慣性微系統(tǒng)封裝集成技術(shù)研究進(jìn)展

李男男，邢朝洋

(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

微小型系統(tǒng)(微納衛(wèi)星、微小型飛行器、微小型地面機(jī)器人及微小型水下航行器等)及低成本制導(dǎo)武器(批量大、成本低、制導(dǎo)精度較高的各類(lèi)靈巧彈藥、精確制導(dǎo)炸彈和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈)等是未來(lái)軍事高科技的重要發(fā)展方向之一,也是取得未來(lái)高技術(shù)條件下戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的重要手段。微小型導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)是新一代微小型系統(tǒng)發(fā)展及低成本制導(dǎo)武器的核心技術(shù),也是制約其廣泛應(yīng)用的主要瓶頸之一。硅基MEMS微慣性器件及結(jié)合微系統(tǒng)集成制造技術(shù)制作的微慣性測(cè)量單元(Micro Inertial Measurement Unit,MIMU)具有體積小、成本低、精度較高且便于大批量生產(chǎn)的特點(diǎn),是微小型導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)的共性核心技術(shù)。在精確制導(dǎo)化武器裝備及民用領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用需求,是當(dāng)前的國(guó)際研究熱點(diǎn)。

近年來(lái),三維集成技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了系統(tǒng)微封裝集成技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域正由芯片向集成度、復(fù)雜度更高的系統(tǒng)級(jí)三維集成方向發(fā)展。采用三維集成制造技術(shù),令每個(gè)功能模塊占據(jù)一層芯片,通過(guò)高密度TSV將其集成,可將由不同工藝制造的混合型芯片集成于一個(gè)系統(tǒng)中。這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)包含了邏輯、存儲(chǔ)、光學(xué)、電學(xué)、射頻系統(tǒng),以及MEMS傳感器等多個(gè)在封裝內(nèi)集成的模塊。MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)于MEMS慣性器件的全硅化、器件的圓片級(jí)真空/氣密封裝、電路專(zhuān)用化(Application Specific Integrated Circuit,ASIC),初步實(shí)現(xiàn)了慣性器件的片上系統(tǒng)(System on Chip,SoC)集成,以及慣導(dǎo)系統(tǒng)級(jí)封裝(System in Package,SiP)集成。

在未來(lái),MEMS集成慣導(dǎo)系統(tǒng)在微納衛(wèi)星、月球車(chē)、火星車(chē)、運(yùn)載火箭及小型戰(zhàn)術(shù)武器中的應(yīng)用,對(duì)MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)的集成度、功耗、體積、抗輻照性能及可批量制造性等提出了更高的要求,MEMS封裝技術(shù)正在從2.5D向3D方向發(fā)展。

1 國(guó)內(nèi)外研究的水平和發(fā)展趨勢(shì)

據(jù)美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)分析,工作時(shí)間超過(guò)10s的武器平臺(tái)的導(dǎo)航制導(dǎo)目前均得到了全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)的輔助,甚至還包括工作時(shí)間為1h～24h的單兵個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)。在實(shí)際使用過(guò)程中,GPS極可能被嚴(yán)重干擾或完全阻塞,而使得由GPS輔助的導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法完成工作任務(wù)。這些現(xiàn)狀,均要求在未來(lái)的武器平臺(tái)中,使用一種全自主的、不依賴(lài)任何外部輔助手段的高集成度微型慣性導(dǎo)航/制導(dǎo)系統(tǒng)。根據(jù)這些分析,DARPA已經(jīng)啟動(dòng)了一系列高集成度導(dǎo)航制導(dǎo)微系統(tǒng)研究計(jì)劃,而微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的集成制造技術(shù)是其中極為重要的研究方向。其中的關(guān)鍵,在于如何利用先進(jìn)的集成制造技術(shù),實(shí)現(xiàn)慣性器件與集成電路(Integrated Circuits,ICs)等的小體積、低成本、大批量生產(chǎn)。此外,慣性器件的正交集成已成為了MEMS封裝集成發(fā)展的瓶頸。

(1)MEMS慣性傳感器集成技術(shù)

MEMS慣性器件必須與集成電路結(jié)合才能有效工作,集成電路用于實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器與外界之間的通信,起到信號(hào)調(diào)節(jié)功能,例如模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、濾波和信息處理電路等。因此,絕大多數(shù)商用MEMS慣性產(chǎn)品(加速度計(jì)、陀螺儀)和IC組件被集成或封裝在一起,以實(shí)現(xiàn)更短的信號(hào)路徑長(zhǎng)度、更小的寄生電容、更低的互連電阻、更小的封裝尺寸/體積[1]。MEMS和IC組件的集成和封裝可通過(guò)多種可能的方法實(shí)現(xiàn),對(duì)其的技術(shù)選擇很大程度上取決于設(shè)備、應(yīng)用領(lǐng)域和商業(yè)要求。

基于制造技術(shù)的發(fā)展,為滿(mǎn)足移動(dòng)電子設(shè)備和高端芯片的需求,存儲(chǔ)、CPU及MEMS等器件模塊正在朝著三維架構(gòu)方向發(fā)展,成為了 “超越摩爾”技術(shù)的重要技術(shù)領(lǐng)域,如圖1所示。

為了滿(mǎn)足MEMS慣性器件對(duì)小型化、輕質(zhì)化、高性能、高可靠性的需求,國(guó)際MEMS慣性領(lǐng)域中的領(lǐng)先企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等(如德國(guó)Bosch公司、美國(guó)mCube公司、德國(guó)弗朗恩霍夫研究所等)均對(duì)慣性MEMS三維集成技術(shù)開(kāi)展了一系列研究。MEMS慣性器件與IC組件的封裝集成,實(shí)現(xiàn)了從多芯片模組(Multi-chip Modules,MCM)到SiP技術(shù)、SoC技術(shù),再到圓片級(jí)芯片封裝(Wafer Level Chip Scale Package,WLCSP)技術(shù)、三維堆疊集成技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了從獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試的板級(jí)集成,向基于晶圓級(jí)單片的系統(tǒng)級(jí)芯片解決方案集成技術(shù),以及三維異構(gòu)集成技術(shù)的發(fā)展,如圖2所示。

就國(guó)際上己經(jīng)公開(kāi)的慣性MEMS三維集成技術(shù)而言,其大致可被劃分為3種,如圖3所示:1)慣性MEMS芯片與MEMS專(zhuān)用ASIC芯片層疊,利用引線鍵合方式實(shí)現(xiàn)2顆芯片之間的電氣連接。2)在制造過(guò)程中,慣性MEMS圓片與MEMS專(zhuān)用集成電路IC圓片兩者鍵合,實(shí)現(xiàn)芯片層疊與電氣連接。通常采用一種橫向電極引出的封裝集成技術(shù)方案,直接使用ASIC中的金屬引線作為跨越封裝內(nèi)外的電學(xué)引出導(dǎo)線。3)基于TSV技術(shù)的慣性MEMS三維集成(如WLCSP技術(shù))成為了MEMS微系統(tǒng)尺寸減小、集成度提高的有效技術(shù)手段,使得MEMS微系統(tǒng)的3D硅通孔互聯(lián)技術(shù)取得了產(chǎn)品化的突破。以上3種三維集成方式,實(shí)現(xiàn)了慣性MEMS芯片到芯片(Chip to Chip,C2C)、芯片到晶圓(Chip to Wafer,C2W)及晶圓到晶圓(Wafer to Wafer,W2W)[2-4]的堆疊集成,實(shí)現(xiàn)了慣性器件的商業(yè)/軍事應(yīng)用[5-6]。

(2)MEMS慣性微系統(tǒng)集成技術(shù)

美國(guó)國(guó)防部在20世紀(jì)90年代末率先采用異構(gòu)集成技術(shù),將微電子器件、MEMS器件整合集成在一起,開(kāi)發(fā)出了集成微系統(tǒng)的新概念。它的核心是按武器裝備功能發(fā)展的需求,將多種先進(jìn)元器件通過(guò)異構(gòu)集成技術(shù),以三維集成的結(jié)構(gòu)形式大幅度降低導(dǎo)航系統(tǒng)的體積、功耗,使其易于批量化制造,尤其可滿(mǎn)足新型戰(zhàn)術(shù)武器的需求。MEMS的多軸傳感器經(jīng)歷了傳統(tǒng)集成方式、立體集成方式和平面集成方式后,正朝著微系統(tǒng)集成的方向發(fā)展,如圖4所示。

2010年,美國(guó)加州大學(xué)Irvine分校報(bào)道了Draper實(shí)驗(yàn)室的折疊芯片結(jié)構(gòu)慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit,IMU),該研究給出了六面體結(jié)構(gòu)和金字塔結(jié)構(gòu)2種技術(shù)方案[7],如圖5所示。獨(dú)立的傳感器采用絕緣襯底上的硅晶圓(Silicon on Insulator,SOI)工藝技術(shù)制備,6軸慣性?xún)x表分布于立方體的六面,通過(guò)柔性連接板實(shí)現(xiàn)單片集成,同時(shí)形成了用于固定折疊結(jié)構(gòu)的閂鎖結(jié)構(gòu),得到了3維IMU微系統(tǒng),其體積小于1cm3。出于對(duì)六面體結(jié)構(gòu)機(jī)械穩(wěn)定性的考慮,同時(shí)研究了采用樹(shù)脂和焊料加固折疊金字塔的效果。經(jīng)測(cè)試,前者的傳感器軸變動(dòng)在4mrad之內(nèi),后者改進(jìn)到了0.2mrad之內(nèi)。該方案實(shí)現(xiàn)了6軸IMU的單片集成,但該集成方案限制了MEMS的儀表加工制備工藝,同時(shí)多傳感器單片集成的成品率也較低。

德國(guó)弗勞恩霍夫研究所在2014年國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議——IEEE電子元器件和技術(shù)會(huì)議中報(bào)道了基于TSV轉(zhuǎn)接板的慣性MEMS三維集成技術(shù)概念,該項(xiàng)目得到了歐盟政府部門(mén)的支持,其核心思想是利用TSV轉(zhuǎn)接板作為公共襯底平臺(tái),如圖6所示。TSV硅轉(zhuǎn)接板是指含有TSV互連的硅圓片,其上下表面制作了重新布線層,利用微凸點(diǎn)在TSV轉(zhuǎn)接板上組裝慣性MEMS芯片及MEMS專(zhuān)用IC芯片[8]。

基于TSV轉(zhuǎn)接板的慣性MEMS三維集成技術(shù),可以發(fā)揮TSV轉(zhuǎn)接板在熱膨脹系數(shù)失配、線寬匹配等方面的優(yōu)勢(shì),釋放了傳統(tǒng)慣性MEMS三維集成技術(shù)對(duì)MEMS專(zhuān)用IC在可選工藝制程方面的束縛,為慣性MEMS芯片的低應(yīng)力組裝提供了設(shè)計(jì)空間,允許其集成更多功能芯片,具有開(kāi)放性的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn),如圖7所示。目前,制造技術(shù)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足一般的應(yīng)用要求,但是相比與三維集成制造相關(guān)的三維集成設(shè)計(jì)方法、器件可靠性、散熱、多功能材料和器件集成等方面的需求,仍存在一定的差距。圍繞這些問(wèn)題,三維集成技術(shù)將在模型模擬、設(shè)計(jì)方法、可靠性評(píng)估和改進(jìn)、系統(tǒng)可測(cè)試性信號(hào)設(shè)計(jì)、散熱優(yōu)化和提高效率,以及三維集成制造能力、良率和成本控制等方面,進(jìn)行深入研究。

(3)TSV垂直互連技術(shù)

由于慣性MEMS芯片的厚度一般在300μm以上,為了匹配慣性MEMS芯片與TSV轉(zhuǎn)接板的機(jī)械強(qiáng)度,TSV轉(zhuǎn)接板的厚度通常需要大于或等于200μm。同時(shí),由于銅TSV互連與周?chē)枰r底的熱膨脹系數(shù)失配,銅TSV的互連直徑通常被控制為小于或等于20μm,TSV互連的深寬比大于或等于10,這對(duì)目前的TSV技術(shù)是個(gè)較大的挑戰(zhàn)。為了克服傳統(tǒng)銅TSV轉(zhuǎn)接板在慣性MEMS芯片三維集成應(yīng)用過(guò)程中的上述問(wèn)題,國(guó)際MEMS領(lǐng)域中的領(lǐng)先企業(yè)(ADI公司、Bosch公司、mCube公司、Silex公司、Fairchild公司等)均對(duì)MEMS三維集成技術(shù)開(kāi)展了一些研究。

Silex公司在2008年推出了標(biāo)準(zhǔn)硅通孔工藝,其通孔采用絕緣填埋技術(shù),用重?fù)诫s低阻硅作為電極導(dǎo)體,導(dǎo)通電阻在1D量級(jí),如圖8(a)所示。隨后,該公司提出了一種基于玻璃熔融回流的硅通孔技術(shù),如圖8(b)所示。其技術(shù)特點(diǎn)是在硅片上刻蝕以形成單晶硅TSV硅柱陣列,并在四周刻蝕以形成隔離環(huán),利用陽(yáng)極鍵合在刻蝕面鍵合玻璃片,在高溫退火爐中加熱至玻璃熔融,在真空作用下將其回流至隔離環(huán)內(nèi)。經(jīng)過(guò)后續(xù)的硅減薄、玻璃減薄、化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical and Mechanical Polishing,CMP)等工藝流程的處理,最終形成硅轉(zhuǎn)接板。該技術(shù)有效地增加了絕緣介質(zhì)層的厚度,有效減少了各引腳之間的寄生電容。但是,該工藝復(fù)雜,技術(shù)難度大,玻璃回填深寬比有限[9]。以上2種技術(shù)方案均采用了硅互連通孔(Silicon Via,Sil-Via)實(shí)現(xiàn)垂直互連。2012年,借助該技術(shù),Silex公司實(shí)現(xiàn)了2.5D硅轉(zhuǎn)接板的研制,其中BGA植球用TSV的孔徑為50μm,間隔為150μm[10]。同樣使用低阻硅實(shí)現(xiàn)垂直互連的轉(zhuǎn)接板方案有穿玻璃通孔(Through Glass Via,TGV)技術(shù),如圖8(c)所示。該技術(shù)同樣采用玻璃熔融工藝,其特點(diǎn)是在玻璃晶圓內(nèi)與刻蝕有硅柱的硅晶圓鍵合,將其高溫加熱至玻璃熔融,使得硅柱填埋入玻璃晶圓內(nèi)。該工藝難度相對(duì)較小,轉(zhuǎn)接板厚度可達(dá)200μm及以上。但是,采用該技術(shù)制備的轉(zhuǎn)接板的基底材料為玻璃,無(wú)法解決硅-玻璃之間熱膨脹系數(shù)差異的問(wèn)題。Schott Hermes采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MEMS-ICs的WLCSP集成[11-12]。

為滿(mǎn)足不同器件的集成需求,瑞典AAC Microtec公司和Silex公司開(kāi)發(fā)了金屬通孔(Metal Via,Met-Via)技術(shù),如圖8(d)所示。其特點(diǎn)在于與常規(guī)TSV相比,該技術(shù)可以在厚度為300μm～800μm的硅片上制作轉(zhuǎn)接板,轉(zhuǎn)接板剛度大,尤其適合對(duì)應(yīng)力敏感的MEMS傳感器的三維集成。然而,該技術(shù)采用銅電鍍制作TSV電極引出子,和普通金屬化TSV技術(shù)一樣存在長(zhǎng)期可靠性的問(wèn)題[13]。

(4)倒裝芯片(Flip Chip,FC)技術(shù)

倒裝芯片是一種已被廣泛應(yīng)用的封裝技術(shù),用來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與芯片的對(duì)準(zhǔn)和鍵合。倒裝芯片的互連方式主要包括了熱超聲、回流焊和熱壓3種鍵合工藝,分別對(duì)應(yīng)金球凸點(diǎn)、錫球凸點(diǎn)和銅柱凸點(diǎn)3種凸點(diǎn)制作工藝。相比于引線鍵合,該技術(shù)互聯(lián)線短,互連產(chǎn)生的電容、電阻電感小,所占基板面積小,安裝密度高。倒裝芯片通常無(wú)塑封,芯片背面可被有效冷卻,提高了其散熱能力,更適合多I/O數(shù)的芯片使用。改進(jìn)的散熱能力促進(jìn)了倒轉(zhuǎn)芯片技術(shù)的應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)高密度和低成本的封裝集成。

圓片級(jí)倒裝焊料的凸點(diǎn)可分為C4(Controlledcollapse Chip Connection)和C2(Chip Connection)2種,如圖9所示[14]?；贑4的倒裝技術(shù)的應(yīng)用已超過(guò)了50年,表面張力的作用使得C4在回流過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)。但是,由于芯片引腳數(shù)急劇增加,引腳間距減小,回流焊可能會(huì)使相鄰的焊料C4凸點(diǎn)短路。因此,在應(yīng)用C4技術(shù)時(shí),凸點(diǎn)間距一般不得小于50μm。C2則更適合于更精細(xì)的間距的芯片鍵合。由于銅的高導(dǎo)熱性和低電阻率,C2較C4的電、熱性能均更好。C2倒裝鍵合一般包括回流焊和熱壓鍵合2種方式。

基于倒裝芯片技術(shù),臺(tái)積電公司(TSMC)提出了芯片-晶圓-基底(Chip on Wafer on Substrate,CoWoS)集成工藝,并與Xilinx公司合作實(shí)現(xiàn)了FPGA的芯片集成。集成基底為厚度100μm的硅轉(zhuǎn)接板,TSV的通孔直徑10μm,有4層再布線層,布線間距為0.4μm,集成現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)單芯片凸點(diǎn)數(shù)超過(guò)了50000個(gè),微凸點(diǎn)間距僅為45μm,如圖10所示[14]。

基于FC技術(shù)、TSV技術(shù)和轉(zhuǎn)接板技術(shù),AMD實(shí)現(xiàn)了圖像處理器(Graphics Processing Unit,GPU)的三維集成,如圖11所示[14]。在TSV轉(zhuǎn)接板上集成1個(gè)GPU圖像傳感器、2個(gè)高帶寬存儲(chǔ)器(High Bandwidth Memory,HBM2),GPU和HBM間的互連通過(guò)TSV轉(zhuǎn)接板上的多層再布線層(Redistribution Layer,RDL)解決,其他引腳經(jīng)TSV硅轉(zhuǎn)接板一次扇出,再經(jīng)過(guò)有機(jī)基板的球柵陣列(Ball Grid Array,BGA)輸出。

2 展望與思考

從國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的MEMS及微系統(tǒng)集成研究成果可以發(fā)現(xiàn),集成工藝設(shè)計(jì)對(duì)MEMS器件的整體性能至關(guān)重要,MEMS三維集成技術(shù)研究是該領(lǐng)域研究中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),對(duì)于提升MEMS微系統(tǒng)研究水平、推動(dòng)MEMS應(yīng)用、完善慣性MEMS器件產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展具有重要意義。

MEMS垂直互連技術(shù)通過(guò)提供垂直貫穿轉(zhuǎn)接板,為MEMS芯片、信號(hào)處理/解算電路、控制芯片、電源芯片等立體化集成提供了便利,允許集成元器件由采用不同工藝制造的功能芯片集成于TSV轉(zhuǎn)接板襯底上,開(kāi)放性好,符合未來(lái)慣性MEMS三維集成多功能融合趨勢(shì)的需求。綜合考慮基于TSV的慣性MEMS三維集成技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì),以及國(guó)內(nèi)慣性MEMS器件及TSV互連技術(shù)研究布局與特點(diǎn),基于TSV轉(zhuǎn)接板的慣性MEMS三維集成技術(shù)將是國(guó)內(nèi)開(kāi)展慣性MEMS三維集成研究的優(yōu)選切入點(diǎn)。該技術(shù)有效減少了MEMS三維集成模塊的體積/質(zhì)量,提高了集成度,可以有效降低慣性MEMS三維集成模塊的體積、質(zhì)量、熱應(yīng)力水平等,將成為未來(lái)慣性MEMS三維集成TSV互連技術(shù)發(fā)展的重要方向。