高度集成MEMS傳感器封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法

馬勉之，龐寶龍

華天科技（西安）有限公司，陜西西安，710018

0 引言

MEMS是微機電系統(tǒng)的簡稱，是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。作為一個獨立的智能系統(tǒng)，它是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成，它通過光刻、腐蝕等半導(dǎo)體技術(shù)，融入超精密機械加工，并結(jié)合材料、力學(xué)、化學(xué)、光學(xué)等，使一個毫米或微米級的MEMS系統(tǒng)具備精確而完整的電氣、機械、化學(xué)、光學(xué)等特性。進入21世紀(jì)后，集成電路尺寸微縮的技術(shù)路線遭遇了物理節(jié)點失效、經(jīng)濟學(xué)定律失效，以及性能、功耗指標(biāo)難以達到等各種挑戰(zhàn)，單純依靠尺寸微縮的發(fā)展道路變得越來越窄，因此制造商開始逐漸意識到實現(xiàn)三維集成產(chǎn)業(yè)化的重要性。隨著MEMS深入發(fā)展，MEMS的應(yīng)用也越來越廣泛，用戶對MEMS的技術(shù)參數(shù)要求也越來越高，隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，對利用MEMS器件進行的檢測精度等提出了更高要求。MEMS的檢測通過微機械運動來實現(xiàn)。這個運動對微機械造成的機械應(yīng)力，一直是困擾MEMS性能提升的主要因素之一，其應(yīng)力來源主要是MEMS封裝后相互接觸的不同材料，例如包裹MEMS芯片的塑封樹脂、貼蓋后的焊接回流等。目前主流發(fā)展的多芯片組裝技術(shù)可應(yīng)用于薄而小的電子產(chǎn)品中，但是這種技術(shù)對MEMS產(chǎn)品的外形體積要求越來越小。同時，把多種材料置于一起的封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力影響在溫度變化時特別明顯，這種應(yīng)力可能造成產(chǎn)品的靈敏度、零點漂移等性能惡化。后來，有研究人員試圖采用開孔的金屬帽封裝結(jié)構(gòu)，封蓋后的金屬帽，由于要確保后續(xù)電子裝配的回流高溫，必須采用上部開孔的方式，但是封蓋后的產(chǎn)品有與外界通氣的小孔，外界的灰塵、濕氣等會進入傳感器內(nèi)，對產(chǎn)品性能造成影響，最終導(dǎo)致長期使用的MEMS傳感器信號逐漸惡化。因此，又出現(xiàn)通過邊沿側(cè)開孔的工藝，采用覆膜樹脂抽真空的方式，較好地解決了小孔封閉，內(nèi)腔由于真空存在，避免了高溫回流的小孔漲開的問題。真空覆膜技術(shù)雖然很成熟，但是在該類產(chǎn)品中存在如下缺陷：因為覆膜樹脂具有一定的厚度，通常厚度有0.2mm，這就使得產(chǎn)品厚度增加了0.2mm；而且覆膜樹脂價格昂貴，一張進口90*90mm的樹脂價格超過100元，使得產(chǎn)品單顆成本上升近0.1元；另外，覆膜工藝也需要增加昂貴的覆膜設(shè)備，其單機達到30萬美元。覆膜技術(shù)造成產(chǎn)品厚度的增加，使得客戶端要求的產(chǎn)品超薄應(yīng)用受到限制，影響市場推廣；產(chǎn)品成本的上升，又使產(chǎn)品的競爭力受到影響。

本文旨在介紹一種高度集成的MEMS傳感器封裝結(jié)構(gòu)及其封裝方法，該封裝結(jié)構(gòu)包括由若干個基板圍成的空腔，空腔內(nèi)設(shè)若干芯片和電子元器件，空腔上開設(shè)氣孔，空腔內(nèi)外氣壓相同。本技術(shù)采用三層基板壓合工藝得到封裝結(jié)構(gòu)且其內(nèi)進行FCCSP芯片的倒裝貼裝，實現(xiàn)了MEMS傳感器芯片的功能，同時FCCSP芯片也可作為控制芯片使用。這種封裝技術(shù)可以有效縮小封裝結(jié)構(gòu)的面積，降低成本；封裝結(jié)構(gòu)上的氣孔既可以滿足MEMS傳感器如聲學(xué)、氣壓等功能需求，同時也可在回流焊中減少對FCCSP芯片的碰撞，還可使封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)外氣壓平衡，滿足可靠性和高散熱需求；本結(jié)構(gòu)高度集成化、體積小型化，為MEMS傳感器的發(fā)展提供了新思路。

1 文獻綜述

陳德勇、曹明威等提出了一種基于絕緣體上硅-玻璃陽極鍵合工藝的諧振式微電子機械系統(tǒng)壓力傳感器的制作及真空封裝方法[1]。劉進長、劉振忠等概述了MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[2]。田斌、胡明介紹了MEMS封裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在的問題，重點介紹了倒裝芯片技術(shù)、上下球柵陣列封裝技術(shù)和多芯片模塊封裝技術(shù)三種封裝技術(shù)的特點及其在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用實例，并且對MEMS封裝的發(fā)展趨勢進行了分析[3]。韓雷、張麗娜等陳述了一套吹氣裝置設(shè)計，并分別采用相位相關(guān)法和二元二次曲面擬合亞像素法計算未啟用吹氣裝置和啟用吹氣裝置后圖像間的平移，采用梯度函數(shù)對圖像清晰度進行評價[4]。李浩、王從香等基于多層共燒陶瓷基板開展預(yù)埋芯片混合集成基板技術(shù)的研究，通過對混合集成基板的內(nèi)應(yīng)力進行仿真分析，得到了預(yù)埋芯片基板工藝中芯片和腔體結(jié)構(gòu)的最佳匹配關(guān)系[5]。李瑜、劉志遠(yuǎn)等通過對比實驗，驗證納米銀玻璃漿用于芯片Cr/Pt/Au多層金屬電極與高溫管座可伐（4J29）轉(zhuǎn)接端子之間導(dǎo)電燒結(jié)的可行性，經(jīng)過仿真計算及實驗驗證，用納米銀玻璃漿燒結(jié)的感壓元件可以耐受5個循環(huán)-55℃～350℃的溫沖考核，并且用其制作出高頻響且在高溫、常溫、低溫下輸出性能穩(wěn)定的MEMS壓力傳感器，滿足航天、工業(yè)、民用等各領(lǐng)域的應(yīng)用需求[6]。張迪雅、梁庭等介紹了倒裝焊接技術(shù)在MEMS壓阻式壓力傳感器封裝領(lǐng)域的優(yōu)勢和目前研制的壓力敏感芯片的倒裝焊的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計和基板材料的不同，論述了國內(nèi)外MEMS壓阻式壓力傳感器倒裝焊技術(shù)的研究成果，最后總結(jié)了MEMS壓力傳感器倒裝焊技術(shù)的發(fā)展前景和所面臨的挑戰(zhàn)[7]。馬婷婷、馬書鯼結(jié)合了器件的工作環(huán)境，分別從高溫、高濕、溫度沖擊、過電壓、壓力過載、溫濕循環(huán)等環(huán)境負(fù)載方面探討硅壓阻式MEMS壓力傳感器的工藝可靠性問題，參照工廠制定的工藝標(biāo)準(zhǔn)，通過封裝級器件測試數(shù)據(jù)，有效監(jiān)控產(chǎn)品的工藝質(zhì)量[8]。周偉、秦明對芯片倒裝技術(shù)尤其是凸點加工工藝在MEMS設(shè)計中的作用進行實例分析，指出倒裝芯片不僅是一種高性能的封裝模式，還能為MEMS器件提供立體通道或是熱力載體，并形成許多特殊的結(jié)構(gòu)[9]。

由此可見，MEMS傳感器的高度集成封裝對于理論研究和實踐應(yīng)用都有相當(dāng)重要的意義。相對于目前MEMS器件或系統(tǒng)的設(shè)計與制作技術(shù)，落后的封裝技術(shù)已成為制約MEMS產(chǎn)品進入市場的瓶頸。本文介紹了MEMS封裝技術(shù)的特點和功能，分析了封裝成本的影響因素，并給出了一種新型MEMS封裝的工藝流程和主要封裝技術(shù)，并對MEMS封裝的發(fā)展趨勢做了一定分析。

2 技術(shù)方案及討論

2.1 技術(shù)背景

隨著MEMS的快速發(fā)展，科研機構(gòu)和企業(yè)研發(fā)出大量MEMS芯片，但大部分設(shè)計難以投入實際生產(chǎn)，其中主要的原因之一就是受限于相對落后的MEMS封裝技術(shù)。長期以來，“封裝無技術(shù)”的思想直接導(dǎo)致落后的封裝技術(shù)成為MEMS新產(chǎn)品進入市場的瓶頸。因而能否研發(fā)先進的MEMS封裝材料和封裝方式，在相當(dāng)程度上決定了一款MEMS新產(chǎn)品是作為樣品滯留在實驗室，還是走上生產(chǎn)線為社會創(chuàng)造經(jīng)濟效益。鑒于此，加強對MEMS封裝工藝的研發(fā)，尤其是開發(fā)出性價比高的材料和封裝技術(shù)，對于MEMS產(chǎn)業(yè)具有極其重要的意義。概括地說，MEMS芯片對封裝材料的要求主要包括介電常數(shù)低、傳熱性好、密封性好，從而保證器件的高可靠性和高性能。目前用于MEMS封裝的主要材料有陶瓷、塑料和金屬。MEMS封裝是在微電子封裝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但它與集成電路（IC）封裝存在一定的差異。與傳統(tǒng)的IC封裝相比，MEMS封裝過程中需要重點考慮的問題有四個，分別是硅片厚度問題、劃片問題、熱設(shè)計問題、保護層問題。此外，封裝技術(shù)也會影響MEMS材料的固有屬性。本技術(shù)采用三層基板壓合工藝得到封裝結(jié)構(gòu)且其內(nèi)進行FCCSP芯片的倒裝貼裝，實現(xiàn)MEMS傳感器芯片的功能，同時FCCSP芯片也可作為控制芯片使用。

2.2 封裝結(jié)構(gòu)

如圖1所示，這種高度集成的MEMS傳感器封裝結(jié)構(gòu)包括由若干個基板圍成的空腔，該空腔內(nèi)集成設(shè)置有若干個芯片和電子元器件，芯片的類型可相同或不同，空腔上開設(shè)有若干個氣孔11，通過設(shè)置氣孔11，既可以實現(xiàn)聲音、氣體等進出，也可以使空腔內(nèi)外氣壓相同，還能起到散熱作用，氣孔11可根據(jù)實際需求設(shè)置于空腔上方或側(cè)壁。作為其中一個實施例，高度集成的MEMS傳感器封裝結(jié)構(gòu)包括由第一基板1、第二基板3和第三基板7圍成的空腔，該空腔內(nèi)且位于第一基板1上設(shè)置有電子元器件和若干個同類型或不同類型的芯片，優(yōu)先在第一基板1上設(shè)置電子元器件4、MEMS芯片5和ASIC芯片6，該空腔內(nèi)且位于第三基板7上設(shè)置若干個FCCSP芯片，空腔上開設(shè)有若干個氣孔，優(yōu)選在第二基板3或第三基板7上開設(shè)若干個氣孔，使得空腔內(nèi)外氣壓相同。

圖1 空腔

2.3 封裝方法

本技術(shù)選取的封裝方法不但能夠替代傳統(tǒng)的單芯片封裝結(jié)構(gòu)，而且明顯提高了MEMS器件的性能和可靠性。本文所指的高度集成的MEMS傳感器封裝方法具體包括以下步驟。

（1）準(zhǔn)備第一基板、第二基板和第三基板；

（2）在第一基板上貼裝電子元器件，并在其相對的兩端分別貼合第二基板，再將若干個同類型或不同類型的芯片貼裝在第一基板表面，第一基板上的芯片和電子元器件位于第一基板的同一面，隨后進行打線連接，使得第一基板與其上的芯片互聯(lián)導(dǎo)通；

（3）在第三基板正面進行FCCSP芯片的倒裝貼裝，將耐高溫膠膜貼在第三基板的背面；隨后，對FCCSP芯片進行點膠，增強FCCSP芯片的焊接強度；再在第三基板四周進行點膠或者錫膏，同時撕掉第三基板背面的耐高溫膠膜；

（4）將步驟（3）所得基板倒扣在步驟（2）所得基板上面，形成具有空腔的三層基板壓合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)即所需封裝結(jié)構(gòu)，其上具有若干個氣孔；

（5）進行印字、切割，形成單顆的成品結(jié)構(gòu)。

3 分析結(jié)果

3.1 本技術(shù)方案的優(yōu)點

（1）該封裝采用三層基板壓合工藝，得到具有空腔的三層基板壓合結(jié)構(gòu)，無需設(shè)置金屬罩或類似結(jié)構(gòu)，在最上面的第三基板上進行FCCSP芯片的倒裝貼裝，可以實現(xiàn)MEMS傳感器芯片的功能，同時FCCSP芯片也可以作為控制芯片使用，F(xiàn)CCSP芯片可以通過氣孔進行散熱，從而防止芯片因溫度過高導(dǎo)致內(nèi)部燒壞的缺陷。

（2）將FCCSP芯片集成在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部，有效縮小了封裝結(jié)構(gòu)的面積，減少空間占用率，在不影響正常使用的前提下顯著降低了成本。

（3）本封裝結(jié)構(gòu)上的氣孔可容許聲音、氣體等進出，既可以滿足MEMS傳感器如聲學(xué)、氣壓等功能需求，同時也可以在回流焊中減少對FCCSP芯片的碰撞，避免出現(xiàn)破裂或裂紋等，且氣孔的存在使得封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)外氣壓平衡，無壓差，滿足可靠性需求，氣孔位置可根據(jù)實際需求選擇。本方案將氣孔設(shè)置于第二基板上，即封裝結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上，氣孔數(shù)量至少有兩個，其他兩塊基板也可以作為后端上PCB模組時的焊接面，便于終端客戶靈活選擇，氣孔數(shù)量的增多有助于加快封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)外氣體流動，同時也可以降低在回流焊中基板爆開的風(fēng)險。

3.2 本技術(shù)方案進一步優(yōu)化的可能性

傳統(tǒng)的開孔加工作業(yè)容易出現(xiàn)空穴、孔壁有毛刺等問題，尤其是在多組件封裝使用的開孔技術(shù)中，這是一個令人頭疼的問題。除了良率更低以外，因為趨膚效應(yīng)的存在，填充不夠好的通孔在傳輸高頻高速信號時會嚴(yán)重?fù)p耗，使得芯片達不到預(yù)期的性能。此外，如何減少黏合工藝過程中可能存在的沾污也是一個技術(shù)難點。

4 結(jié)論

本文介紹了高度集成的MEMS傳感器封裝結(jié)構(gòu)及其封裝方法，通過采用三層基板壓合工藝，在最上面的第三基板上進行FCCSP芯片的倒裝貼裝，可以實現(xiàn)MEMS傳感器芯片的功能，同時FCCSP芯片也可作為控制芯片使用，為MEMS傳感器的發(fā)展提供了新思路。