣密性，有的要求光的輸入均勻，有的要求封裝基板平整度很高，有的要求封裝本征頻率越高越好，有的要求流體進(jìn)出連續(xù)等，一旦這些關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)不到，MEMS器件就會(huì)失效。

4)封裝體積

MEMS封裝對(duì)體積的減小比微電子封裝的要求更迫切，對(duì)3D封裝的要求更強(qiáng)烈。因?yàn)镸EMS的各種元器件及部件，特別是執(zhí)行部件等，為了提高組裝密度，不可能只在平面內(nèi)展開，而必然向3D方向延伸。

5)封裝氣密性

高可靠性的MEMS產(chǎn)品要求采用氣密封裝，而某些可動(dòng)部件、機(jī)械元件又要求真空封裝，使本來(lái)經(jīng)微型化后只有微米級(jí)的部件，經(jīng)各種封裝后可能達(dá)到毫米量級(jí)，甚至厘米量級(jí)。從另一方面來(lái)說(shuō)，很多光開關(guān)等MEMS器件由于功能需要，必須是三維結(jié)構(gòu)的，所以MEMS封裝也必然是三維封裝的。

6)封裝成本

鑒于MEMS封裝自身的特殊性和復(fù)雜性，其封裝成本占MEMS總成本的80%，而微電子封裝中的封裝成本比重相對(duì)要低一些。

2.?MEMS封裝和IC封裝的區(qū)別

表9-1所示為MEMS和IC封裝的區(qū)別。

3.?MEMS封裝的特性

由于MEMS技術(shù)是一門多學(xué)科交叉滲透、綜合性強(qiáng)的技術(shù)，因此MEMS封裝具有如下自身特性。

1)專用性

MEMS中通常都有一些可動(dòng)部分或懸空結(jié)構(gòu)，如硅等空腔、梁、溝、槽、膜片等，甚至是流體部件。封裝架構(gòu)取決于MEMS器件及功能，對(duì)各種不同結(jié)構(gòu)及功能的MEMS器件，其封裝設(shè)計(jì)要因地制宜，與制造技術(shù)同步協(xié)調(diào)，具有很強(qiáng)的專用性。

2)復(fù)雜性

根據(jù)應(yīng)用的不同，多數(shù)MEMS封裝外殼上需要留有同外界直接相連的非電信號(hào)通路，例如，傳遞光、磁、熱、力、化學(xué)等一種或多種信息的輸入、輸出。輸入、輸出信號(hào)界面復(fù)雜，對(duì)芯片鈍化、封裝保護(hù)提出了特殊要求。某些MEMS的封裝及其技術(shù)比MEMS還新穎，不僅技術(shù)難度大，而且對(duì)封裝環(huán)境的潔凈度要求更高。

3)空間性

為給MEMS可活動(dòng)部分提供足夠的可動(dòng)空間，需要在外殼上刻蝕，或留有一定的槽形及其它形狀的空間，經(jīng)過(guò)灌封好MEMS，需要提供有效的保護(hù)空腔。

4)保護(hù)性

在晶片上制成的MEMS，在完成封裝之前，始終對(duì)環(huán)境的影響極其敏感。MEMS封裝的各操作工序(如劃片、燒結(jié)、互連、密封等)，需要采用特殊的處理方法，提供相應(yīng)的保護(hù)措施，加裝網(wǎng)格框架，防止可動(dòng)部位被機(jī)械損傷。系統(tǒng)的電路部分也必須與環(huán)境隔離保護(hù)，以免影響電路性能，同時(shí)要避免封裝及其材料對(duì)環(huán)境造成不良影響。

5)可靠性

MEMS使用范圍廣泛，對(duì)其封裝提出更高的可靠性要求。尤其在惡劣條件下工作的MEMS器件，利用封裝技術(shù)，避免受到有害環(huán)境侵蝕。在滿足氣密封裝功能的前提下，散發(fā)多余熱量，從而保證可靠性。

6)經(jīng)濟(jì)性

MEMS封裝主要采用定制式研發(fā)，現(xiàn)處于初期發(fā)展階段，離系列化、標(biāo)準(zhǔn)化要求尚遠(yuǎn)。降低封裝成本是一個(gè)必須解決的問(wèn)題。

9.3MEMS封裝的功能

1.機(jī)械支撐

MEMS器件是一種易損器件，因此需要機(jī)械支撐來(lái)保護(hù)器件在運(yùn)輸、存儲(chǔ)和工作時(shí)，避免熱和機(jī)械沖擊、振動(dòng)、高的加速度、灰塵和其它物理?yè)p壞。另外，對(duì)于加速度傳感器等某些特殊功能的器件，需要有定位用的機(jī)械支撐點(diǎn)。

2.環(huán)境隔離

環(huán)境隔離有兩種功能：一種是僅僅用作機(jī)械隔離，即封裝外殼僅僅起到保護(hù)MEMS器件，避免機(jī)械損壞的作用；另一種是氣密和非氣密保護(hù)。

3.接口

由于封裝外殼是MEMS器件及系統(tǒng)與外界的主要接口，因此外殼必須能完成電源、電信號(hào)或射頻信號(hào)與外界的電連接，同時(shí)大部分的MEMS芯片還要求提供與外界媒質(zhì)的接口。

4.熱傳輸通道

對(duì)帶有功率放大器、大信號(hào)電路和高集成度封裝的MEMS器件，在封裝設(shè)計(jì)時(shí)，熱的釋放是必須考慮的問(wèn)題。封裝外殼必須提供熱量傳遞的通道。

5.低應(yīng)力

在MEMS器件中，用三維加工技術(shù)制造微米或納米尺度的零件或部件，如懸臂梁、微鏡、深槽、扇片等，精度高，但十分脆弱，因此MEMS封裝應(yīng)保證對(duì)器件盡可能小的應(yīng)力。

6.高真空度

高真空度是MEMS器件的要求，以使可動(dòng)部件具有活動(dòng)性，且運(yùn)動(dòng)自如。因?yàn)樵凇罢婵铡敝?，可減小甚至消除摩擦，既能減小能源消耗，又能達(dá)到長(zhǎng)期、可靠地工作的目標(biāo)。

7.高氣密性

一些MEMS器件，如陀螺儀等，必須在穩(wěn)定的氣密性條件下方能可靠、長(zhǎng)期地工作。嚴(yán)格地說(shuō)，任何封裝都不可能實(shí)現(xiàn)完全氣密，所以只有用高氣密性的封裝來(lái)解決穩(wěn)定的氣密性問(wèn)題。某些MEMS器件封裝的氣密性要求達(dá)到1×10-12Pam3/s。

8.高隔離度

MEMS的目標(biāo)是把集成電路、微細(xì)加工元件和MEMS器件集成在一起形成微系統(tǒng)，完成信息的獲取、傳輸、處理和執(zhí)行等功能。MEMS常需要有高的隔離度，對(duì)MEMS射頻開關(guān)等微波元件更為重要。

9.特殊封裝環(huán)境

某些MEMS器件的工作環(huán)境是液體、氣體或透光的環(huán)境，MEMS封裝必須構(gòu)成穩(wěn)定的環(huán)境，并能使液體、氣體穩(wěn)定流動(dòng)，使光纖輸入具有低損耗、高精度對(duì)位的特性等。

9.4MEMS封裝的形式

1.?BGA封裝

BGA封裝的主要優(yōu)點(diǎn)是它采用了面陣列端子封裝、使它與QFP四邊扁平封裝相比，在相同端子情況下，增加了端子間距，改善了組裝性能。圖9-1所示是MEMS壓力傳感器的倒裝焊封裝，與傳統(tǒng)的封裝技術(shù)相比，引線的長(zhǎng)度較短，強(qiáng)度較大，在惡劣的環(huán)境中，有效地提高了引線互連的強(qiáng)度。圖9-1MEMS壓力傳感器的BGA封裝

2.?FCT封裝

FCT是一種芯片級(jí)互連技術(shù)。由于FCT具有高性能、高I/O數(shù)和低成本的特點(diǎn)，特別是其作為“裸芯片”的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)開始應(yīng)用于各種MEMS封裝中。

3.?CSP封裝

CSP的封裝尺寸與裸芯片相同或封裝尺寸稍大于裸芯片，一般定義為封裝的尺寸小于芯片尺寸1.2倍的封裝形式。CSP與BGA結(jié)構(gòu)基本一樣，僅僅是焊球直徑和球中心距變得更小、更薄，這樣在相同封裝尺寸下，有更多的I/O數(shù)、更低的寄生電容(在高頻中非常重要)，使得組裝密度進(jìn)一步提高，可以說(shuō)，CSP是縮小了的BGA。

4.?HDI和MCM封裝

在MCM封裝中，最常用的兩種方法是高密度互連(HighDensityInterconnect，HDI)和微芯片模塊D型(MicroChipModuleD，MCM-D)封裝技術(shù)。

9.5MEMS封裝的方法

由于MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域不同，其對(duì)封裝要求的側(cè)重點(diǎn)也有所不同，所以采用的封裝方法也有所差別，如消費(fèi)類產(chǎn)品追求低成本價(jià)格，醫(yī)用類產(chǎn)品追求微型化，通信類產(chǎn)品追求小體積和低成本價(jià)格，而軍用的高檔產(chǎn)品則主要考慮高性能、高可靠。

9.6MEMS封裝的工藝

1.清洗

盡管MEMS芯片互連有多種工藝形式，但目前引線鍵合工藝仍然是MEMS芯片互連的主要技術(shù)。如何提高引線鍵合強(qiáng)度，仍是需要進(jìn)行研究的問(wèn)題。清洗工藝對(duì)提高引線鍵合強(qiáng)度至關(guān)重要。

2.貼片

1)常用的貼片工藝的方法

在MEMS封裝工藝中，常用的貼片工藝有以下幾種

方法。

(1)導(dǎo)電膠粘接。

(2)?Au-Si合金共熔法。

(3)?Pb-Sn合金貼片。

2.常用的貼片工藝的工程選擇

膠粘貼片的工藝過(guò)程分為施膠、貼片和固化三個(gè)步驟。貼片過(guò)程中為了保證合適的粘接強(qiáng)度，對(duì)點(diǎn)膠壓力和膠點(diǎn)形狀、直徑、厚度等都有嚴(yán)格的要求。膠通常采用熱固化，圖9-2、9-3所示為膠固化前和固化后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖9-2固化前圖9-3固化后在封裝工藝散熱中，除了熱沉和散熱器外，貼片質(zhì)量的好壞也影響MEMS器件的散熱性能。在焊料貼片工藝中，常出現(xiàn)的問(wèn)題是焊接層易出現(xiàn)孔洞?？锥吹拇嬖趯?duì)熱的傳導(dǎo)性能影響極大。焊接孔洞的形式有多種多樣，大小不一，分布位置也不相同，如圖9-4所示。圖9-4貼片孔洞

3.鍵合

MEMS鍵合工藝分為引線鍵合、載帶自動(dòng)鍵合和倒裝芯片鍵合。

1)引線鍵合

引線鍵合(WireBonding，WB)技術(shù)是用金屬絲將集成電路芯片上的電極引線與集成電路底座外引線連接在一起的過(guò)程。通常，引線鍵合采用熱壓、熱超聲和超聲方法進(jìn)行。

2)載帶自動(dòng)鍵合

針對(duì)超窄引線間距、多引腳和薄外形封裝要求，載帶自動(dòng)鍵合(TAB)技術(shù)應(yīng)用得到發(fā)展。雖然TAB價(jià)格較貴，但引線間距最小可達(dá)到150μm，而且TAB技術(shù)比較成熟，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，是一種高生產(chǎn)效率的內(nèi)引線鍵合技術(shù)。

3)倒裝芯片鍵合

倒裝芯片鍵合技術(shù)是將MEMS芯片的有源區(qū)面對(duì)基板鍵合。在芯片和基板上，分別制備焊盤，然后面對(duì)面鍵合，鍵合材料可以是金屬引線、焊球或載帶，也可以是合金焊料或有機(jī)導(dǎo)電聚合物制作的焊凸點(diǎn)。圖9-5流片檢查圖9-6淀積金屬

圖9-7腐蝕金屬層

圖9-8淀積凸點(diǎn)圖9-9焊球形成圖9-10電氣連接

4.封裝外殼

1)金屬外殼封裝

金屬外殼封裝是針對(duì)軍用電子產(chǎn)品要求的高可靠性而專門設(shè)計(jì)制作的，一般具有如下特點(diǎn)：

●良好的散熱性、電性能和機(jī)械性能。

●使用溫度范圍廣，可達(dá)-65℃～125℃。

●優(yōu)良的氣密性。

●金屬外殼配合陶瓷基板，殼體較大。

2)陶瓷外殼封裝

陶瓷外殼封裝具有優(yōu)良的電、熱性能，可靠性高。

3)塑料外殼封裝

塑料外殼封裝由于其成本低廉、工藝簡(jiǎn)單，適于大批量生產(chǎn)。

5.引線框架

引線框架是MEMS模塑封裝的骨架，金屬條帶通過(guò)沖制或用化學(xué)刻蝕而成，如圖9-11所示。引線框架為組裝過(guò)程的支撐件，通過(guò)包封，成為封裝整體的一部分。圖9-11引線框架

9.7MEMS封裝的層次

9.7.1裸片級(jí)封裝

裸片級(jí)封裝(DieLevel)通常是指鈍化、隔離、鍵合和劃片等工藝，為裸片的后續(xù)加工和使用提供保護(hù)。從硅圓片上分離裸片的常用方法是采用高速旋轉(zhuǎn)的金剛石刀片進(jìn)行切割，在切割的同時(shí)，必須用高凈化水對(duì)硅圓片表面進(jìn)行沖洗。9.7.2圓片級(jí)封裝

在應(yīng)用MEMS技術(shù)制造傳感器過(guò)程中，人們一直努力想通過(guò)器件設(shè)計(jì)和制造工藝本身，減小MEMS封裝所面臨的挑戰(zhàn)。一個(gè)MEMS器件，如慣性傳感器，不僅在其制造過(guò)程中，而且在其使用過(guò)程中，都必須進(jìn)行保護(hù)，避免環(huán)境對(duì)其造成損壞。9.7.3真空鍵合封裝

許多慣性傳感器(如加速度傳感器和陀螺)需要有參考真空腔，傳感器在真空條件下工作。隨著圓片級(jí)封裝的發(fā)展，真空腔可以在圓片級(jí)尺度上完成。分片時(shí)，傳感器敏感元件被保護(hù)起來(lái)。圖9-12圓片鍵合

1.玻璃鍵合

在玻璃鍵合中，硼酸鉛或者“焊料”玻璃以粉末形式提供，再混合成為可進(jìn)行絲網(wǎng)印刷的膏狀體。鍵合前，通過(guò)熱處理方法進(jìn)行除氣，形成真空腔，實(shí)現(xiàn)氣密封裝。例如，壓力傳感器封裝中，通過(guò)硅芯片與硅襯底的鍵合形成真空腔。鍵合在真空環(huán)境下進(jìn)行，硅與硅之間為玻璃封接材料。

2.陽(yáng)極鍵合(硅—玻璃鍵合)

陽(yáng)極鍵合(硅—玻璃鍵合)是MEMS硅圓片與玻璃襯底相封接的常用封接方法。由于硼硅玻璃與硅有相近的線膨脹系數(shù)，因此用硼硅玻璃作玻璃襯底。鍵合時(shí)，溫度為300℃～450℃，電壓為300～1000V，壓力為0～200kPa，硅片置于陽(yáng)極加熱板上，玻璃與陰極連接，陽(yáng)極鍵合所用的硼硅玻璃重?fù)诫s鈉，與集成CMOS-IC的MEMS傳感器不兼容。圖9-13硅—玻璃陽(yáng)極鍵合

3.焊料鍵合

焊料鍵合技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微電子封裝領(lǐng)域。根據(jù)材料的不同，焊料鍵合可細(xì)分為共晶鍵合(硬焊料鍵合)和軟焊料鍵合兩種。

4.硅—硅鍵合(硅熔融鍵合)

硅熔融鍵合不需要中間層，簡(jiǎn)化了器件的制作。硅圓片直接鍵合用于制造SOI(硅絕緣技術(shù))器件和壓力傳感器。硅—硅鍵合需要對(duì)拋光硅圓片進(jìn)行親水清洗，再室溫或低溫貼合，最后在高溫下(1000℃)鍵合若干小時(shí)。由于硅熔融鍵合需要在高溫下長(zhǎng)時(shí)間處理，因而該技術(shù)不能應(yīng)用于已經(jīng)含有CMOS電路的硅圓片。9.7.4有機(jī)粘接

有機(jī)粘接的優(yōu)點(diǎn)如下：

●工藝溫度相對(duì)較低；

●不需要加電場(chǎng)；

●與CMOS工藝兼容；

●可對(duì)各種材料圓片進(jìn)行粘接；

●無(wú)需對(duì)圓片表面進(jìn)行特殊處理；

●容忍表面存在結(jié)構(gòu)或顆粒，并允許有突出結(jié)構(gòu)或顆粒存在。

9.8MEMS封裝的氣密性和真空度

為保護(hù)芯片和封裝的金屬鍍層免受環(huán)境腐蝕和處理過(guò)程中的機(jī)械損傷，密封腔氣密性的真空度要求在MEMS封裝中就顯得越來(lái)越重要。目前在高可靠性MEMS應(yīng)用中，幾乎都采用氣密性封裝。圖9-14水在不同材料中的滲透能力

9.9MEMS封裝的阻尼特性

在硅微機(jī)械振動(dòng)式微慣性器件中，系統(tǒng)阻力系數(shù)和阻尼比是影響慣性器件動(dòng)態(tài)響應(yīng)和性能的重要參數(shù)。在MEMS運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制中，微結(jié)構(gòu)的靈敏度、分辨率和器件噪聲特性均與阻尼有關(guān)。器件的工作方式不同，對(duì)阻尼的要求也不同。阻尼越大，機(jī)械噪聲就會(huì)越大，而品質(zhì)因素就會(huì)越小。

1.滑膜阻尼

滑膜阻尼模型如圖9-15所示。由于氣體具有黏性，運(yùn)動(dòng)極板將帶動(dòng)板間氣體流動(dòng)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)極板受到空氣阻尼的作用，此時(shí)的空氣阻尼稱為滑膜阻尼。根據(jù)動(dòng)板的運(yùn)動(dòng)頻率高低，滑膜阻尼分為Couette流和Stokes流。

●?Couette流的平板振動(dòng)頻率低，間距d小。

Couette流的阻尼系數(shù)為

(9-1)圖9-15滑膜阻尼模型

Stokes流的阻尼系數(shù)為

(9-2)

(9-3)

2.壓膜阻尼

兩平行極板相對(duì)運(yùn)動(dòng)，擠壓氣體薄膜引起壓膜阻尼。上極板由于受力或被傳遞了速度，向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致極板邊緣的氣體被擠出；當(dāng)極板向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，板間氣體壓強(qiáng)減小，外部氣體被吸入間隙中，流動(dòng)的氣體產(chǎn)生的黏滯拉力作為耗散力施加在極板上，阻礙極板運(yùn)動(dòng)。

壓膜阻尼模型如圖9-16所示。圖9-16壓膜阻尼模型

1)長(zhǎng)條矩形板

對(duì)于如圖9-17所示的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)大于寬度B的長(zhǎng)條矩形板，阻尼系數(shù)為

(9-4)圖9-17長(zhǎng)條矩形板

2)普通矩形板

對(duì)于普通矩形板，結(jié)構(gòu)氣膜阻尼系數(shù)為

(9-5)圖9-18長(zhǎng)寬壓膜因子示意圖

3)圓形平板

如圖9-19所示的半徑為R的圓形平行板之間的氣膜阻尼系數(shù)為

(9-6)圖9-19圓形平板

9.10MEMS封裝面臨的挑戰(zhàn)

1.復(fù)雜環(huán)境

與微電子產(chǎn)品相比，MEMS的主要差別在于品種繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、與應(yīng)用環(huán)境的接口類型很多，在尺寸、加工夾具和設(shè)備上的限制也很大。

2.標(biāo)準(zhǔn)化接口