醫(yī)用MEMS傳感器特殊封裝技術(shù)研究

王倫波，張政林

（無錫華潤安盛科技有限公司，江蘇 無錫214028）

1 引言

隨著信息技術(shù)的日益發(fā)達，物聯(lián)網(wǎng)將廣泛應用于智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、個人健康、平安家居等諸多領(lǐng)域。而物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)則融合了傳感器技術(shù)、RFID（射頻識別）、計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡技術(shù)、電子技術(shù)等多種技術(shù)。其中傳感器技術(shù)是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

MEMS傳感器是一種采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點，這些特點必須通過新型封裝技術(shù)的開發(fā)才能實現(xiàn)。

與其他電子產(chǎn)品相比，便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品需求較為特殊。隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)展，人的健康意識、健康需求以及醫(yī)療支付能力正不斷提高，在個體需求上，經(jīng)濟形勢的轉(zhuǎn)好對人們的醫(yī)療保健需求將產(chǎn)生影響，這也使得便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品特別是家用便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品市場繼續(xù)穩(wěn)步擴大，如電子血壓計等。而對于醫(yī)用便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品，由于政府已經(jīng)成為這類產(chǎn)品的購買主力，在我國民生以及社會保障體系建設力度逐步加大的推動下，該類市場的增長也取得進一步突破。

2 電子血壓計用MEMS傳感器封裝技術(shù)

2.1 MEMS傳感器特殊封裝結(jié)構(gòu)

眾所周知，集成電路封裝是采用帶有IC功能的硅芯片，通過金絲鍵合、塑封等一系列工序，形成一個具有完整電路功能的集成電路。在這里，硅芯片是厚度均勻、內(nèi)部沒有空腔的剛體。而MEMS傳感器芯片內(nèi)部有一個空的腔體。在血壓計實際應用中由于需要感知脈搏的壓力，封裝體內(nèi)部要和外界溝通，以便讓壓力信號通過芯片表面薄膜電阻轉(zhuǎn)換成電信號，見圖1。因此這種產(chǎn)品的封裝形式跟傳統(tǒng)IC封裝有很大的不同，必須采用特殊的封裝結(jié)構(gòu)，見圖2。

2.2 MEMS傳感器特殊封裝工藝流程

與傳統(tǒng)的IC封裝一樣，MEMS圓片也要經(jīng)過背面減薄、劃片分割過程。但減薄的目的不僅僅是控制芯片的厚度，同時也起到控制芯片內(nèi)腔口徑的作用。

在裝片之前，需要預塑封好的引線框架，以備裝片、鍵合使用。這里的引線框架由于經(jīng)過預塑封，對引線指端金屬表面狀態(tài)會產(chǎn)生一些影響。因此要經(jīng)過清潔處理。

裝片工序是MEMS傳感器特殊封裝過程的中心環(huán)節(jié)。在這里通過對芯片四周的點膠形成芯片到封裝件外接氣嘴的密封管道。是否漏氣成為封裝產(chǎn)品的重要技術(shù)指標。

鍵合采用金絲將芯片PAD和外引線連接，形成電信號通路。最后點膠封蓋給芯片一個機械保護和工作氣氛。整個封裝主要工藝流程為：

MEMS芯片接收→接收檢查→磨片→貼膜→劃片→塑封→清洗→裝MEMS芯片→鍵合→點膠→烘干固化→加膠封蓋→切筋→檢驗→出廠→客戶成測

2.3 MEMS傳感器特殊封裝關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 MEMS傳感器芯片減薄及劃片技術(shù)

由于MEMS傳感器芯片上的壓力感應電阻做在芯片表面薄膜上，薄膜下面是空腔，在圓片貼膜、卸膜及劃片分割的過程中，防止芯片上表面二十幾微米的薄膜發(fā)生破裂，是保證封裝產(chǎn)品可靠性的重要環(huán)節(jié)，見圖3。

通常，薄膜破裂常常和以下一些因素有關(guān)：

（1）圓片貼膜及施加的壓力；

（2）圓片卸膜操作方法；

（3）劃片沖洗過程中水的壓力；

（4）適合工藝操作的膜的材料等。

另外，劃片中的芯片碎裂也是工藝中要注意防止的。對設備、刀片、工藝參數(shù)等都要進行優(yōu)選，見圖4。

2.3.2 密封式裝片技術(shù)

通過對芯片四周的點膠形成芯片到封裝件外接氣嘴的密封管道。密封性如何，不產(chǎn)生漏氣是至關(guān)重要的，見圖5。

通常，密封式裝片產(chǎn)生漏氣與密封膠材料的選擇、應選擇硅膠、膠的粘度、強度、流動性、工藝的可操作性等因素有關(guān)。圖6為硅膠不同溫度條件下產(chǎn)品受壓狀態(tài)測試結(jié)果。

將產(chǎn)品置于恒溫恒濕試驗機KTHA-515TBS中，在-20℃、0℃、25℃、50℃、25℃、0℃、-20℃七個溫度點，每個溫度點包括升溫降溫時間共7h，最終保持恒溫時間至少1h，取其中20個點求平均值。常壓下不同溫度條件下的產(chǎn)品輸出參數(shù)結(jié)果一致性很好。

關(guān)于機器和工藝參數(shù)的選擇，合適的工藝參數(shù)也是保證產(chǎn)品氣密性的關(guān)鍵因素，見圖7。

2.3.3 畫膠與密封式裝片工藝方法

首先要將硅膠雙組分及稀釋劑配好，保證膠有良好的流出和合適的流動性，畫出的膠形有合適的高度。以便芯片放置后形成理想的厚膜膠層，見圖8。

由于傳感器芯片中間有腔體，選擇裝片頂針就顯得十分重要，選擇單頂針或多頂針應根據(jù)芯片腔口的大小來決定，見圖9。

2.3.4 引線鍵合

經(jīng)預塑封的引線框架鍵合面和傳統(tǒng)IC封裝的引線框架鍵合面表面狀態(tài)有很大不同。預塑封框架在塑封過程中會受到塑封樹脂的沾污，嚴重影響鍵合強度和產(chǎn)品的可靠性。因此，在預塑封后還必須對框架進行一次清潔處理或采用特殊方法在框架鍵合面上形成擋料環(huán)，防止對鍵合面的污染，見圖10。

3 總結(jié)

通過以上工藝技術(shù)，MEMS傳感器特殊封裝產(chǎn)品經(jīng)隨機振動強化試驗、高溫試驗、低溫試驗、高低溫沖擊試驗、高溫高濕強化試驗，每組45只產(chǎn)品無一失效。

用于電子血壓計的MEMS傳感器芯片，由于其結(jié)構(gòu)的特殊和應用領(lǐng)域的特殊要求，必須采用特殊的電子封裝方式，其封裝工藝技術(shù)有別于傳統(tǒng)IC封裝工藝技術(shù)，但部分流程仍然可以和傳統(tǒng)IC塑料封裝很好地兼容，充分利用在線基礎設備。開發(fā)醫(yī)用MEMS傳感器特殊封裝技術(shù)，對降低MEMS傳感器制造成本、擴大應用領(lǐng)域、推動物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展有著現(xiàn)實意義。