芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件的開封方法

林曉玲 ， 梁朝輝 ， 何春華

(1.電子元器件可靠性物理及其應用技術重點實驗室， 廣東 廣州 510610；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

0 引言

慣性技術是導航定位、制導控制、穩(wěn)瞄穩(wěn)像和姿態(tài)測量的核心技術，慣性陀螺儀和加速度計的技術狀態(tài)是表示慣性技術的基礎[1-2]。其中，陀螺用于測量運動體的角速度，加速度計用于測量運動體的加速度。微電子系統(tǒng) (MEMS：Micro Electro Mechanical System)的慣性器件是指敏感結構采用微加工手段加工的微機械陀螺和微加速度計，具有體積小、重量輕、功耗低、可大批量生產、成本低和抗過載能力強等一系列的優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用。

為了確保MEMS慣性器件的應用可靠性[3-4]，研發(fā)過程中或使用前，需根據標準對器件進行內部目檢。內部目檢前的樣品開封制備應避免損壞封裝的內部結構。由于MEMS的封裝比微電子封裝更為復雜，并且沒有統(tǒng)一的標準，因而不同的MEMS器件，其封裝差別很大[5-8]。采用芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件的結構特殊，除了具有懸臂梁、梳齒等可動微結構外，封裝中還含有空腔和上下層的層疊結構，這些特點給傳統(tǒng)的開封方法帶來了極大的困難。利用傳統(tǒng)的、用于塑封集成電路的化學腐蝕開封方法，通過發(fā)煙硝酸或濃硫酸等對塑封材料有高效分解作用的化學腐蝕液刻蝕，可以將專用集成電路 (ASIC：Application Specific Integrated Circuit)芯片上方的塑封材料局部腐蝕去除，暴露出封裝結構中的ASIC芯片并觀察分析。但是化學腐蝕液無法腐蝕硅，因此無法將封帽硅片直接腐蝕去除，無法暴露封帽硅片所形成的空腔中的加速度計MEMS和陀螺儀MEMS，也就無法對它們進行觀察分析。而對于ASIC芯片置于下方的MEMS慣性器件，用塑封集成電路的化學腐蝕刻蝕方法將其外部塑封材料去除之后，得到的則是封帽硅片的背部，也是無法觀察到其形成的空腔內的加速度計MEMS和陀螺儀MEMS。

為了解決芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件封裝復雜、開封難的問題，本文提出了一種針對芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件的開封技術及其流程，可實現(xiàn)芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件的開封，暴露其中的加速度計MEMS、陀螺儀MEMS和ASIC芯片，實現(xiàn)對該類型封裝器件的內部目檢，以彌補傳統(tǒng)的開封技術的不足，為此類型封裝器件的內部目檢提供技術支撐。

1 芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件的主要工藝過程

在以硅為基礎的MEMS加工技術中，加速度計、陀螺儀等需要對微機械的可動器件結構部分實施保護，這種保護的方法就是在器件上方采用空腔封帽片保護結構，通過硅硅直接鍵合、陽極鍵合、鋁鍺薄膜鍵合和玻璃熔融鍵合等表面鍵合技術，使器件硅片和封帽硅片密閉結合在一起。這種芯片層疊塑料的封裝結構的MEMS慣性器件將加速度計MEMS、陀螺儀MEMS和共用ASIC芯片等集成在一個封裝里面，既提供了器件與外界環(huán)境交互作用的通道，也使微機械的器件結構和外部環(huán)境得到隔離，保護器件敏感結構不因外界的作用而遭到損壞，使器件的性能保持穩(wěn)定。通常，芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件中的加速度計MEMS、陀螺儀MEMS會制作于空腔中，之后加上封帽硅片形成保護腔，而它們的共用ASIC芯片則是置于封帽硅片上方或是下方，形成層疊結構。各層芯片通過引線鍵合的方式與外界實現(xiàn)電連接。

為了滿足體積小、重量輕和多功能等要求，MEMS慣性器件正在向芯片疊層封裝的方向發(fā)展。芯片疊層封裝是利用倒裝、引線鍵合等混合互連技術，把不同功能的微裝置和信號處理芯片通過層疊的方式，堆積成緊湊的三維立體結構。疊層封裝的層疊是在垂直于芯片表面的方向上進行的，采用混合互連技術的目的是為了適應不同層、不同器件之間的互連需要。圖1所示的微加速度計是一個典型的芯片疊層封裝實例。其中，封帽硅片 (Cap die)所構成的就是層疊塑料封裝MEMS器件的密封腔，微加速度計制作于該腔體中，和信號處理單元 “堆積”在一起，實現(xiàn)了三維封裝。

密封腔 (圖1中Cap die和Sensor die組成)的主要工藝過程示意圖如圖2所示。這個制程的步驟為：1)在晶圓上生成一層2.5 μm厚的熱二氧化硅 (如圖2a所示)；2)首先，用LPCVD沉積一個多晶硅層 (多晶硅層1)，在這個多晶硅層上做版圖然后蝕刻，制成埋入式電連接結構，用于傳感器向外部傳遞電位和電容信號 (如圖2b所示)；然后，用PECVD沉積一層1.6 μm厚的二氧化硅層。這個PEVCD氧化層與2.5 μm厚的熱二氧化硅構成一個4.1 μm厚的復合氧化層，用作THELMA制程中的犧牲層；最后，在PECVD沉積氧化物層上做版圖和蝕刻，用作厚多晶硅器件的錨定區(qū)，稍后制成錨定組件 (如圖2c所示)；3)首先，用外延沉積法沉積一層厚多晶硅 (如圖2d所示)，這個層的厚度可以根據器件設計做相應的調整，厚度范圍是15～50 μm，通過沉積、版圖和蝕刻工藝，制作一個連接傳感器的金屬導電層 (如圖2e所示)；然后，用深反應離子蝕刻方法 (DRIE)在厚多晶硅層上做圖和蝕刻，一直到底部的氧化層 (如圖2f所示)；最后，用氫氟酸蒸汽去除犧牲層，釋放多晶硅結構層 (如圖2g所示)。

圖1 加速度計的層疊封裝

圖2 制造慣性傳感器的THELMA制程工藝

2 芯片層疊塑料封裝MEMS的開封技術及其流程

結合芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件的結構特點，本文提出了一種適合于芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件的開封技術及流程，將芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件中的各層芯片和密封腔中的可動微結構等暴露出來供觀察分析。具體的技術方案如下所述。

a)利用X射線檢查法觀察芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件，獲得其內部結構信息，例如：芯片大小、芯片數量、芯片層數和引線鍵合分布情況等等。

b)利用3D X-ray或金相切片技術制作剖面，進一步地明確MEMS慣性器件的空腔位置和芯片的分布情況，確認加速度計MEMS、陀螺儀MEMS和共用ASIC芯片等結構的具體位置。

c)如果通過步驟b)的剖面觀察，確認MEMS慣性器件是ASIC芯片在上一層、加速度計MEMS和陀螺儀MEMS在下一層的層疊結構，則先通過發(fā)煙硝酸或濃硫酸等化學腐蝕液作用，將ASIC芯片上方的塑封料局部去除，露出ASIC芯片及與其相連的鍵合引線，以進行后續(xù)的檢查分析。

d)通過步驟c)觀察完畢頂層ASIC芯片之后，將器件浸泡至腐蝕液中，利用腐蝕作用，去除封帽硅片和器件硅片之間的鍵合結構，使封帽硅片與器件硅片分離，露出空腔中的加速度計MEMS、陀螺儀MEMS，以進行后續(xù)的檢查分析。

e)如果通過步驟b)的剖面觀察，發(fā)現(xiàn)MEMS慣性器件是ASIC芯片在下層、加速度計MEMS和陀螺儀MEMS在上層的結構，則ASIC上方和加速度計MEMS、陀螺儀MEMS的密閉結構之間的塑封料，以及加速度計MEMS和陀螺儀MEMS上方的塑封料，都利用發(fā)煙硝酸或濃硫酸等化學腐蝕液去除，將含ASIC芯片的結構、含加速度計MEMS、陀螺儀MEMS的密閉結構分離，并將ASIC芯片暴露出來檢查分析。之后，封帽硅片及制作有加速度計MEMS、陀螺儀MEMS的器件硅片的密閉結構，再通過腐蝕液的浸泡去除鍵合部位實現(xiàn)兩者之間的分離，露出空腔中的加速度計MEMS、陀螺儀MEMS，以進行后續(xù)的檢查分析。

3 芯片層疊塑料封裝MEMS的開封實例

以一款柵格陣列式封裝 (LGA：Land Grid Array)技術封裝的MEMS產品 (封裝型號為LGA-14L，尺寸為2.5 mm×3 mm×0.83 mm)為例介紹芯片層疊塑料封裝MEMS的開封流程及結果。該產品中含有高性能加速度計 (3軸)和陀螺儀 (3軸)雙芯片，并排分布于ASCI芯片 (0.11 μm工藝)上方。

通過X射線透視了解器件的封裝結構，包括芯片數量、芯片位置、芯片朝向和引線鍵合高度等各種信息，得到了其內部結構的X-ray圖片，如圖3所示。

芯片采用疊層封裝結構，使用3D X-ray或金相切片技術制作剖面。本例中通過金相切片技術制作了樣品的剖面 (如圖4所示)，從圖4中可以看出，在封帽硅片和器件硅片所構成的密封空腔中，制作了MEMS慣性器件的可動微結構 (加速度計和陀螺儀)。ASIC芯片則放置于器件硅片下方，形成層疊結構封裝于塑封料中。

采用化學開封法完成主體部分的開封。首先，用發(fā)煙硝酸去除外圍塑封料，露出ASIC芯片的一部分；然后，改用濃硫酸去除ASIC和器件硅片之間的芯片粘接層，將ASIC芯片和由器件硅片和封帽硅片之間的組合體分離，完整地露出ASIC芯片的整體形貌 (如圖5所示)；最后，將器件硅片和封帽硅片之間的組合體浸泡至酸腐蝕液中，使封帽硅片與器件硅片分離，露出封帽硅片的形貌以及由其密封的腔內結構 (加速度計和陀螺儀芯片)，具體如圖6-9所示。

從圖中可以看出，利用該方法可以實現(xiàn)芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件的開封，可以將封裝中的疊層芯片、可動微結構等暴露出來，并進行觀察與分析。

需注意的是，上述步驟中，均需要采用金相顯微鏡或掃描電子顯微鏡，對剖面制作、化學腐蝕法的效果進行監(jiān)測，避免腐蝕過度或者不足而導致的

樣品損壞或者器件觀察效果不佳。

圖3 MEMS器件的內部結構X-ray圖像

圖4 芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件內部結構示意圖（加速度計MEMS和空腔等在上層，ASIC芯片在下層）

圖5 ASIC芯片形貌

圖6 封帽硅片的形貌 （化學腐蝕法）

圖7 陀螺儀 （紅線左邊）和加速度計 （紅線右邊）的形貌

圖8 陀螺儀的局部形貌放大圖

4 結束語

圖9 加速度計的局部形貌放大圖

本文介紹了一種芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件的開封技術，實現(xiàn)了芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件內部結構的逐層暴露和觀察分析，解決了芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件封裝復雜、開封難的問題，彌補了傳統(tǒng)的開封技術的不足，為此類型封裝器件的內部目檢提供了技術支撐。