2005年第24卷第3期傳感器技術(shù)( Journal of Transducer Technology )7MEMS封裝技術(shù)陳一梅,黃元慶(廈門大學(xué)機(jī)電工程系福建廈門361005 )摘要:介紹了微機(jī)電( MEMS )封裝技術(shù)包括晶片級(jí)封裝、單芯片封裝和多芯片封裝、模塊式封裝與倒裝焊3種很有前景的封裝技術(shù)。指出了MEMS封裝的幾個(gè)可靠性問題最后對(duì)MEMS封裝的發(fā)展趨勢作了分析。關(guān)鍵詞:微機(jī)電封裝;單芯片;多芯片;模塊;晶片級(jí);倒裝焊中圖分類號(hào): TN305. 94 ;TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1000 - 9787( 2005 )03 - 0007 -03Technologies of MEMS packagingCHEN Yi-mei , HUANG Yuan-qing( Dept of Mech and Elct Engin ,Xiamen University ,Xiamen 361005 ,China )Abstract : The technologies of MEMS packaging are introduced ,including three promising technologies :waferlevel packaging single-chip packaging and multi-chip packaging modular MEMS packaging and flip-chip bondingfor MEMS packaging. Then several reliability issues in MEMS packaging are pointed out and a forecast is given forits future trends.Key words :MEMS( microeletromechanical system ) packaging ; single-chip ; multi-chip ; modular ; wafer level ;FCB( flip-chip bonding)0引言密性要達(dá)到1 x10-1Pa. m'/s ;微機(jī)電系統(tǒng)是指包括微傳感器、微致動(dòng)器(亦稱微執(zhí)(4)高隔離度:MEMS常需要高的隔離度對(duì)MEMS射行器)微能源等微機(jī)械基本部分以及高性能的電子集成頻開關(guān)就更為重要。為了保證其他干擾信號(hào)盡可能小就線路組成的微機(jī)電器件或裝置。可以說微機(jī)電系統(tǒng)是-種要求對(duì)傳感器的某些部位進(jìn)行封裝隔離。否則,干擾信號(hào)獲取、處理信息和執(zhí)行機(jī)械操作的集成器件。它是微機(jī)械疊加在所采樣的有用信號(hào)上將使MEMS的正常功能難以學(xué)、微電子學(xué)、自動(dòng)控制、物理、化學(xué)、生物以及材料等多學(xué)發(fā)揮;科、高技術(shù)的邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科1。( 5 )特殊的封裝環(huán)境和引出某些MEMS器件的工作經(jīng)過十幾年的發(fā)展,MEMS芯片已經(jīng)相當(dāng)成熟,但是,環(huán)境是氣體、液體或透光的環(huán)境,MEMS封裝就必須構(gòu)成穩(wěn)很多芯片沒有得到實(shí)際應(yīng)用其主要原因就是沒有解決封定的環(huán)境并能使氣體、液體穩(wěn)定流動(dòng)使光纖輸入低損耗,裝問題。雖然MEMS封裝采用許多與微電子封裝相似的技術(shù)但不能簡單地將微電子封裝技術(shù)直接用于MEMS器高精度對(duì)位的特性等23。件的封裝中去。MEMS封裝的功能包括了微電子封裝的功MEMS封裝的特殊性大大增加了MEMS封裝的難度和能部分即原先的電源分配、信號(hào)分配和散熱等。但由于成本,MEMS封裝成本占整個(gè)MEMS成本的50% ~90% ,MEMS的特殊性、復(fù)雜性和MEMS應(yīng)用的廣泛性對(duì)封裝的成為MEMS發(fā)展的瓶頸。目前國內(nèi)MEMS封裝技術(shù)比較要求是非?？量痰姆庋b的功能還應(yīng)增加如下幾點(diǎn):落后必須予以重視并積極發(fā)展MEMS封裝技術(shù)。(1)應(yīng)力在MEMS器件中微米或微納米尺度的零部MEMS封裝技術(shù).件其精度高但十分脆弱因此MEMS封裝應(yīng)產(chǎn)生對(duì)器件最MEMS封裝通常分為芯片級(jí)封裝、器件級(jí)封裝和系統(tǒng)小的應(yīng)力;級(jí)中國煤化工(2 )高真空河動(dòng)部件在真空"中就可以減小摩擦,1."YH.CNMHG達(dá)到長期可靠工作的目標(biāo);計(jì)鄉(xiāng)m機(jī)械酶T 而女團(tuán)1」眙片貼合制作出電極/ 緊湊(3)高氣密性:-些MEMS器件,如,微陀螺必須在穩(wěn)的腔體。同時(shí)晶片鍵合還完成了一級(jí)封裝2。幾種成熟定的氣密條件下才能可靠長期地工作,有的MEMS封裝氣.的鍵合技術(shù)比較如表1。收稿日期2004 -09 -23傳感器技術(shù)第24卷表1幾種鍵合技術(shù)的比較1.2.2陶瓷封裝Tab 1 Comparison of some bonding technologies用陶瓷封裝質(zhì)量輕,可大量生產(chǎn)和成本低,可輕易做到鍵合方法鍵合過程的溫度夾層厚度 機(jī)械強(qiáng)度氣密封裝,而且多層陶瓷封裝能使器件尺度變小成本降(C)(μm)(MPa)低同時(shí)能集成MEMS和其他元件的信號(hào)。陶瓷封裝的陽極鍵合180 ~ 500無需5(可靠性中有幾個(gè)問題:陶瓷會(huì)在燒結(jié)后壓縮”，這將使要求氣密性的器件失效。陶瓷和金屬材料的粘接強(qiáng)度比陶瓷硅-硅鍵合700~ 1000和陶瓷的要弱在高溫?zé)Y(jié)后包裝器件的內(nèi)部金屬可能散表面活化硅-硅鍵合20(室溫)開以致器件失效。金-硅共熔鍵合4002~252001.2.3 多薄膜封裝鋁-硅共熔鍵合600-般多薄膜封裝有2種技術(shù),--種是低溫?zé)Y(jié)陶瓷大玻璃封接鍵合400 ~ 650約25 μm的薄聚合物壓疊在一起只有開端層需要燒結(jié)另冷壓焊鍵合2(0.12-種用的也是聚合物用絲網(wǎng)印刷,厚度為1 ~2μm。聚合.陽極鍵合技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,可將硅與玻璃、金屬及物的介電常數(shù)是2.8~3.2。合金在靜電作用下鍵合。當(dāng)在極間施加電壓( 200~ 1000V ,1.2.4塑料封裝視玻璃厚度而定)在鍵合溫度( 180~500C )下與玻璃鍵塑料封裝一般分為前鑄模和后鑄模,如圖2、圖3所合強(qiáng)度可達(dá)到玻璃或硅自身的強(qiáng)度量值甚至更高。硅~硅示。而前鑄模又分為注射鑄模和轉(zhuǎn)移鑄模。有凹槽的和真的互連也能用陽極實(shí)現(xiàn)但需中間夾層在其中一個(gè)拋光的空氣密的MEMS封裝用的是注射鑄模，而普通的IC封裝用硅片表面上沉積2~4μm7740*玻璃膜,電流密度保持的是轉(zhuǎn)移鑄模。前鑄模和后鑄模的區(qū)別是后鑄模有個(gè)空10A/m2溫度穩(wěn)定在450 ~ 550 C即可實(shí)現(xiàn)良好的封接鍵腔并在鍵合后密封上一個(gè)蓋板來保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。運(yùn)用塑合強(qiáng)度可達(dá)到硅或絕緣體自身的強(qiáng)度量級(jí)且氣密性能好。料封裝成本低、可靠性高。但不能用在氣密密封場合在高但直接鍵合的溫度處理過程難以控制。而在真空環(huán)境下采溫和潮濕的環(huán)境下塑料封裝會(huì)分層和開裂4。用Ar離子束對(duì)已處理過的硅表面清潔,在室溫、真空條件芯片塑料封裝下便能實(shí)現(xiàn)牢固的鍵合。玻璃封接鍵合是采用絲網(wǎng)印刷、噴鍍、淀積或擠壓等技術(shù)將純度高、含鈉低的懸浮在酒精溶液中的超精細(xì)玻璃粉置于一對(duì)被鍵合的界面而實(shí)現(xiàn)封接,封接后表面氣密好并有較高的機(jī)械強(qiáng)度。圖2塑料前鑄模封裝1.2 單芯片封裝Fig 2 Former-molded plastic packages在一塊芯片.上制作保護(hù)層將易損壞的器件和電路屏蔽起來以避免環(huán)境對(duì)其造成不利的影響并制作出有源傳空氣腔帽感器/制動(dòng)器部分的通路并實(shí)現(xiàn)與外部的電接觸。1.2.1 金屬封裝.金屬封裝通常是在多層RF模數(shù)和綜合電子線路中,因?yàn)榻饘俜庋b有好的熱散性能夠屏蔽電子輻射。金屬外圖3塑料后鑄模封裝殼一般不能直接安裝各種元器件,大 多通過陶瓷基板完成Fig 3 Post-molded plastic packages元器件的安裝和互連然后將固定好元器件的基板與底座上述4種通常是采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)成型封裝。封裝過程是:粘接最后是封帽工藝。金屬外殼的封帽具有特殊的重要首先將芯片安裝在預(yù)成型封裝中用引線鍵合實(shí)現(xiàn)芯片和性因?yàn)橐蟾呖煽啃苑庋b必須要求氣密性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的封裝引線之間的電氣連接然后填充化合物材料或用特殊水氣含量。在封帽工藝中封接材料的熔點(diǎn)必須足夠低或的蓋板將封裝封好同時(shí)保留有源芯片區(qū)。利用局部加熱方法,使元器件及其焊點(diǎn)免受高溫的影響。1.3 多芯片封裝( MCM )圖1是金屬封裝的幾種類型。MCM技術(shù)提供了一種誘人的集成和封裝MEMS器件的途徑其縣有在同一襯底卜古持多種芯片的能力,而不需要H中國煤化工其性能可以做到最優(yōu)而CNMHG和芯片間互連方法的不()To形(b)平板形(c)蝶形(d)淺腔形同,MCM有多種不同的形式。常用的襯底材料包括陶瓷(a) To-8(b) platform(C) butely(d) monolithic硅和作印刷板用的層壓板。芯片可粘附在襯底表面或嵌入圖1金 屬封裝的幾種類型襯底。芯片間互連是通過各種方法來實(shí)現(xiàn),如,引線鍵合、Fig 1 Several types of metal packaging凸點(diǎn)倒扣焊或直接金屬化。MCM除明顯的尺寸和質(zhì)量優(yōu)第3期陳-梅等:MEMS封裝技術(shù)9勢外芯片之間距離的縮短使低噪聲連線成為可能,從而改因素像在懸臂梁和基底之間就會(huì)出現(xiàn)粘合。腐蝕犧牲層善系統(tǒng)性能。很便利但這項(xiàng)技術(shù)也提高粘合和破裂的幾率。Butle等人采用的高密度互連的MCM封裝技術(shù),這種(2 )應(yīng)力方法是芯片嵌入襯底上的腔體中在元件頂部制作一個(gè)薄在薄膜的工藝過程中會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)力這種應(yīng)力在高膜互連結(jié)構(gòu)。Morissey 等人演示了微系統(tǒng)多芯片封裝的另溫退火能被釋放出來。CTE 的不同和工藝過程器件的壓縮一個(gè)例子是用塑料無引線芯片載體( PLCC )制造的疊層實(shí)都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力而用低楊氏模量的材料能有效降低殘余應(yīng)現(xiàn)了微系統(tǒng)的三維封裝。PLCC是-個(gè)帶有墻的腔體的芯力的同時(shí)提高器件性能。片載體芯片置于腔體中心的葉片上引線鍵合完成互連,( 3 )環(huán)境應(yīng)力造成失效腔體填充環(huán)氧密封材料以保護(hù)芯片及引線鍵合的引線,不MEMS中機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件易因熱循環(huán)、振動(dòng)、擺動(dòng)、潮濕、同芯片之間的互連是通過表面鍍銅/鎳/金然后用準(zhǔn)分子輻射等應(yīng)力作用而失效。激光器光刻出互連圖形來實(shí)現(xiàn)的。(4)劃片1.4 模塊式MEMSI1S6]在劃片過程中需冷卻流沿著劃分路線來沖洗微小顆模塊式MEMS是德國IZM實(shí)驗(yàn)室Reichl和Grosser這粒雜物以避免表面劃傷。主要參數(shù)應(yīng)考慮切速、切深、刀頭二人提出的概念。源于CSP和立體集成最重要的是微系的尺寸、冷卻液的流速和角度方向等。統(tǒng)具有各種不同物理參數(shù)所需要的接口。模塊式MEMS(5 )把持(MOMEMS)和傳統(tǒng)的微系統(tǒng)不同的是建立了標(biāo)準(zhǔn)的批量在MEMS中移動(dòng)芯片需要用夾子夾住芯片的邊緣然生產(chǎn)、降低成本、縮短進(jìn)入市場的時(shí)間。后放到確切的位置所以確切定位儀器的設(shè)計(jì)將會(huì)增強(qiáng)工MOMEMS設(shè)計(jì)依賴各種不同的微加工和精密工程。藝能力和MEMS后封裝工藝的可靠性。MOMEMS要求微系統(tǒng)尺寸緊湊,封 裝可以向三維自由擴(kuò)(6)圓片級(jí)封裝.展。MOMEMS的外殼"的創(chuàng)新形式能完成不同功能的同用于鍵合的移動(dòng)儀器是圓片極封裝的不良因素如果時(shí)實(shí)現(xiàn)盡可能高的封裝密度?？紤]移動(dòng)和污染應(yīng)在制作工藝的外部制作-個(gè)防護(hù)罩。1.5 倒裝焊技術(shù)(7-10](7 )除氣近年來出現(xiàn)了許多新型的封裝技術(shù)其中,比較有代樹脂封裝會(huì)產(chǎn)生濕度和有機(jī)氣體將導(dǎo)致器件的粘結(jié)表性的除了上面介紹的多芯片封裝和模塊式封裝還有采和腐蝕應(yīng)去除掉。用倒裝焊( FCB )的MEMS封裝。倒芯片封裝是芯片和基板(8)測試.的直接安裝互連技術(shù)。FCB 是芯片朝下使芯片上的焊區(qū)測試是MEMS封裝的主要問題之一。在MEMS加工和基板上的焊區(qū)互連。它具有電性能好、芯片安裝密度高、工藝的開始就得考慮每步工藝可能致命的失效否則成本高I/0數(shù)和低成本的特點(diǎn)而且，大大簡化了互連工藝快將大大增加。速、省時(shí),成為了MEMS封裝中-種簡單和具有成本效益3未來發(fā)展趨勢的方法。香港科技大學(xué)已經(jīng)用倒裝芯片( F0CB )技術(shù)封裝MEMS技術(shù)于20世紀(jì)90年代進(jìn)入商業(yè)化時(shí)代,正顯壓力傳感器,將激勵(lì)電路倒裝焊在同一塊撓性基板上。示強(qiáng)大生命力的發(fā)展勢頭。隨著MEMS的“飛速發(fā)展,它的Patrick等人采用獨(dú)特的倒封裝密封了RF MEMS經(jīng)過測試應(yīng)用將更加廣泛,但MEMS封裝形式取決于很多因素如,效果良好。它的類別和用途等但總體上MEMS封裝未來發(fā)展趨勢為:倒芯片封裝有個(gè)好處是芯片本身提供了MEMS結(jié)構(gòu)( 1 )MEMS封裝會(huì)更大程度上借鑒和引用微電子封裝的封蓋大量的倒封裝接口的方法已經(jīng)在許多文獻(xiàn)中描述.技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)開發(fā)出合適的封裝形式這是降低成本的一個(gè)到'。因?yàn)榈寡b焊是芯片朝下,很適合于光電器件的封有效的途徑;裝。在光開關(guān)的微鏡中對(duì)直光路需要精確放置和對(duì)位而( 2 )微小型化是MEMS封裝發(fā)展的趨勢如,CSP( 芯片采用倒芯片封裝則能夠成功地保證光路對(duì)準(zhǔn)x y z三軸都規(guī)模封裝)體積小可容納的引腳多、電性能和散熱性能好、能達(dá)到+/ -1 μm的后鍵合精度。而這+/-1μm足夠用成本較低,CSP能和SMD工藝兼容使系統(tǒng)更小型化;來光路和波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)。這種轉(zhuǎn)換和放置方法降低了裝配的復(fù)( 3 )MEMS封裝會(huì)向著集成化、標(biāo)準(zhǔn)化和低成本方向發(fā)展。。 如MOMEMS的前景比較看好因?yàn)镻LCC采用的工藝雜性加速了MOMEMS器件的發(fā)展周期。相對(duì)中國煤化工;Ms的發(fā)展將使封裝可批2 MEMS 封裝中存在的問題[125]量生|YHCNMHGMEMS器件設(shè)計(jì)的初期若能考慮到封裝和測試其成(4)MEMS可能出現(xiàn)高靈活和高性能的不同于傳統(tǒng)IC本和時(shí)間都將大大減少同時(shí)還能提高可靠性。下面闡述封裝的全新封裝包括封裝的材料、工藝等。MEMS 類型的MEMS封裝將面對(duì)的技術(shù)問題:多樣性和復(fù)雜性加上小型化趨勢將迫使MEMS發(fā)展其特(1)粘合殊的封裝。毛細(xì)作用、靜電吸附和直接化學(xué)鍵合都是導(dǎo)致粘合的(下轉(zhuǎn)第12頁)1傳感器技術(shù)第24卷和減法放大器是為了提高插值的分辨力。若采用A/D轉(zhuǎn)相鄰極小幅值點(diǎn)的間距來確定衍射圖樣暗紋間距S。如換則高頻調(diào)制改為采樣保持采樣頻率fn應(yīng)滿足fn =nfs果直接對(duì)兩暗紋周期中的視頻信號(hào)V;( t)的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)(fn>fs )即可達(dá)到插值細(xì)分的目的。數(shù)來測量S的周期則測量分辨力只有p利用插值細(xì)分的4實(shí)驗(yàn)結(jié)果方法能夠更準(zhǔn)確地找到相鄰極小幅值點(diǎn)之間的相對(duì)距離,用CL128型128位線陣SSPA(p=50um)圖像傳感器如果取插值采樣頻率f是圖像傳感器工作頻率fs的將衍射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)分別用傳統(tǒng)方法(用計(jì)算機(jī)通過軟件編程測量)和插值細(xì)分方法對(duì)標(biāo)稱值n倍那么,圖像傳感器的分辨力就提高n倍,達(dá)到上,使為213 pμm的細(xì)絲進(jìn)行了測量測量結(jié)果如表1。表1中插其測量精度更為精確。實(shí)驗(yàn)表明:該方法完全能應(yīng)用于實(shí)值細(xì)分方法fs=32kHz f =nfs =320kHx(取n=0 )。際測量其測量精度不受圖像傳感器像元中心距大小的限表1 測試結(jié)果制。Tab 1 Test result參考文獻(xiàn):測量方法次數(shù)平均值誤差值相對(duì)誤差[1] 孫定源周桂賢鄭德鋒.衍射法測量細(xì)絲直徑的研究J].遼(μm) (μm) (% )寧大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2003 30( 1 )24 -27.傳統(tǒng)方法1(209.653. 351.57[2]張鳳生.提高細(xì)絲衍射圖樣暗紋間距測量準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)處理插值細(xì)分方法1(213.450. 45方法J]計(jì)量技術(shù)2000 (7)30 -33.如果用傳統(tǒng)方法直接對(duì)兩暗紋周期中的視頻信號(hào)[3] 劉義族提高非接觸式細(xì)絲直徑測量精度的技術(shù)和方法探討[ J]V°( t )的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)來測量s則測量分辨力只有50 μum。天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 200222( 2)60- 62.采用插值細(xì)分方法觀察V。( t)波形很平滑其相位有所延[4]張士勇.電荷耦合圖像傳感器在細(xì)線直徑測控系統(tǒng)中的應(yīng)遲但其暗紋周期不變,V.. 是經(jīng)采樣頻率為fo =nfs=用J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置2003(4)31-32.320kH(取n= 10 )的采樣保持電路處理后的輸出信號(hào),Vm[5] 范志剛.光電測試技術(shù)[ M ]. 北京:電子工業(yè)出版社,2004.波形的暗紋周期與V.(1)完全-樣用V測暗紋周期就200 - 206.使圖像傳感器的分辨力提高n倍,達(dá)到50 μm/10=5 μm[6] 王躍科葉湘濱黃芝平等現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測試技術(shù)[ M]北京:國防工業(yè)出版社2003. 12-14 ,136 - 182.(fu=320kHz)使其測量精度大幅度提高。5結(jié)論作者簡介:在激光衍射測微一類應(yīng)用中通常是將衍射圖樣的光賀國權(quán)( 1962- )男重慶墊江人涪陵師范學(xué)院副教授主要強(qiáng)分布( x )轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)輸出,通過檢測視頻信號(hào)中從事信號(hào)檢測與處理、開關(guān)電源的研究。(上接第9頁)03 -06.4結(jié)論[6] Schuenemann M ,Jam K A Grosser V. MEMS modular packagingMEMS封裝是MEMS技術(shù)開發(fā)和批量生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)and interfaces[ DB/OL ] http /ieexplore. iee. org ,2000 -之一。在MEMS產(chǎn)品概念的早期就應(yīng)考慮MEMS封裝問05 - 24.題大力開展MEMS封裝技術(shù)的研究和開發(fā)。[7] Wilkerson P , Kranz M , Przekwas A ,et al. Flip-chip hemeticpackaging of RF MEMS[ DB/OL ] http /eexplore iee. org ,[1] Reichl H ,Crosser V. Overview and development trends in the2001 -08 -26.field of MEMS packaging[ DB/OL ] http /ieexplore. ee.[ 8] Quirke C Lecarpentier G. High accuracey flip - chip assembly oforg 2001 -06 -25.MOEMS [ optical switch example ][ DB/OL ] http /ieex-[2 ] Ramesham,Ghaffarianplore. iee. org 2002 -12 -06.packaging of microelectromechanical systems ( MEMS )[ DB/OL ]9] Xiao Guo-wei ,Chan P C H ,Teng A et al. A pressure sensor u-http /ieexplore. iee. org 2000 -05 -24.sing fip-chip on low-cost flexible substrate[ B/OL ] http //iee-[3] Boustedt K ,Persson K ,Stranneby D. 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