MEMS技術(shù)中的電鍍工藝及其應(yīng)用*

趙廣宏，薛彥鵬，汪郁東，尹玉剛，陳青松，李 軍

MEMS技術(shù)中的電鍍工藝及其應(yīng)用*

趙廣宏1，薛彥鵬2，汪郁東1，尹玉剛1，陳青松1，李 軍1

（1 北京遙測技術(shù)研究所 北京 100094 2 北京科技大學(xué) 北京 100083）

電鍍已經(jīng)成為MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技術(shù)中的一種重要加工手段，相比于傳統(tǒng)意義的表面處理作用，MEMS技術(shù)中的電鍍主要用于制作微結(jié)構(gòu)。介紹了幾種常用的以電鍍?yōu)楹诵姆椒ǖ奈⒔Y(jié)構(gòu)加工工藝和它們的應(yīng)用領(lǐng)域。微結(jié)構(gòu)加工工藝包括LIGA/UV-LIGA、EFAB、PolyStrata、TSV/TGV、MetalMUMPs等，結(jié)合設(shè)計好的光刻、鍍膜、刻蝕等輔助微工藝技術(shù)，能夠完成具有超高深寬比、多層堆疊、懸空、可動等特點的復(fù)雜三維金屬微結(jié)構(gòu)，并針對不同的使用需求，可以實現(xiàn)典型的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、慣性傳感器、射頻器件、異構(gòu)集成、系統(tǒng)散熱等功能應(yīng)用，具有廣泛的實用意義。

微電子機(jī)械系統(tǒng)；電鍍工藝；微結(jié)構(gòu)

引 言

傳統(tǒng)意義的電鍍工藝是一種利用電化學(xué)方法實現(xiàn)的表面處理技術(shù)，其原理主要是利用在電荷能量傳遞的過程中，電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體的交界處會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使得陰極過程析出目標(biāo)金屬，在合適的參數(shù)下以獲得對陰極鍍件具有表面裝飾、氧化防護(hù)以及提高耐磨性、導(dǎo)電性、反光性、抗腐蝕性等特定作用的鍍層。電鍍技術(shù)發(fā)展至今有著悠久的歷史和豐富的研究成果，由于電鍍工藝能夠在常溫范圍內(nèi)實現(xiàn)水溶液中的金屬離子到原子形態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，使其廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各行各業(yè)。

MEMS是微電子機(jī)械系統(tǒng)或微機(jī)電系統(tǒng)的英文簡稱，能夠?qū)⑽鞲衅?、微?zhí)行器、信號處理、控制電路、微能源、熱管理及各種形式的接口，通過綜合設(shè)計形成多功能于一體的集成器件或系統(tǒng)。MEMS作為智能微系統(tǒng)實現(xiàn)的五大構(gòu)成要素之一[1]，被認(rèn)為是狹義上的微系統(tǒng)技術(shù)，本質(zhì)上是一種實現(xiàn)單一或多類用途的綜合性前沿技術(shù)，涉及微電子學(xué)、信息學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、流體力學(xué)、自動控制、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉。MEMS技術(shù)制備的器件具有微型化、集成化、穩(wěn)定性高、可批量生產(chǎn)等特點，在信息、生物、汽車、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，對國家保持技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢具有重要意義[2,3]。

隨著MEMS技術(shù)中的金屬微結(jié)構(gòu)器件應(yīng)用需求和加工難度的不斷增加，電鍍已經(jīng)發(fā)展為MEMS器件實現(xiàn)工藝中不可缺少的一種。電鍍工藝不再限于作為表面防護(hù)層應(yīng)用，而是通過微區(qū)電鍍來制備MEMS所需的特定金屬機(jī)械微結(jié)構(gòu)、功能微結(jié)構(gòu)、互聯(lián)微結(jié)構(gòu)及散熱微結(jié)構(gòu)等。MEMS技術(shù)中的電鍍工藝與傳統(tǒng)電鍍過程最大的不同點在于，往往需要伴隨以晶圓為載體的輔助工藝步驟，如種子層制備、光刻、腐蝕、研磨拋光、激光修調(diào)、多層堆疊等加工步驟，工藝方法相對更加復(fù)雜。經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一些特色性的以電鍍?yōu)橹鞯腗EMS加工工藝方法，本文主要介紹這些常用MEMS技術(shù)中的電鍍工藝實現(xiàn)步驟和它們的研制應(yīng)用。

1 MEMS技術(shù)中的電鍍工藝介紹

1.1 LIGA/UV-LIGA技術(shù)

LIGA是德文“光刻、電鑄和注塑”的縮寫，也是最早的以電鑄結(jié)構(gòu)為主的MEMS加工技術(shù)[4]。LIGA工藝過程包括X光同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制步驟，工藝步驟流程如圖1所示[5-7]。光刻需要在導(dǎo)電襯底上涂厚光刻膠，一般用甲基丙烯酸甲酯（PMMA），它的化學(xué)特性是經(jīng)X射線照射后可以被顯影劑溶解。制膜要利用電鍍微結(jié)構(gòu)的方法在導(dǎo)電襯底上沉積金屬，為了不引起微結(jié)構(gòu)的變形，LIGA電鍍過程要求沉積的金屬具有最小的應(yīng)力，且在開模的過程中不會發(fā)生粘連導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)損壞，一般的可用電鍍材料包括金、銅、鎳以及鎳合金等。電鍍得到的金屬微結(jié)構(gòu)模型稱為型芯，注膜復(fù)制工藝就是通過型芯大批量生產(chǎn)微型器件，成型的主要方法包括注射成型和熱膜壓印兩種。由于X射線有非常高的平行度和極強(qiáng)的輻射強(qiáng)度，使得LIGA技術(shù)能夠制造出深寬比達(dá)到500、厚度從數(shù)百微米到毫米級別、側(cè)壁光滑且平行度偏差在亞微米范圍內(nèi)的三維體結(jié)構(gòu)，這是其它微制造技術(shù)無法實現(xiàn)的。此外，采用LIGA技術(shù)結(jié)合多掩模套刻、掩模板線性移動、傾斜承片臺、背面傾斜光刻等措施，還能制造含有疊狀、斜面、曲面等結(jié)構(gòu)特征的三維微小元器件。

圖1 LIGA技術(shù)的工藝過程

由于LIGA技術(shù)需要極其昂貴的X射線光源和制作復(fù)雜的掩模板，其工藝成本非常高，限制了該技術(shù)在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。于是出現(xiàn)了一類應(yīng)用低成本光刻光源和掩模的制造工藝，這種新的加工技術(shù)制造性能與LIGA技術(shù)相當(dāng)，通稱為準(zhǔn)LIGA技術(shù)或LIGA-like技術(shù)[8]。其中，使用紫外光源對光刻膠曝光的UV-LIGA技術(shù)是一種成本和步驟都相對簡單的工藝，最常用的是采用SU-8負(fù)型膠代替PMMA正膠作為光敏材料，可以減少曝光時間并提高加工效率。通常加工厚度可達(dá)0.5 mm以上，深寬比達(dá)20︰1以上，側(cè)壁陡直、表面平整，是最為常用的MEMS加工工藝之一。

1.2 EFAB技術(shù)

EFAB（Electrochemical Fabrication）是美國南加州大學(xué)的Adam Cohen等人，基于SFF（Solid Freeform Fabrication）的分層制造原理開發(fā)出來的一種金屬微結(jié)構(gòu)MEMS加工技術(shù)，已有近20多年的發(fā)展歷史，具有真正的三維微加工能力[9]。該技術(shù)實質(zhì)上是金屬結(jié)構(gòu)層電沉積、犧牲層電沉積、平坦化3個主要工藝環(huán)節(jié)的組合與復(fù)用，并以層層疊加的方式來加工金屬微結(jié)構(gòu)和零件，每層沉積厚度在兩微米到數(shù)十微米范圍。典型的EFAB技術(shù)工藝原理如圖2所示，通過合理組合和復(fù)用EFAB的3個工藝環(huán)節(jié)，它可以制造厚度足夠高的三維復(fù)雜金屬或合金微結(jié)構(gòu)。EFAB技術(shù)有其自身顯著的特點，它是最早的將微結(jié)構(gòu)設(shè)計和電鍍技術(shù)融合的真正的3D微結(jié)構(gòu)器件標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，在設(shè)計上可以依靠完全標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)化CAD軟件完成結(jié)構(gòu)的分層，首次將復(fù)雜微結(jié)構(gòu)器件的實現(xiàn)變成可能，而使用該技術(shù)加工的器件，無論從微結(jié)構(gòu)尺度、復(fù)雜程度、深寬比等要求的角度，都是電鍍3D器件的各項技術(shù)中最為突出的，尤其是在多層精細(xì)化的微結(jié)構(gòu)器件制備領(lǐng)域，至今仍是其他三維結(jié)構(gòu)電鍍技術(shù)所無法比擬的。

圖2 EFAB技術(shù)的工藝過程

圖3 Polystrata技術(shù)工藝過程

1.3 PolyStrata技術(shù)

PolyStrata工藝是一種專門用于制備微同軸結(jié)構(gòu)的射頻MEMS器件技術(shù)[10,11]，該技術(shù)始于上世紀(jì)末，最早由美國的羅門哈斯有限公司提出概念并逐步優(yōu)化制備過程。它的核心過程是通過光刻、電鍍、平面化獲得所需要的形狀，包括多層金屬和光刻掩膜的沉積過程。圖3所示為PolyStrata制造工藝技術(shù)流程[12]。沉積金屬一般選用電導(dǎo)率高、成本低的銅，每層銅的厚度一般均采用50 μm或100 μm兩種層高結(jié)構(gòu)，加工層數(shù)也以5層結(jié)構(gòu)和10層結(jié)構(gòu)的器件為主。相比于EFAB技術(shù)，PolyStrata不需要單獨電鍍犧牲層金屬，而是最后通過釋放孔去除光刻膠，獲得被空氣包圍的中央導(dǎo)體和四周封閉的接地面。PolyStrata技術(shù)主要針對高性能的射頻微同軸器件和微系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)，加工的器件結(jié)構(gòu)更加標(biāo)準(zhǔn)化，有固定的層數(shù)和層高要求，并成功引入了聚合物作為絕緣支撐材料，突破了以往的全金屬器件的限制。

1.4 TSV/TGV技術(shù)

TSV（Through Silicon Vias）硅通孔互聯(lián)技術(shù)的誕生，主要是為了解決半導(dǎo)體芯片封裝的更高要求，通過背面的垂直電連接為芯片堆疊提供更大的空間效率和互聯(lián)密度，進(jìn)而有可能實現(xiàn)打破摩爾定律的局限性。這種技術(shù)的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)在垂直方向具有最短的路徑，一方面縮短了信號的傳輸路徑，減小了電阻，提高了芯片的高頻性能并降低了發(fā)熱量；另一方面減少了互連結(jié)構(gòu)在芯片上的面積，在相同面積下形成的堆疊結(jié)構(gòu)具有更高的性能和更多的功能[13,14]。隨著TSV技術(shù)的發(fā)展，該類技術(shù)已經(jīng)不僅僅局限于半導(dǎo)體芯片的封裝互聯(lián)，同樣發(fā)展出適合于MEMS芯片的封裝互聯(lián)，也從TSV擴(kuò)展到TGV（Through Glass Vias）等不同基材的垂直通孔互聯(lián)工藝。相比于半導(dǎo)體互聯(lián)MEMS技術(shù)中的TSV/TGV技術(shù)的主要不同點在于，為滿足MEMS敏感芯片的力學(xué)性能和工藝兼容性要求，TSV/TGV技術(shù)制備的互聯(lián)通孔直徑和通孔深度更大[15]。因此，填孔工藝不能簡單參照已有半導(dǎo)體的TSV填孔技術(shù)。一般的TSV/TGV技術(shù)的主要工藝步驟包括通孔結(jié)構(gòu)制備、孔內(nèi)絕緣層/種子層生長、電鍍銅填孔、孔內(nèi)銅柱的平坦化等。其工藝流程如圖4所示。

圖4 TSV/TGV技術(shù)工藝過程

1.5 MetalMUMPs技術(shù)

MUMPs（The Multi-User MEMS Processes）工藝是 MEMSCAP公司為工業(yè)機(jī)構(gòu)、科研院校的MEMS 器件的研究和制造提供一套可靠、高效、開放的商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)工藝，客戶可使用標(biāo)準(zhǔn)的工藝手冊來自由選擇多種工藝版圖層的組合，完成器件的設(shè)計和優(yōu)化。用戶需購買一個或幾個標(biāo)準(zhǔn)單元面積（1 cm×1 cm），然后提交自己的設(shè)計版圖，8到12周后完成產(chǎn)品。在產(chǎn)業(yè)界，MUMPs工藝極大地降低了新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險，促使新產(chǎn)品能夠不斷推出。MUMPs主要包含三種標(biāo)準(zhǔn)工藝，即多晶硅表面加工工藝Poly MUMPs、絕緣片上硅微機(jī)械工藝SOI MUMPs、多層電鍍鎳工藝MetalMUMPs。其中，MetalMUMPs是以電鑄鎳、電鑄金為主體結(jié)構(gòu)的微器件制造技術(shù)，金屬結(jié)構(gòu)通常由鎳構(gòu)成，厚度一般為18 μm～22 μm，可用作主要的結(jié)構(gòu)材料層和電互聯(lián)層，摻雜多晶硅作電阻、其他機(jī)械結(jié)構(gòu)或交叉電通路，氧化硅作犧牲層（PSG），電絕緣層則由氮化硅來完成。鎳金屬結(jié)構(gòu)側(cè)壁的接觸電阻通過金覆蓋層實現(xiàn)，硅襯底中通過氧化硅刻蝕的溝槽可作為另外的電或熱絕緣層，使用MetalMUMPs工藝已可以加工繼電器、射頻開關(guān)和微流體器件等。具體的MetalMUMPs標(biāo)準(zhǔn)工藝流程如圖5所示[16]。

圖5 MetalMUMPs工藝過程

2 MEMS技術(shù)中的電鍍應(yīng)用介紹

2.1 金屬微結(jié)構(gòu)

金屬微結(jié)構(gòu)能夠作為微系統(tǒng)組成的傳動裝置、支撐結(jié)構(gòu)、減震結(jié)構(gòu)、執(zhí)行器等進(jìn)行使用。UV-LIGA和EFAB技術(shù)是最為常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法，如圖6所示。其中，UV-LIGA技術(shù)主要針對深寬比要求相對高且結(jié)構(gòu)相對簡單的金屬微結(jié)構(gòu)，如高深寬比的齒輪、支撐架、微管等。目前報道的UV-LIGA工藝中已知的最大的深寬比可以達(dá)到190︰1以上，該結(jié)果由美國路易斯安那大學(xué)通過使用Cargille折射率匹配液進(jìn)行SU-8光刻間隙補(bǔ)償方法后得到[17]。而EFAB工藝可以實現(xiàn)比UV-LIGA工藝更為復(fù)雜的金屬微結(jié)構(gòu)，早在上世紀(jì)90年代，美國Microfabrica公司就將該項技術(shù)走向了商業(yè)化，專門開發(fā)了針對EFAB技術(shù)的商用設(shè)備和軟件，實現(xiàn)了EFAB自動化生產(chǎn)，主要用于功能器件的微增材制造，如微型齒輪、微彈簧、微型鑷子[18]。該公司于2019年被半導(dǎo)體測試公司Technoprobe收購，主要用于增強(qiáng)半導(dǎo)體測試探針等產(chǎn)品的制造能力。

圖6 UV-LIGA及EFAB制備的金屬微結(jié)構(gòu)

2.2 慣性傳感器

慣性傳感器是MEMS技術(shù)中的一大類代表性應(yīng)用，MEMS 慣性傳感器主要包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、慣性開關(guān)等典型產(chǎn)品，如圖7所示。集成化、低功耗、低成本的MEMS 慣性傳感器主要滿足民用消費需求，高性能、特殊應(yīng)用環(huán)境下的MEMS 傳感器主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。利用體工藝或表面微加工工藝制造慣性傳感器往往需要昂貴的設(shè)備，除光刻設(shè)備以外，DRIE、陽極鍵合、氣相沉積等設(shè)備都是十分常用的。而以電鍍技術(shù)為主體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的MEMS慣性傳感器主要采用紫外線光刻和電鑄設(shè)備，如UV-LIGA技術(shù)可以用來制備陀螺、加速度計、慣性開關(guān)等[19-24]。此外，采用標(biāo)準(zhǔn)的Meatal MUMPs技術(shù)可以制備更加復(fù)雜的慣性傳感器結(jié)構(gòu)[25,26]，這為低成本的MEMS慣性傳感器提供了新的途徑。

2.3 射頻器件

電鍍工藝在制備MEMS射頻器件方面有著先天的技術(shù)優(yōu)勢，尤其是以電鍍銅、金等具有高電導(dǎo)率金屬為主體結(jié)構(gòu)的射頻器件。Microfabriba早期就通過EFAB技術(shù)進(jìn)行射頻MEMS器件產(chǎn)品的開發(fā)，如圖8所示，這些器件包括微型體式電感、可變電容、高性能的毫米波濾波器等[18]。

圖8 EFAB工藝制備的射頻MEMS器件[18]

PolyStrata技術(shù)的出現(xiàn)，極大地拓展了通過電鍍技術(shù)制備的射頻器件的應(yīng)用范圍。從2002年開始，美國科羅拉多大學(xué)和Nuvotronics有限公司一直致力于研究基于PolyStrata工藝的微同軸結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高性能射頻器件，研究人員通過該技術(shù)不但實現(xiàn)了功分器、耦合器、濾波器等一系列性能優(yōu)異的射頻器件[27]，而且實現(xiàn)了寬帶天線、功率放大器、相控陣天線、太赫茲陣列等系統(tǒng)級射頻組件，如圖9所示[28-31]。

圖9 PolyStrata工藝制備的射頻MEMS器件及模塊

傳統(tǒng)的薄膜電鍍技術(shù)也有十分典型的射頻MEMS器件的應(yīng)用，最為常見的是以電鍍金薄膜為主的射頻MEMS開關(guān)[32]。此外，商業(yè)化的MetalMUMPs工藝也為射頻器件的研制提供了相當(dāng)便利的條件，采用標(biāo)準(zhǔn)工藝可以很好地實現(xiàn)電熱驅(qū)動射頻開關(guān)、移相器、濾波器等一系列射頻器件，如圖10所示[33-36]。

圖10 MetalMUMPs工藝制備的射頻MEMS器件

2.4 異構(gòu)集成

通過TSV/TGV方式實現(xiàn)垂直互聯(lián)是射頻微系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)異構(gòu)集成的重要方式之一。國內(nèi)，南京微電子器件研究所已經(jīng)建立起了基于8英寸硅晶圓的TSV射頻轉(zhuǎn)接板的三維異構(gòu)集成的工藝技術(shù)，如圖11所示，TSV的尺寸為（30 : 200）μm，支持多層硅片圓片級的堆疊，并且利用該技術(shù)已經(jīng)研制出了38 GHz異構(gòu)集成的收發(fā)芯片和4層硅片堆疊集成的X波段硅基變頻芯片[37]。

圖11 硅基TSV三維異構(gòu)集成樣品[37]

2019年美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的Zoya Popovic等人發(fā)表文章，提出了一種叫作MECA（Metal-Embedded Chip Assembly）的系統(tǒng)集成技術(shù)[38]。該方法采用電鍍銅技術(shù)可以實現(xiàn)硅集成電路、陶瓷電容、陶瓷耦合器、GaAs集成電路等多芯片的異構(gòu)集成，并通過電鍍金橋接設(shè)計代替了傳統(tǒng)的金絲引線，如圖12所示。這種近乎于全金屬集成的封裝形式具有優(yōu)異的散熱和電學(xué)性能，并且優(yōu)化的金橋結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的微帶線具有更低的損耗和色散。

圖12 銅基MECA三維異構(gòu)集成樣品[38]

2.5 散熱微結(jié)構(gòu)

MEMS器件組成的微系統(tǒng)具有集成度高、微小型化、功能強(qiáng)大等特點，但同時該結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)散熱性能有很高的要求，尤其是伴隨著GaN等三代半導(dǎo)體材料的逐步應(yīng)用，導(dǎo)致系統(tǒng)的散熱密度和散熱難度急劇增大，具體體現(xiàn)為高面熱流度、高體熱流密度和熱堆疊[39]。降低系統(tǒng)工作時器件的溫度，是有效提升器件使用壽命的方法。電鍍技術(shù)能夠沉積高導(dǎo)熱的金屬銅作為通道體結(jié)構(gòu)或輔助結(jié)構(gòu)，形成特有的微型散熱片結(jié)構(gòu)，如圖13所示。美國佐治亞理工大學(xué)通過TSV輔助結(jié)構(gòu)形成了以硅為主體的針翅散熱陣列微流通道[40]。電子科技集團(tuán)三十八所針對大功率集成微波散熱需求，研究了TGV結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱轉(zhuǎn)接板[41]。上海交通大學(xué)通過采用UV-LIGA技術(shù)和氮化鋁陶瓷組合研制了高性能的液體微流散熱片，并就電鍍散熱片的形狀以及形狀對散熱的影響進(jìn)行了研究[42-44]。

3 結(jié)束語

本文介紹了MEMS技術(shù)中以電鍍?yōu)橹鞯膸追N典型加工工藝的基本流程和技術(shù)應(yīng)用，主要包括LIGA/UV-LIGA、EFAB、TSV/TGV、PolyStrata、MetalMUMPs等。表1是針對每項MEMS工藝技術(shù)的特點及應(yīng)用場景的對比總結(jié)，這些技術(shù)將輔助工藝與電鍍工藝相結(jié)合可以制造出多種類器件，滿足MEMS技術(shù)在微結(jié)構(gòu)、傳感器、射頻器件、異構(gòu)集成、系統(tǒng)散熱等方面的開發(fā)需求。

電鍍工藝有著其它微加工技術(shù)不具備的典型優(yōu)勢。其一，電鍍工藝是一種典型增材加工方法，能夠采用類似于多層堆疊的加法模式，較容易形成三維器件結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜金屬微器件制備提供了良好途徑；其二，電鍍工藝不需要昂貴的真空環(huán)境設(shè)備，尤其是以電鍍銅和電鍍鎳為主的器件應(yīng)用，是潛力極大的低成本、批量化加工方法。綜上所述，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜金屬微結(jié)構(gòu)和典型領(lǐng)域功能的高端電鍍工藝，必將是未來微電子機(jī)械系統(tǒng)發(fā)展的一大助力。

[1] 尤政. 智能制造與智能微系統(tǒng)[J]. 中國工業(yè)和信息化, 2019(12): 50–52.

[2] 王國棟, 邢朝洋, 李男男, 等. 微系統(tǒng)技術(shù)綜述[C]//第四屆航天電子戰(zhàn)略研究論壇論文集(新型慣性器件?？?, 2018.

[3] 馬福民, 王惠. 微系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展綜述[J]. 電子元件與材料, 2019, 38(6): 12–19.

MA Fumin, WANG Hui. Overview of microsystem technology and its development[J]. Electronic Components & Materials, 2019, 38(6): 12–19.

[4] HRUBY J. LIGA technologies and applications[J]. Mrs Bulletin, 2001, 26(4): 337–340.

[5] BECKER E W, EHRFELD W, HAGMANN P, et al. Fabrication of microstructures with high aspect ratios and great structural heights by synchrotron radiation lithography, galvanoforming, and plastic moulding (LIGA process)[J]. Microelectronic Engineering, 1986, 4: 35–56.

[6] LEHR H, EHRFELD W. Advanced microstructure products by synchrotron radiation lithography[C]//In Proc. of the European Symposium on Frontiers in Science and Technology with Synchrotron Radiation, Aix-en-Provence, France, April 5-8, 1994.

[7] HU Jianfei, GUO Jinjin. The development of microsystem technology[C]//IEEE 2017 2nd International Conference on Integrated Circuits and Microsystems, 2017: 96–100.

[8] CUI Z, LAWES R A. Low cost fabrication of micromechanical systems[J]. Microelectronic Engineering, 1997, 35: 389.

[9] ADAM COHEN, URI FRODIS, TSENG Fangang, et al. EFAB: low-cost automated electrochemical batch fabricationof arbitrary 3-D microstructures [C]//SPIE 1999 Santa Clara CA, 1999.

[10] SAITO Y, FONTAINE D, ROLLIN J M, et al. Monolithic micro-coaxial power dividers[J]. Electronics Letters, 2009, 45( 9): 469–470.

[11] VANHILLE K, et al. Ka band surface-mount directional coupler fabricated using micro rectangular coaxial transmission lines[C]//IEEE MTT-S IMS Digest, 2008: 1549–1552.

[12] ZHOU Hongyu, SUTTON N A, DEJAN S F. Wideband W-band patch antenna[C]//Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), 2011.

[13] 趙璋, 董志義. 3D-TSV技術(shù)——延續(xù)摩爾定律的有效通途[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備, 2011(3): 10–16.

ZHAO Zhang, DONG Zhiyi. The 3DTSV packaging technologies——Effective way of continuation Moore′s law[J]. Equipment for Electronic Products Manufacturing, 2011(3): 10–16.

[14] 鄧丹, 吳豐順, 周龍早, 等. 3D封裝及其最新研究進(jìn)展[J]. 微納電子技術(shù), 2010, 47(7): 443–450.

DENG Dan, WU Fengshun, ZHOU Longzao, et al. 3D Package and Its Latest Research[J]. Micronanoelectronic Technology, 2010, 47(7): 443–450.

[15] 王宇哲, 汪學(xué)方, 徐明海, 等. 應(yīng)用于MEMS封裝的TSV工藝研究[J]. 微納電子技術(shù), 2012, 49(1): 62–67.

WANG Yuzhe, WANG Xuefang, XU Minghai, et al. Research of TSV Technology for MEMS Packaging[J]. Micronanoelectronic Technology, 2012, 49(1): 62–67.

[16] MEMSCAP. MetalMUMPs Design Handbook[M].Rev. 4. 0. Copyright ? 2002-2012.

[17] YANG Ren, WANG Wanjun. A numerical and experimental study on gap compensation and wavelength selection in UV-lithography of ultra-high aspect ratio SU-8 microstructures[J]. Sensors and Actuators B, 2005, 110 (2): 279–288.

[18] Microfabrica Inc. Application examples[DB/OL]. [2007-11-11]. http://www.microfabrica.com/applications/applications_iofo.htm.

[19] ANKUSH JAIN, RAM GOPAL. Formation of thick SU-8 mold for the farication of UV-LIGA based nickel micro-gyroscope structures[J]. Journal of Microelectronics, Electronic Compoeents and Materrisls,2014, 44(4): 330–335.

[20] ANKUSH JAIN , RAM GOPAL. Reliability testing of Ni-Fe as structural material in MEMS gyroscope[J]. Journal of Micro/ Nanolithography, Mems, and Moems, 2016, 15(4): 040501.

[21] MD. S M, ZEYNEP C B, DONALD P B. Design, fabrication and characterization of flexible MEMS accelerometer using multi-Level UV-LIGA[J]. Sensors and Actuators A, 2017,263:530–541.

[22] LUKE J C, COLLIN R B. Triaxial inertial switch with multiple thresholds and resistive ladder readout[J]. Sensors and Actuators A, 2013,195: 191–197.

[23] CAI Haogang, DING Guifu, YANG Zhuoqing, et al. Design, simulation and fabrication of a novel contact-enhanced MEMS inertial switch with a movable contact point[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008, 18(11): 115033.

[24] DU Liqun, ZHAO Ming, WANG Aoan, et al. Fabrication of novel MEMS inertial switch with six layers on a metal substrate[J]. Microsystem Technologies, 2015, 21(9): 2025–2032.

[25] SHAKOOR R I, BAZAZ S A, BURNIE M, et al. Electrothermally actuated resonant rate gyroscope fabricated using the MetalMUMPs[J]. Microelectronics Journal, 2011, 42(4): 585–593.

[26] QU Peng, QU Hongwei. Design and characterization of a fully differential MEMS accelerometer fabricated using MetalMUMPs technology[J]. Sensors, 2013, 13: 5720–5736.

[27] ZOYA POPOVIC. Micro-coaxial Micro-fabricated feeds for phased array antennas[C]//2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, 2010.

[28] JARED WILLIAMS JORDAN. Monolithically fabricated 4096-Element, PolyStrata?Broadband D-band array demonstrator[C]//2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2019.

[29] Nuvotronics. Nuvotronics[EB/OL].http: //www. nuvotronics.com.

[30] BENJAMIN L C, GREGORY A S. Microfabricated dual-polarized, W-band antenna architecture for scalable line arrav feed[C]//2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, 2015.

[31] 焦海龍, 趙廣宏, 李文博, 等. RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 遙測遙控, 2017, 38(5): 1–10.

JIAO Hailong, ZHAO Guanghong, LI Wenbo. RF MEMS: State of arts and development trend[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2017, 38(5): 1–10.

[32] LI Muhua, ZHAO Jiahao, YOU Zheng. Design and fabrication of a low insertion loss capacitive RF MEMS switch with novel micro-structures for actuation[J]. Solid-State Electronics, 2017, 127: 32–37.

[33] LEI Han. A reconfigurable microwave equalizer with different maximum attenuations based on RF MEMS switches[C]. IEEE Sensors Journal, 2016, 16(1): 17–18.

[34] ZHU Yanqing, HAN Lei, WANG Lifeng, et al. A novel three-state RF MEMS switch for ultrabroadband (DC-40GHz) applications[J]. IEEE Electron Device Letters. 2013, 34(8): 1062–1064.

[35] MAHER B K, RAAFAT R M, SAFIEDDIN S N. A novel latching RF MEMS phase shifter[C]. 2014 44th European Microwave Conference(EuMC), 2014.

[36] LANG Leijie, XIA Yu, LI Xiuhan, et al. Fabrication and characteristics of tunable bandpass filter using MetalMUMPS technology[C]//Proceedings of the 2011 6th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, 2011: 249–253.

[37] 郁元衛(wèi), 張洪澤, 黃旼,等. 硅基射頻微系統(tǒng)三維異構(gòu)集成技術(shù)[J]. 固體電子學(xué)研究與進(jìn)展, 2019, 39(3): 封3.

YU Yuanwei, ZHANG Hongze, HUANG Min,et al. Silicon based RF microsystem using 3D hetergeneous intergration technology[J]. Research & Progress of Solid State Electronics, 2019, 39(3) : seal 3.

[38] JOSé ANTONIO ESTRADA. Metal-embedded chip assembly processing for enhanced RF circuit performance[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2019, 67(9): 3537–3546.

[39] 胡長明, 魏濤, 錢吉裕, 等. 射頻微系統(tǒng)冷卻技術(shù)綜述[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2020, 42(3): 1–11.

HU Changming, WEI Tao, QIAN Jiyu, et al. A review of the cooling technologies for RF microsystems[J]. Modern Radar, 2020, 42(3): 1–11.

[40] OH H, GU J M, HONG S J, et al. High-aspect ratio through-silicon vias for the integration of microfluidiccooling with 3D microsystems[J]. Microelectronic Engineering, 2015, 142: 30–35.

[41] 王強(qiáng)文, 郭育華, 劉建軍, 等. 高散熱性能TGV轉(zhuǎn)接板[J]. 微納電子技術(shù),2021, 58(2): 177–183.

WANG Qiangwen, GUO Yuhua, LIU Jianjun,et al. High heat dissipation performance of the TGV interposer[J].Micronanoelectronic Technology,2021, 58(2): 177–183.

[42] ZHAO Junhong, WANG Yan, DING Guifu, et al. Design, fabrication and measurement of a microchannel heat sink with a pin-fin array and optimal inlet position for alleviating the hot spot effect[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2014, 24(11): 115013-1-115013-9

[43] YANG Dawei, JIN Zhiyu, WANG Yan, et al. Heat removal capacity of laminar coolant flow in a micro channel heat sink with different pin fins[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 113: 366–372.

[44] YANG Dawei, WANG Yan, DING Guifu, et al. Numerical and experimental analysis of cooling performance of single-phase array microchannel heat sinks with different pin-fin configurations[J]. Applied Thermal Engineering: Design, Processes, Equipment, Economics, 2017, 112: 1547–1556.

Electroplating processes in MEMS technology and its application

ZHAO Guanghong1, XUE Yanpeng2, WANG Yudong1, YIN Yugang1, CHEN Qingsong1, LI Jun1

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100094, China;2. University of Science and Technology Beijing 100083, China）

Electroplating has become an important processing method in MEMS technology. Compared with surface treatment in the traditional sense, industries electroplating in MEMS technology is mainly used to fabricate microstructures. This article introduces several common MEMS technologies with electroplating as the core process and their application fields, which include LIGA/UV-LIGA, EFAB, PolyStrata, TSV/TGV, MetalMUMPs, etc. In combination with other well-designed micro-process technologies such as photolithography, coating, and etching, the complex three-dimensional metal MEMS microstructure with the characteristics of ultra-high aspect ratio, multi-layer stacking, suspended and movable can be fabricated. For different application requirements, the typical functional applications can be realized, such as micromechanical structure, inertial sensor, RF device, heterogeneous integration and heat dissipation, which have a wide range of practical significance.

Micro-electromechanical system (MEMS); Electroplating process; Micro structure

TQ153

A

CN11-1780(2022)01-0029-12

10.12347/j.ycyk.20210820001

趙廣宏, 薛彥鵬, 汪郁東, 等.MEMS技術(shù)中的電鍍工藝及其應(yīng)用[J]. 遙測遙控, 2022, 43(1): 29–40.

DOI：10.12347/j.ycyk.20210820001

: ZHAO Guanghong, XUE Yanpeng, WANG Yudong, et al.Electroplating processes in MEMS technology and its application [J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(1): 29–40.

趙廣宏 1984年生，博士，高級工程師，主要研究方向為傳感器及MEMS工藝技術(shù)。

薛彥鵬 1983年生，博士，副研究員，主要研究方向為電子電鍍及其技術(shù)應(yīng)用。

汪郁東 1996年生，碩士，助理工程師，主要研究方向為MEMS工藝技術(shù)。

尹玉剛 1982年生，碩士，研究員，主要研究方向為MEMS與傳感器。

陳青松 1972年生，碩士生導(dǎo)師，研究員，主要研究方向為傳感器及儀器儀表。

李 軍 1963年生，助理工程師，主要研究方向為特種元器件測試。

北京市科技計劃（Z201100007920006）

2021-08-20

2021-09-02

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

(本文編輯：楊秀麗)