MEMS封裝技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1、MEMS封裝技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用一、MEMS技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r1.1 MEMS 概述MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems ）的英文縮寫。它是指可批量 制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信 和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是以微電子、微機(jī)械和材料科學(xué)科學(xué)為基礎(chǔ)，研究、設(shè)計(jì)、制造具有特定功能的微型裝置的一門學(xué)科。MEMS器件與傳感器集成技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前已相當(dāng)成熟。但是封裝的制造成本目前仍是制約MEMS產(chǎn)品市場進(jìn)一步擴(kuò)大的關(guān)鍵因素。MEMS器件由于其應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜而和很難與一般的封裝方法相適應(yīng)

2、。通常，MEMS器件的封裝應(yīng)滿足下列要求：1）封裝應(yīng)對傳感器芯片提供一個(gè)或多個(gè)環(huán)境接口2）封裝對傳感器芯片，尤其是那些對應(yīng)力特別敏感的傳感器帶來的應(yīng)力要盡可能小3）封裝與圭寸裝材料不應(yīng)對應(yīng)用環(huán)境造成不良影響4）封裝應(yīng)保護(hù)傳感器及電子器件免遭不利環(huán)境的影響5）封裝必須提供與外界的通道，可通過電接觸或無線的方法通常情況下，可將各種封裝方法分為三類：晶片級(jí)封裝方法、單芯片封裝和多芯片模塊與微系統(tǒng)封裝。1.2封裝技術(shù)現(xiàn)狀1.2.1晶片級(jí)封裝過去十幾年中晶片貼合技術(shù)備受關(guān)注，國外已經(jīng)開發(fā)了多種硅-硅、玻璃-硅和玻璃-玻璃貼合方法。早期的硅-硅貼合方法只能用于較高的溫度，最近幾年不斷有低溫方法出現(xiàn)，目 前

3、已可在120400 C下實(shí)現(xiàn)牢固而可靠的貼合。因此可采用雙極和CMOS工藝完成。玻璃-硅貼合通常采用陽極氧化。當(dāng)只有一層玻璃介質(zhì)層時(shí)可采用3060V的低電壓。當(dāng)使用含堿量低的低熔點(diǎn)玻璃時(shí)，可用融化玻璃的方法實(shí)現(xiàn)鏡片貼合，并完全與CMOS工藝兼容，如果在實(shí)際貼合之前用熱處理的方法去除玻璃種的氣泡，就可形成密封性能極好的高真空腔。 晶片-晶片貼合的其他選擇還包括采用粘結(jié)劑和易熔方法等。貼合期間在接觸點(diǎn)上施加壓力 還可實(shí)現(xiàn)晶片之間的電互連。另一種晶片級(jí)封裝的方法是在一排生化傳感器上制作一些微型Si3N4帽，用于保護(hù)化學(xué)傳感器的壽命界面，從而達(dá)到延長傳感器壽命的目的。還可以在晶片上制作流量敏感器和微泵

4、的進(jìn)出通道?？捎镁饘倩夹g(shù)通過服飾空實(shí)現(xiàn)晶片有源面與背面的連接。采用這種方法可使背面接觸很容易地與有源面隔離開，芯片很容易的安裝到任何載體上或任何屏蔽中， 而不會(huì)妨礙進(jìn)出通道。1.2.2單芯片封裝通常用于傳感器件和電子芯片在一塊芯片上合成的班上芯片方法。其具體工藝步驟是： 首先在板上完成芯片貼合，用引線鍵合實(shí)現(xiàn)連接， 最后在器件上涂一層塑料化合物，傳感器/制動(dòng)器的有源程序區(qū)除外，應(yīng)用區(qū)被限制在相對安全的環(huán)境中。對普通環(huán)境下的低成本應(yīng)用而言，MEMS器件采用塑料封裝技術(shù)是一種較好的選擇，已開發(fā)出許多方法用于傳感器和制動(dòng)器的轉(zhuǎn)移模封裝，同時(shí)保留至有源器件區(qū)的進(jìn)出通路。 盡管塑料封裝不能應(yīng)用于侵

5、蝕性環(huán)境，但預(yù)計(jì)大多數(shù)傳感器都將應(yīng)用于相對良好的條件下， 因此塑料封裝是一種較好的選擇。在不能采用普通低成本封裝方法的情況下，仍將繼續(xù)采用在專用管殼中直接安裝裸芯片的方法。1.2.3多芯片模塊與微系統(tǒng)目前，由于各種應(yīng)用都需將電子元件與傳感器或制動(dòng)器等MEMS器件集成在一個(gè)小型模塊或位系統(tǒng)中，這就對專用封裝技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。通常，采用一種技術(shù)不能達(dá)到傳感器（制動(dòng)器）與電子器件集成的目的，從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)看，在一塊芯片上合成也是不可取的， 在這類情況下就需要小型多芯片模塊。工作環(huán)境的不同對封裝技術(shù)的要求也不同，因此采用的封裝方法也有所不同。 如果側(cè)重多芯片集成就可采用較通用的方法，如果側(cè)重應(yīng)用就要采

6、用專用方法。目前有三種比較通用的方法用于低成本微系統(tǒng)封裝。第一種方法是將現(xiàn)有的商用預(yù)成型塑料有引線芯片載體（PLCC）封裝垂直疊加起來，用于連接所有的PLCC引線。最后用激光束蒸發(fā)金，將要用的連接隔離開。第二種方法是采用一個(gè)裝有電子器件的平臺(tái)芯片，用引線鍵合或倒裝芯片技術(shù)將傳感器/制動(dòng)器芯片安裝起來。該平臺(tái)連接母線、功率處理和微控制器的作用。最后可采用單芯片 封裝的方法完成封裝的全過程。第三種方法是在玻璃襯底上凹槽中安裝裸芯片。先在表面上貼一層介質(zhì)箔，在鍵合通路商開出窗口，然后淀積互連線，最后將窗口開至有源傳感器的制動(dòng)器區(qū)。這種方法的不足是，其窗口時(shí)采用激光燒蝕制成的，因此制作成本較高，而且在

7、介質(zhì)箔鍵合器件很容易對微機(jī)械機(jī)構(gòu)造成損傷，因此隨著其他高性能、低制作成本技術(shù)的不斷出現(xiàn)，將來會(huì)逐步淘汰這一方 法。1.3 MEMS的測試方法1.3.1微機(jī)械測量對MEMS的機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)如位移、速度、 振幅、頻率等進(jìn)行精確測量已成為MEMS發(fā)展的迫切要求。目前采用的微機(jī)械測量方法主要有電測法和光測法。電測法具有簡單實(shí)用、 穩(wěn)定性好、信號(hào)分析處理容易等特點(diǎn)，包括壓阻測試法、電容測試法、電感測試法、壓電測 試法等在內(nèi)的電測法在微機(jī)械測量中占有重要地位，具體應(yīng)用例子有：國內(nèi)研制的一種硅微機(jī)械粘滯型諧振真空計(jì)，使用了制作在懸臂梁根部的橫向壓阻器件實(shí)現(xiàn)單晶硅制作的懸臂梁 的振動(dòng)信號(hào)機(jī)電轉(zhuǎn)換； 在研究微角速

8、度傳感器在不同氣壓下的振動(dòng)特性時(shí)，采用電容檢測技術(shù)測量微機(jī)械角速度傳感器的振動(dòng)信號(hào)等。微機(jī)械的特征尺寸一般為毫米甚至亞微米遠(yuǎn)小于宏觀機(jī)械，微機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性很容易被測量過程干擾，光電測試法由于是非接觸測量，同時(shí)又具有分辨率好、精度高的特點(diǎn)，目前已成為微機(jī)械檢測領(lǐng)域的研究特點(diǎn)，一些列應(yīng)用光電檢測方法的 MEMS動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測儀器，如激光多普勒測振儀、頻閃顯微干涉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)、光纖邁克爾遜干涉儀等已投 入實(shí)際應(yīng)用。1.3.2微幾何量檢測方法微幾何量測量主要是針對 MEMS的微小構(gòu)件的三維尺寸、三維形貌的精密測量。如何界定MEMS尺寸范圍目前沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，一般認(rèn)為范圍在亞微米到10mm之間。

9、微幾何量測量具有以下特點(diǎn)：測量力引起的誤差較大；定位誤差往往較大；溫度引起的誤差較大； 被測件輪廓影像易受異物的影響；衍射效應(yīng)的影響大。目前，光切法、干涉法、共焦顯微干 涉法等非接觸測量方法已經(jīng)成為對微小構(gòu)件幾何量精密測量的主要方法，其中，將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與光學(xué)顯微技術(shù)相結(jié)合的微視覺測量方法越來越受到重視。1.3.4微材料特性檢測MEMS器件的組成材料特性是影響 MEMS可靠性、穩(wěn)定性的重要因素，由于加工工藝、 結(jié)構(gòu)尺寸不同，即使是同樣的材料也會(huì)表現(xiàn)出不同的材料特性，因此對MEMS器件組成材料特性進(jìn)行檢測具有重要意義。目前在 MEMS設(shè)計(jì)、制造中比較常見的材料特性包括測量 材料的斷裂模數(shù)、彈性

10、模量、應(yīng)力應(yīng)變、微摩擦特性等。常用的方法有：用靜態(tài)梁彎曲實(shí)驗(yàn) 測量材料的力學(xué)特性；用固有頻率法測量微型梁的楊氏模量；應(yīng)變/位移干涉測量儀的干涉測量法、微摩擦測量方法等。二、MEMS技術(shù)的應(yīng)用需求鑒于MEMS器件具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可批量生產(chǎn)并與微型推進(jìn)器相兼容的優(yōu)勢，在一些空間應(yīng)用領(lǐng)域其可實(shí)現(xiàn)常規(guī)飛行器和衛(wèi)星上許多部件的微型化與輕量化。同時(shí)，因具有冗余設(shè)計(jì)而提高了飛行可靠性。這些優(yōu)勢使其在智能化小型衛(wèi)星、微型衛(wèi)星、納型微型和皮型微型領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。它們主要致力于數(shù)十個(gè)、上百個(gè)或上千個(gè)納米級(jí)或皮型同類衛(wèi)星協(xié)同工作， 在太空可組成衛(wèi)星星座， 編隊(duì)飛行，完成如空間硬件的構(gòu)建、 導(dǎo)航、

11、 偵察、監(jiān)視和通信等任務(wù)，也可以執(zhí)行反導(dǎo)和星際作戰(zhàn)任務(wù)，例如著名的美國NASA與歐洲航天局的激光干涉空間天線（ LISA ）項(xiàng)目將使用基于 MEMS的微推進(jìn)器，計(jì)劃于 2019 年執(zhí)行太空飛行任務(wù)。目前航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的國外MEMS器件及其技術(shù)成熟度如表 1。如表1所示MEMS加速計(jì)、陀螺儀和其他專用慣性器件在保證宇航員安全和太空船導(dǎo)航系 統(tǒng)在軌運(yùn)行方面發(fā)揮作用已有十多年。MEMS晶振是NASA用于太空勘測的最新 MEMS器件。與MEMS晶振類似，MEMS慣性器件的最大優(yōu)點(diǎn)在于它們具有良好的抗震性以及很小 的SWAP （尺寸、質(zhì)量和功率的簡稱）。目前，SiTime公司已經(jīng)可以生產(chǎn)頻率高達(dá)125

12、MHz的MEMS晶振，是普通石英晶振體積的1/2，而且正在開發(fā)在同一裸片上集成多個(gè)MEMS諧振器的芯片，以形成實(shí)現(xiàn)NASA超微型軟件定義無線電所需的RF濾波器組件。它可在-100+100 C正常工作，適合太空勘測任務(wù)。表1航天用MEMS器件及其技術(shù)成熟度MEMS器件名稱執(zhí)行飛行任務(wù)預(yù)計(jì)技術(shù)成熟度慣性導(dǎo)航（加速度計(jì)、陀螺儀）為NASA執(zhí)行常規(guī)飛行高級(jí)壓力傳感器磁力儀為運(yùn)載火箭執(zhí)行常規(guī)飛行在立方體衛(wèi)星上飛行高級(jí)高級(jí)原子力顯微鏡2008年執(zhí)行NASA的“鳳凰”任務(wù)中咼級(jí)太陽傳感器2008年執(zhí)行 Delfi 3C任務(wù)中咼級(jí)微型流體控制器執(zhí)行NASA的Gen eSat衛(wèi)星任務(wù)中極測輻射熱計(jì)2009年執(zhí)行

13、歐航局的 Planek任務(wù)中級(jí)光學(xué)開關(guān)未執(zhí)行過太空任務(wù)中級(jí)推進(jìn)器（離子、冷氣、膠體和固態(tài)推進(jìn)劑）2006執(zhí)行NASA空間技術(shù)5的任務(wù)中級(jí)熱控制器2006年執(zhí)行NASA空間技術(shù)5的任務(wù)2000年應(yīng)用于繞軌皮衛(wèi)星自動(dòng)發(fā)射器中級(jí)射頻開關(guān)和可變電容器（OPAL）中低級(jí)MEMS振蕩器未執(zhí)行過太空飛行任務(wù)中低級(jí)此外，在軌飛行的還有一些納型和皮型飛行，如繞軌皮衛(wèi)星自動(dòng)發(fā)射器于2000年發(fā)射升空，其內(nèi)含兩個(gè)皮型衛(wèi)星。 每個(gè)皮型衛(wèi)星上裝有 Rockwell公司MEMS射頻開關(guān)。當(dāng)OPAL 進(jìn)入軌道，就把一對皮型衛(wèi)星釋放到低地球軌道，每顆衛(wèi)星的質(zhì)量小于 230g，尺寸為10.2cmX 7.6cm X 2.5cm，

14、彼此通過30cm長的細(xì)繩連接（細(xì)繩中加入幾股細(xì)金屬絲），以便地面雷達(dá)跟蹤。這對皮型衛(wèi)星由美國宇航公司研制。其目的是觀測MEMS器件在經(jīng)受太空環(huán)境后如何工作，當(dāng)皮型衛(wèi)星在低軌道運(yùn)行一年，回收后仍可正常工作。三、MEMS技術(shù)的發(fā)展趨勢3.1晶片級(jí)封裝保護(hù)涂層、晶片鍵合、晶片電鍍及其他晶片級(jí)工藝最近不斷取得新的進(jìn)展，這些進(jìn)步極大地促進(jìn)了全晶片級(jí)封裝概念的形成。因此，國外有許多機(jī)構(gòu)和公司都在從事該技術(shù)的研究，然而微系統(tǒng)全晶片封裝方法并不像標(biāo)準(zhǔn)的電子封裝那么簡單和直接，通常要取決于許多因素，如貼合點(diǎn)上焊點(diǎn)的生長和淀積，隨后在印制電路板上安裝的倒裝芯片及模壓混合物的表面精 飾等。目前國外已開發(fā)出尤其適合多

15、引線數(shù)電子電路應(yīng)用的各種芯片尺寸的封裝技術(shù)，如管殼封裝和微型球柵陣列封裝等。大多數(shù)傳感器和制動(dòng)器件不能使用標(biāo)準(zhǔn)的倒裝芯片技術(shù)，因?yàn)樗鼈儗Ψ庋b技術(shù)的要求較高。最重要的要求包括：（1）許多傳感器和制動(dòng)器需要直接和敞開的進(jìn)出通路與環(huán)境相通。在印制電路板或其 他載體上采用面向下的安裝方式，如倒裝芯片技術(shù)等都會(huì)擋住進(jìn)出通路。因此常用背面接觸來解決這一問題；（2）這些器件通常應(yīng)用于侵蝕性（化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、物理等）環(huán)境，這就意味著, 為了防止退化，在最終應(yīng)用中需要對背面接觸進(jìn)行特殊的保護(hù)處理（3）傳感器和制動(dòng)器芯片全晶片封裝所需的額外的工藝步驟及相應(yīng)的成本要比電子芯 片晶片級(jí)封裝的成本高出許多。因此目前這

16、一技術(shù)還很難與獨(dú)立封裝方法競爭（4）即使晶片級(jí)封裝技術(shù)具有一定的競爭優(yōu)勢，也仍有許多因素限制它的實(shí)際應(yīng)用。盡管如此，全晶片級(jí)封裝仍將是傳感器和制動(dòng)器等MEMS器件封裝用的一種重要技術(shù)，且前景看好，因?yàn)椴捎迷摷夹g(shù)制作出的元件較小，并可滿足如進(jìn)出通路、 保護(hù)和電接觸等方面的所有基本要求。此外該技術(shù)易操作，并可應(yīng)用于許多不同領(lǐng)域。但它目前離低成本、高 靈活性和高性能的工藝要求仍有較大差距。3.2單芯片封裝單個(gè)傳感器/制動(dòng)器芯片封裝可采用不同的方法。當(dāng)應(yīng)用對封裝沒有額外的要求和限制 時(shí)可采用一下比較通用的方法：（1） 板上芯片方法：采用這種方法時(shí)，先將芯片安裝到PCB或其他載體上，隨后精確分布保護(hù)材料

17、，當(dāng)有敞開的進(jìn)出通路通向有源芯片區(qū)時(shí)可使鍵合引線與芯片得到充分保。由于這一技術(shù)沿用了標(biāo)準(zhǔn)的電子封裝方法，因此是一項(xiàng)比較成熟且成本較低的技術(shù)。（2）預(yù)成型封裝，如金屬、陶瓷、玻璃和（預(yù)模壓）塑料封裝等技術(shù)是普遍采用的封裝技術(shù)。這種方法的普及主要得益于它的簡便和易操作等特點(diǎn)。它允許使用標(biāo)準(zhǔn)的芯片貼合和引線鍵合工藝。盡管如此，預(yù)成型封裝的制作成本仍教較高，因而限制了它在大規(guī)模、低 成本傳感器制作中的廣泛應(yīng)用。對低成本應(yīng)用而言傳感器采用塑料封裝技術(shù)是一個(gè)較高的選擇。例如在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中， 傳感器通常是使用一次以后就要扔掉。對機(jī)械應(yīng)力較敏感的器件，采用塑料封裝的作用不太明顯，這是封裝材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹

18、配造成的。在專用封裝中直接安裝裸芯片的方法仍將在那些不能采用通用低成本方法的領(lǐng)域中得 到廣泛應(yīng)用。3.3多芯片模塊與微系統(tǒng)多芯片模塊常用的低成本方法可在許多相對安全的環(huán)境中廣泛使用。侵蝕性環(huán)境如生物-醫(yī)學(xué)移植器件應(yīng)用似乎更青睞于玻璃封裝的方法，因?yàn)椴ＡХ庋b具有良好的密封性能、生 物兼容性和絕緣性， 允許在無線通訊中使用天線，但至今這種封裝只用于特殊器件，因此必須開發(fā)出更通用、成本更低的方法用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。四、總結(jié)MEMS以及MOEMS、NEMS的研發(fā)為新的技術(shù)革命提供了大量機(jī)遇。不同的 MEMS 要求具體相應(yīng)的封裝結(jié)構(gòu)， 封裝技術(shù)的特異性高，引發(fā)出大量的封裝問題亟待解決。據(jù)國外權(quán)威統(tǒng)計(jì)公司 SPC的統(tǒng)計(jì)，國內(nèi) MEMS的研究處于世界前八位，可批量生產(chǎn)MEMS力敏傳感器，研制成功 MEMS光開關(guān)、RF-MEMS開關(guān)、微流體系統(tǒng)等多種原理樣品，從總體 水平上看，與國外的差距主要體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)技術(shù)化上。選擇一些應(yīng)用量大、面廣的MEMS及其封裝作為發(fā)展的市場切入點(diǎn)，形成產(chǎn)業(yè)，滿足市場需求，為發(fā)展其他MEMS打下基礎(chǔ)，摸索出規(guī)律，這樣就成功了一半，沒有一項(xiàng)MEMS的研發(fā)會(huì)漠視封裝技術(shù)。從國外發(fā)展趨勢看，MEMS的封裝類別一般都沿用已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的IC封裝結(jié)構(gòu)形式，或者加以改進(jìn)來適應(yīng) M