MEMS器件封裝技術(shù)

袁永舉王靜

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原 030024；2.無(wú)錫華測(cè)電子系統(tǒng)有限公司，江蘇無(wú)錫 214000)

微電子機(jī)械系統(tǒng)（亦稱微機(jī)電系統(tǒng)，MEMS）是利用微機(jī)械加工工藝制作具有機(jī)械特性的傳感器系統(tǒng)。通常利用硅或者非硅材料作為其機(jī)械結(jié)構(gòu)，以獲得優(yōu)異的機(jī)械性能。該系統(tǒng)包括傳感器、執(zhí)行器等微機(jī)械基本部分以及高性能的電子集成線路。MEMS是一種收集、分析處理信息和執(zhí)行動(dòng)作指令的集成器件，其集中了微電子學(xué)、光學(xué)，生物學(xué)，物理學(xué)，化學(xué)，力學(xué)，機(jī)電一體化及材料科學(xué)等的高技術(shù)理論及實(shí)際生產(chǎn)工藝技術(shù)[1]。

微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，融合了硅微加工、LIGA技術(shù)和精密機(jī)械加工等多種微加工技術(shù)。微電子封裝技術(shù)是MEMS器件封裝技術(shù)的重要基礎(chǔ)，其主要加工手段（如Si材料制備、光刻、金屬化等）均在MEMS制備中發(fā)揮極大作用。雖然MEMS封裝與微電子封裝技術(shù)具有某些相似之處，但由于MEMS器件的功能特殊性，并不能簡(jiǎn)單地將微電子封裝技術(shù)移植到MEMS封裝技術(shù)中。MEMS封裝與微電子封裝相比，具有如下的一些特殊性：

（1）微腔體：由于MEMS器件通常具有微可動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此，在對(duì)其進(jìn)行封裝過程中，需要使用微腔體對(duì)其進(jìn)行保護(hù)；

（2）應(yīng)力隔離：MEMS器件的性能會(huì)受到應(yīng)力狀態(tài)的影響，因此，必須避免由于封裝所引入的應(yīng)力，在封裝過程中必須考慮應(yīng)力隔離；

（3）真空封裝：陀螺、紅外傳感器等器件需要進(jìn)行真空封裝，而真空封裝后，保持其真空度也是MEMS封裝的主要瓶頸之一；

（4）氣密封裝：加速度、開關(guān)等MEMS器件需要?dú)饷芊庋b，防止外界水汽等對(duì)其性能、可靠性產(chǎn)生影響。有的MEMS封裝氣密性甚至要達(dá)到10～12 Pa·m3/s數(shù)量級(jí)。

基于MEMS封裝技術(shù)的特殊性，MEMS的封裝成本占整個(gè)MEMS器件成本的70%以上,成為MEMS技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。本文將討論MEMS器件的芯片級(jí)、器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)3個(gè)層次的封裝方式，并將討論MEMS封裝中需要特殊考慮的問題。

MEMS主流封裝技術(shù)分3個(gè)層次，分別為圓片級(jí)、器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)封裝。

1 圓片級(jí)封裝

很多MEMS產(chǎn)品在進(jìn)行劃片之前，需要對(duì)其進(jìn)行封裝，即圓片級(jí)封裝（WLCSP)。通常利用圓片級(jí)鍵合實(shí)現(xiàn)[2]。幾種成熟的鍵合技術(shù)比較如表1。

表1 幾種鍵合技術(shù)的比較

陽(yáng)極鍵合技術(shù)又稱靜電鍵合，可以將硅與玻璃，硅與金屬等半導(dǎo)體在不用粘接劑的情況下鍵合在一起。將鍵合的硅片接正極，另外接負(fù)極，極間施加200～1 000 V的電壓，鍵合溫度為180～500℃，兩極間在靜電作用下鍵合。其鍵合后的剪切力強(qiáng)度可達(dá)到或超過玻璃或硅自身的強(qiáng)度。優(yōu)點(diǎn)是鍵合溫度低，鍵合界面長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

硅與硅雖然可以直接鍵合，但是直接鍵合的溫度高且過程難以控制，條件要求比較苛刻。在遇到硅材料需要直接鍵合時(shí)，可以考慮選用靜電鍵合工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，但需在其中一個(gè)硅片表面上沉積一定厚度玻璃膜作為中間層，施加10 A/m2且溫度設(shè)置在400～550℃就可實(shí)現(xiàn)靜電鍵合，其鍵合后的界面穩(wěn)定性好。還可以選用在真空環(huán)境下采用Ar＋束轟擊硅片表面，在25℃左右環(huán)境下便能完成鍵合。

玻璃鍵合是用專用的絲網(wǎng)印刷、噴鍍等一系列技術(shù)手段將高純度、低鈉的超精細(xì)玻璃粉懸浮在酒精溶液中并置于一對(duì)被鍵合的界面而實(shí)現(xiàn)焊接，焊接表面氣密好，機(jī)械強(qiáng)度高。

2 器件級(jí)封裝

將易損壞或電路易受干擾的器件用管殼類等保護(hù)起來(lái)，通過引腳或其他I/0口為有源傳感器或執(zhí)行器部分提供接口，實(shí)現(xiàn)與外部的電氣互聯(lián)。主要有金屬封裝，陶瓷金屬化封裝及塑料封裝3種情況。

2.1 金屬封裝

金屬封裝具有良好的熱散性，并能提供金屬屏障，屏蔽周邊電磁干擾。通過在陶瓷基板上共晶焊接芯片或其他控制電路，然后將基板與金屬底座粘接或共晶焊接，引線到對(duì)應(yīng)I/0口，最后利用平行縫焊等封帽工藝焊接好管帽。

金屬外殼的封帽極其重要，對(duì)封裝后的器件的氣密性、水氣含量、可靠性等都有嚴(yán)格的要求。對(duì)使用的封接材料（如焊環(huán)）的熔點(diǎn)必須低于器件內(nèi)部任何一種焊接材料的焊接溫度，且封冒前進(jìn)行真空烘烤，封冒時(shí)執(zhí)行一個(gè)嚴(yán)格的階梯溫度。常見的幾種金屬封裝外形如圖1所示。

圖1 幾種金屬封裝外形

2.2 陶瓷封裝

陶瓷封裝有質(zhì)量輕、成本低、氣密性較好、可大量生產(chǎn)等特點(diǎn)，但陶瓷封裝的器件也可能會(huì)遇到問題，如陶瓷燒結(jié)后“收縮”失效，這對(duì)要求氣密性封裝的器件是不可接受的；陶瓷和金屬材料的焊接強(qiáng)度比陶瓷和陶瓷的要弱。

2.3 塑料封裝

塑料封裝形式具有成本低、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于有氣密性要求的器件就不是很合適。在高溫或者高濕環(huán)境下，塑料封裝也有可能出現(xiàn)分層和開裂的情況[4]，塑料封裝按照模的形式一般分為前鑄模和后鑄模兩種方式（如圖2、圖3所示），兩者的主要區(qū)別是后鑄模有個(gè)空腔，并在鍵合后通過粘接蓋板來(lái)保護(hù)器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2 塑料前鑄模封裝

圖3 塑料后鑄模封裝

前鑄模有注射以及轉(zhuǎn)移兩種鑄模方式。對(duì)于有氣密性要求且內(nèi)凹腔體的MEMS器件，封裝時(shí)一般選用注射鑄模，而其他的一般選用轉(zhuǎn)移鑄模。

以上3種均是采用標(biāo)準(zhǔn)成型封裝。封裝工藝主流流程是：第一，將芯片焊接在基板上，第二用金絲、鋁絲或銅線實(shí)現(xiàn)芯片和封裝引線之間的電氣連接，第三噴涂化合物材料保護(hù)或封冒。

3 多芯片封裝（Multi Chip Module）

MCM是一種由兩個(gè)或兩個(gè)以上裸芯片或者芯片尺寸封裝(CSP)的IC組裝在一個(gè)基板上的模塊，模塊組成一個(gè)電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)。它提供了一種新的MEMS器件集成封裝的方法，支持在不改變MEMS和電路的生產(chǎn)工藝的情況下，在同一基板上集成不同功能的芯片。根據(jù)基板和芯片間互連方法的不同，MCM有多種不同的形式。如傳統(tǒng)的通過金/鋁絲引線鍵合、凸點(diǎn)倒裝焊。MCM具有明顯的封裝密度，從而降低信號(hào)的延遲性，提高其系統(tǒng)整體性能。

4 模塊式技術(shù)(MOMEMS)[1,5,6]

MOMEMS源于CSP和MCM，微系統(tǒng)尺寸緊湊，封裝形式由原來(lái)的二維向三維封裝擴(kuò)展。微系統(tǒng)集合有多種物理參數(shù)所需要的I/0口，其集成了不同功能的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)盡可能高的封裝密度，和傳統(tǒng)的微系統(tǒng)主要區(qū)別在于執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的批量生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品投入銷售市場(chǎng)的時(shí)間。

5 MEMS封裝中存在的問題[1,2,5]

由于MEMS產(chǎn)品的成本主要在封裝上，器件在設(shè)計(jì)初期就需要盡可能多的考慮到各種測(cè)試手段，降低成本，縮短開發(fā)時(shí)間。下面闡述MEMS封裝中可能遇到的失效問題及其簡(jiǎn)單可行的解決方法：

5.1 粘附失效

在懸臂梁和基底之間會(huì)因毛細(xì)作用、靜電吸附和直接化學(xué)鍵合等因素出現(xiàn)粘附失效。一般可采取腐蝕犧牲層，降低失效幾率。

5.2 應(yīng)力失效

不同材料擁有不同的的熱膨脹系數(shù)，在工藝過程中不同材料對(duì)于熱的反應(yīng)不一致，進(jìn)而產(chǎn)生熱失配。選用具有相同近似熱膨脹系數(shù)的材料能有效降低殘余應(yīng)力。

機(jī)械應(yīng)力：在劃片過程中，容易產(chǎn)生切削的機(jī)械應(yīng)力，選擇合適的切削速度、進(jìn)給深度、刀具型號(hào)及冷卻液的流速等。

5.3 氣密性失效

每一種材料會(huì)由于自身因素吸附一定的水氣或有機(jī)氣體，可以考慮在封裝前進(jìn)行真空除濕和除氣，在封裝時(shí)選用對(duì)應(yīng)的吸附劑將氣體吸附去除。

5.4 測(cè)試

在測(cè)試過程中，分析每次出現(xiàn)的失效原因，并加強(qiáng)對(duì)應(yīng)工序的檢測(cè)手段。

6 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

MEMS技術(shù)于20世紀(jì)90年代進(jìn)入商業(yè)化時(shí)代，到目前已經(jīng)歷了二十余年。MEMS器件的封裝技術(shù)，經(jīng)歷了從保證單個(gè)器件性能的管殼封裝到原片級(jí)封裝，再到系統(tǒng)級(jí)封裝，多芯片模塊化封裝的發(fā)展歷程?？傮w上，MEMS封裝未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)為：借鑒微電子技術(shù)封裝方法和經(jīng)驗(yàn)，采取簡(jiǎn)潔的標(biāo)準(zhǔn)化工藝，選用成熟設(shè)備，提高效率，批量生產(chǎn)并有效降低成本。利用原片級(jí)封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)芯片的結(jié)構(gòu)保護(hù)，利用系統(tǒng)級(jí)封裝方法，實(shí)現(xiàn)MEMS芯片與ASIC、MEMS芯片與其他功能的MEMS芯片系統(tǒng)集成，向多功能、小型化方向發(fā)展。

[1] Reichl H，Grosser V.Overview and development trends in the field of MEMS packaging[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2001-06-25.

[2] Ramesham R，Ghaffarian R.Challenges in interconnection and packaging of microelectromechanical systems(MEMS)[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2000-05-24.

[3] Boustedt K，Persson K，Stranneby D.Flip chip as an enabler for MEMS packaging)[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2002-03-31.

[4] HsiehCT，Jyh MingTing，YangC，etal.Theintroduction of MEMS packaging technology)[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2002-12-06.

[5] Persson K，BoustedtK.Fundamental requirements on ME MS packaging and reliability[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2002-03-06.

[6] Schuenemann M，Jam K A，Grosser V.ME MS modular packaging and interfaces[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2000-05-24.

[7] Wilkerson P，Kranz M，Przekwas A，et al.Flip chip hermetic packaging of RF ME MS[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2001-08-26.

[8] Quirke C，Lecarpentier G.High accuracy flip-chip assembly of MOEMS[optical switch example][DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2002-12-06.

[9] Xiao Guo-we i，Chan P C H，Teng A，et al.A pressure sensor using flip-chip on low cost flexible substrate[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2001-06-01.

[10]Butler J T，Bright V M，Comois J H.Advanced multichip module packaging of microelectromechanical syste r m s[J].Sensors and Actuators A ，1998，70:15-22.