MEMS器件封裝技術(shù)

MEMS器件體積小，造價(jià)低，是未來傳感器的發(fā)展方向，隨著MEMS技術(shù)進(jìn)步，慣性MEMS傳感器、中等角頻率傳感器分辨率高且低成本的慣性組件，用于測量導(dǎo)彈姿態(tài)的偏航角和旋轉(zhuǎn)滾動速率。MEMS器件中，封裝技術(shù)極為重要性，堅(jiān)固耐用的慣性MEMS器件，除集成技術(shù)外封裝成為另一個(gè)核心，我們對封裝技術(shù)進(jìn)行探討研究，旨在提高M(jìn)EMS器件的可靠性。

【關(guān)鍵詞】MEMS器件封裝技術(shù) 微機(jī)電系統(tǒng)

MEMS器件封裝技術(shù)順勢而生，它的制備工藝和設(shè)備已相當(dāng)成熟，MEMS器件的應(yīng)用并不多，沒有大范圍進(jìn)行推廣。因?yàn)镸EMS器件的封裝技術(shù)沒有達(dá)到很高的水準(zhǔn)，所封裝的器件并沒有很好的質(zhì)量。MEMS器件封裝技術(shù)的不成熟在很大程度上面限制MEMS商業(yè)的發(fā)展。

1 MEMS概述

MEMS又稱微機(jī)電系統(tǒng)，是比較獨(dú)立的智能系統(tǒng)，尺寸很小，只有幾毫米甚至更小，由三大部分組成，傳感器、動作器和微能源。MEMS設(shè)計(jì)包含多方面學(xué)科，主要是物理學(xué)、化學(xué)、材料工程、電子工程等一系列學(xué)科，微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用于多方面領(lǐng)域，汽車電子領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域、消費(fèi)電子領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)通信類這四類是最常見的領(lǐng)域。MEMS工藝與傳統(tǒng)的IC工藝有許多相似之處，MEMS借鑒了IC工藝，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光工藝等，對于毫米甚至納米級別的加工技術(shù)，傳統(tǒng)的IC工藝是無法實(shí)現(xiàn)的，必須得依靠微加工，進(jìn)行精細(xì)的加工，能達(dá)到想要的結(jié)構(gòu)和功能。微加工技術(shù)包括硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)。體加工技術(shù)是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進(jìn)行刻蝕的工藝，是實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過在犧牲層薄膜上沉積結(jié)構(gòu)層薄膜，然后去除犧牲層釋放結(jié)構(gòu)層實(shí)現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)。

2 MEMS器件封裝優(yōu)勢

微機(jī)電系統(tǒng)是按照功能在芯片上的集成，尺寸一般是在毫米以下，制作工藝更加精密，需要更高的技術(shù)，微機(jī)電系統(tǒng)早在國外就有應(yīng)用，我國起步晚，在MEMS方面的投入逐漸增大，所占市場股份越來越大。微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)新思維的結(jié)果，也是微觀尺度制造技術(shù)方面的進(jìn)化和革命。MEMS在傳感器領(lǐng)域應(yīng)用的最為廣泛，因?yàn)轶w積小，重量輕，成本低價(jià)的原因廣受歡迎，使多種領(lǐng)域?qū)w積小性能高的MEMS產(chǎn)品的需求迅速增長，在消費(fèi)電子、醫(yī)療等領(lǐng)域就發(fā)現(xiàn)了大量的MEMS產(chǎn)品。MEMS有如下五個(gè)特點(diǎn)：

2.1 微型化

MEMS器件總的來說就是“小”，不管是在體積，重量，還是在耗能，造價(jià)方面都是屬于“微型”系列，并且工作效率高，響應(yīng)的時(shí)間短。

2.2 材料來源廣，性能優(yōu)秀

大部分集成電路和MEMS的原材料是硅，硅可以從二氧化硅中經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)對其進(jìn)行提煉，二氧化硅是砂子的主要成分，原材料隨處可見。此外，硅的硬度與鐵相當(dāng)，密度小，與鋁類似，熱傳導(dǎo)性強(qiáng)。

2.3 批量生產(chǎn)

完整的MEMS在一片硅片上面同時(shí)被制造，大片的生產(chǎn)能夠提高生產(chǎn)效率，也節(jié)約了大量的成本。

2.4 集成化

由各種功能不同的傳感器或者執(zhí)行器組成的系統(tǒng)，形成微執(zhí)行器陣、微傳感器陣列，還能把功能多樣的器件組合起來，構(gòu)成繁雜的微系統(tǒng)。微執(zhí)行器、傳感器和微電子器件的合成創(chuàng)造出的MEMS可靠性和穩(wěn)定性都比較高。

2.5 多學(xué)科交叉

MEMS設(shè)計(jì)知識廣泛，多學(xué)科知識相交，MEMS技術(shù)變得異常復(fù)雜，涉及各方面知識，MEMS器件借鑒了很多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果。

3 MEMS器件封裝技術(shù)

3.1 倒裝焊技術(shù)

倒裝焊是將芯片的正面朝下，然后和封裝基板一起進(jìn)行封裝。這樣的好處體現(xiàn)在，芯片與基板直接連接，硅片就能夠直接倒扣在PCB上，再從硅片的周圍引出I/O。周圍直接引出I/O，不需要再從一個(gè)接口上面連接，大大縮短了互聯(lián)的長度，進(jìn)而減小了延遲，提高了運(yùn)行速度，達(dá)到最終目的提高電能性。很明顯，對于這種連接方式，能夠最大程度上面利用空間，并且不會因?yàn)檫B線過多而導(dǎo)致體積過大，相反的，倒裝的效果和原芯片的大小幾乎相同，大大提高了運(yùn)行效率。在所有表面安裝技術(shù)中，倒裝芯片可以達(dá)到最小、最薄的封裝，使整個(gè)封裝之后的器件體積縮小不少。因?yàn)橥裹c(diǎn)能夠充滿整個(gè)管芯，I/O的互連密度也大大增加，加快了輸入輸出的效率，又因連線縮短，縮短了信號傳輸時(shí)間，進(jìn)而大大改善了電性能。如在微麥克風(fēng)中就應(yīng)用了此技術(shù)，為了使信號串?dāng)_和引線電感有所減少，需要縮短放大器和麥克風(fēng)之間的引線。為了達(dá)到該目的，微麥克風(fēng)MEMS芯片和放大電路需要被封裝在一起，這樣的器件封裝需要采用倒裝焊技術(shù)，減小封裝體積還能支持一些其他用途。經(jīng)過MEMS器件封裝之后的微麥克風(fēng)具有低功耗，高靈敏度的特點(diǎn)，很大程度上提高了麥克風(fēng)的效果，與傳統(tǒng)的駐極體麥克風(fēng)，價(jià)格上便宜了很多。

3.2 多芯片組件技術(shù)

多芯片組件（MCM）屬于系統(tǒng)級封裝，是電子封裝技術(shù)層面的大突破。MCM是指一個(gè)封裝體中包含通過基板互連起來，共同構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的封裝形式的兩個(gè)或兩個(gè)以上的芯片。并為組件中的所有芯片提供信號互連、I/O管理、熱控制、機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)等條件。

3.3 多芯片封裝

多芯片封裝是 MEMS 封裝的另一發(fā)展趨勢。壓縮整個(gè)器件的體積、適應(yīng)小型化、縮短信號到執(zhí)行器之間的距離、減小信號和外界干擾所帶來的各種影響，將其MEMS芯片與信號處理芯片安放于同一管殼內(nèi)。在用陶瓷的基板的基礎(chǔ)上，用引線鍵合技術(shù)將傳感器安裝在一起，將基板封裝，最后就順利完成了MEMS的封裝。

MCM提供了一種特有的可以在同襯底上同時(shí)支持多種芯片的能力的誘人的集成和封裝MEMS器件的途徑，無需改變MEMS和電路的制造技術(shù)，其性能還可以無妥協(xié)地做出優(yōu)化。以MCM技術(shù)為基礎(chǔ)的MEMS封裝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單芯片封裝結(jié)構(gòu)完全沒問題，還將其器件的性能和可靠性顯著提高了。例如山西科泰公司生產(chǎn)的將控制電路和MEMS芯片裝在一個(gè)基板上的加速度傳感器的封裝，利用這種封裝技術(shù)，用便捷的方法提高了封裝的可靠性及其封裝密度，同時(shí)提高生產(chǎn)效率和批量生產(chǎn)的速率。從各種技術(shù)優(yōu)勢來看，完成MEMS芯片和基板的互連是可行的。

4 結(jié)語

MEMS封裝技術(shù)的發(fā)展，借鑒IC封裝經(jīng)驗(yàn)，降低生產(chǎn)成本；在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，利用建模的思想來進(jìn)行模擬封裝，尋找適合的材料和工藝。MEMS封裝技術(shù)的發(fā)展，工藝程序只會越來越來復(fù)雜，越來越多樣化，加快MEMS封裝技術(shù)的研究步伐，提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1][美]阿德比利，[美]派克.電子裝技術(shù)叢書——電子封裝技術(shù)與可靠性[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：42-450.

作者簡介

謝康（1964-），男。華東光電集成器件研究所工程師。主要研究方向?yàn)樾盘柼幚?、半?dǎo)體工藝。

作者單位

華東光電集成器件研究所 安徽省蚌埠市233030