MEMS封裝技術(shù)

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(mén)大學(xué)機電工程系福建廈門(mén)361005 )摘要:介紹了微機電( MEMS )封裝技術(shù)包括晶片級封裝、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(wèn)題最后對MEMS封裝的發(fā)展趨勢作了分析。關(guān)鍵詞:微機電封裝;單芯片;多芯片;模塊;晶片級;倒裝焊中圖分類(lèi)號: TN305. 94 ;TP212文獻標識碼: A文章編號: 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引言密性要達到1 x10-1Pa. m'/s ;微機電系統是指包括微傳感器、微致動(dòng)器(亦稱(chēng)微執(4)高隔離度:MEMS常需要高的隔離度對MEMS射行器)微能源等微機械基本部分以及高性能的電子集成頻開(kāi)關(guān)就更為重要。為了保證其他干擾信號盡可能小就線(xiàn)路組成的微機電器件或裝置?？梢哉f(shuō)微機電系統是-種要求對傳感器的某些部位進(jìn)行封裝隔離。否則,干擾信號獲取、處理信息和執行機械操作的集成器件。它是微機械疊加在所采樣的有用信號上將使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(guò)十幾年的發(fā)展,MEMS芯片已經(jīng)相當成熟,但是,環(huán)境是氣體、液體或透光的環(huán)境,MEMS封裝就必須構成穩很多芯片沒(méi)有得到實(shí)際應用其主要原因就是沒(méi)有解決封定的環(huán)境并能使氣體、液體穩定流動(dòng)使光纖輸入低損耗,裝問(wèn)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(jiǎn)單地將微電子封裝技術(shù)直接用于MEMS器高精度對位的特性等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、復雜性和MEMS應用的廣泛性對封裝的成為MEMS發(fā)展的瓶頸。目前國內MEMS封裝技術(shù)比較要求是非?？量痰姆庋b的功能還應增加如下幾點(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封裝應產(chǎn)生對器件最MEMS封裝通常分為芯片級封裝、器件級封裝和系統小的應力;級中國煤化工(2 )高真空河動(dòng)部件在真空"中就可以減小摩擦,1."YH.CNMHG達到長(cháng)期可靠工作的目標;計鄉m機械酶T 而女團1」眙片貼合制作出電極/ 緊湊(3)高氣密性:-些MEMS器件,如,微陀螺必須在穩的腔體。同時(shí)晶片鍵合還完成了一級封裝2。幾種成熟定的氣密條件下才能可靠長(cháng)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(guò)程的溫度夾層厚度 機械強度氣密封裝,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。陶瓷封裝的陽(yáng)極鍵合180 ~ 500無(wú)需5(可靠性中有幾個(gè)問(wèn)題:陶瓷會(huì )在燒結后壓縮”，這將使要求氣密性的器件失效。陶瓷和金屬材料的粘接強度比陶瓷硅-硅鍵合700~ 1000和陶瓷的要弱在高溫燒結后包裝器件的內部金屬可能散表面活化硅-硅鍵合20(室溫)開(kāi)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),--種是低溫燒結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(kāi)端層需要燒結另冷壓焊鍵合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(yáng)極鍵合技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用,可將硅與玻璃、金屬及物的介電常數是2.8~3.2。合金在靜電作用下鍵合。當在極間施加電壓( 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所合強度可達到玻璃或硅自身的強度量值甚至更高。硅~硅示。而前鑄模又分為注射鑄模和轉移鑄模。有凹槽的和真的互連也能用陽(yáng)極實(shí)現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移鑄模。前鑄模和后鑄模的區別是后鑄模有個(gè)空10A/m2溫度穩定在450 ~ 550 C即可實(shí)現良好的封接鍵腔并在鍵合后密封上一個(gè)蓋板來(lái)保護內部結構。運用塑合強度可達到硅或絕緣體自身的強度量級且氣密性能好。料封裝成本低、可靠性高。但不能用在氣密密封場(chǎng)合在高但直接鍵合的溫度處理過(guò)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(kāi)裂4。用Ar離子束對已處理過(guò)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玻璃粉置于一對被鍵合的界面而實(shí)現封接,封接后表面氣密好并有較高的機械強度。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.上制作保護層將易損壞的器件和電路屏蔽起來(lái)以避免環(huán)境對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模數和綜合電子線(xiàn)路中,因為金屬封裝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(guò)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種通常是采用標準預成型封裝。封裝過(guò)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成型封裝中用引線(xiàn)鍵合實(shí)現芯片和性因為要求高可靠性封裝必須要求氣密性達到標準的封裝引線(xiàn)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。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(lèi)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(lèi)型襯底。芯片間互連是通過(guò)各種方法來(lái)實(shí)現,如,引線(xiàn)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?jì)?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(xiàn)成為可能,從而改因素像在懸臂梁和基底之間就會(huì )出現粘合。腐蝕犧牲層善系統性能。很便利但這項技術(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(guò)程中會(huì )出現殘余應力這種應力在高膜互連結構。Morissey 等人演示了微系統多芯片封裝的另溫退火能被釋放出來(lái)。CTE 的不同和工藝過(guò)程器件的壓縮一個(gè)例子是用塑料無(wú)引線(xiàn)芯片載體( PLCC )制造的疊層實(shí)都會(huì )產(chǎn)生應力而用低楊氏模量的材料能有效降低殘余應現了微系統的三維封裝。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(xiàn)鍵合完成互連,( 3 )環(huán)境應力造成失效腔體填充環(huán)氧密封材料以保護芯片及引線(xiàn)鍵合的引線(xiàn),不MEMS中機械運動(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(guò)表面鍍銅/鎳/金然后用準分子輻射等應力作用而失效。激光器光刻出互連圖形來(lái)實(shí)現的。(4)劃片1.4 模塊式MEMSI1S6]在劃片過(guò)程中需冷卻流沿著(zhù)劃分路線(xiàn)來(lái)沖洗微小顆模塊式MEMS是德國IZM實(shí)驗室Reichl和Grosser這粒雜物以避免表面劃傷。主要參數應考慮切速、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。統具有各種不同物理參數所需要的接口。模塊式MEMS(5 )把持(MOMEMS)和傳統的微系統不同的是建立了標準的批量在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(chǎng)的時(shí)間。后放到確切的位置所以確切定位儀器的設計將會(huì )增強工MOMEMS設計依賴(lài)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要求微系統尺寸緊湊,封 裝可以向三維自由擴(6)圓片級封裝.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)現盡可能高的封裝密度?？紤]移動(dòng)和污染應在制作工藝的外部制作-個(gè)防護罩。1.5 倒裝焊技術(shù)(7-10](7 )除氣近年來(lái)出現了許多新型的封裝技術(shù)其中,比較有代樹(shù)脂封裝會(huì )產(chǎn)生濕度和有機氣體將導致器件的粘結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測試是MEMS封裝的主要問(wèn)題之一。在MEMS加工和基板上的焊區互連。它具有電性能好、芯片安裝密度高、工藝的開(kāi)始就得考慮每步工藝可能致命的失效否則成本高I/0數和低成本的特點(diǎn)而且，大大簡(jiǎn)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(jiǎn)單和具有成本效益3未來(lái)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90年代進(jìn)入商業(yè)化時(shí)代,正顯壓力傳感器,將激勵電路倒裝焊在同一塊撓性基板上。示強大生命力的發(fā)展勢頭。隨著(zhù)MEMS的“飛速發(fā)展,它的Patrick等人采用獨特的倒封裝密封了RF MEMS經(jīng)過(guò)測試應用將更加廣泛,但MEMS封裝形式取決于很多因素如,效果良好。它的類(lèi)別和用途等但總體上MEMS封裝未來(lái)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結構( 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)在許多文獻中描述.技術(shù)和經(jīng)驗開(kāi)發(fā)出合適的封裝形式這是降低成本的一個(gè)到'。因為倒裝焊是芯片朝下,很適合于光電器件的封有效的途徑;裝。在光開(kāi)關(guān)的微鏡中對直光路需要精確放置和對位而( 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準x y z三軸都規模封裝)體積小可容納的引腳多、電性能和散熱性能好、能達到+/ -1 μm的后鍵合精度。而這+/-1μm足夠用成本較低,CSP能和SMD工藝兼容使系統更小型化;來(lái)光路和波導對準。這種轉換和放置方法降低了裝配的復( 3 )MEMS封裝會(huì )向著(zhù)集成化、標準化和低成本方向發(fā)展。。 如MOMEMS的前景比較看好因為PLCC采用的工藝雜性加速了MOMEMS器件的發(fā)展周期。相對中國煤化工;Ms的發(fā)展將使封裝可批2 MEMS 封裝中存在的問(wèn)題[125]量生|YHCNMHGMEMS器件設計的初期若能考慮到封裝和測試其成(4)MEMS可能出現高靈活和高性能的不同于傳統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(lèi)型的MEMS封裝將面對的技術(shù)問(wèn)題:多樣性和復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。毛細作用、靜電吸附和直接化學(xué)鍵合都是導致粘合的(下轉第12頁(yè))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轉相鄰極小幅值點(diǎn)的間距來(lái)確定衍射圖樣暗紋間距S。如換則高頻調制改為采樣保持采樣頻率fn應滿(mǎn)足fn =nfs果直接對兩暗紋周期中的視頻信號V;( t)的脈沖個(gè)數計(fn>fs )即可達到插值細分的目的。數來(lái)測量S的周期則測量分辨力只有p利用插值細分的4實(shí)驗結果方法能夠更準確地找到相鄰極小幅值點(diǎn)之間的相對距離,用CL128型128位線(xiàn)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的將衍射光信號轉換成數字信號送入計算機分別用傳統方法(用計算機通過(guò)軟件編程測量)和插值細分方法對標稱(chēng)值n倍那么,圖像傳感器的分辨力就提高n倍,達到上,使為213 pμm的細絲進(jìn)行了測量測量結果如表1。表1中插其測量精度更為精確。實(shí)驗表明:該方法完全能應用于實(shí)值細分方法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 測試結果制。Tab 1 Test result參考文獻:測量方法次數平均值誤差值相對誤差[1] 孫定源周桂賢鄭德鋒.衍射法測量細絲直徑的研究J].遼(μm) (μm) (% )寧大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2003 30( 1 )24 -27.傳統方法1(209.653. 351.57[2]張鳳生.提高細絲衍射圖樣暗紋間距測量準確度的數據處理插值細分方法1(213.450. 45方法J]計量技術(shù)2000 (7)30 -33.如果用傳統方法直接對兩暗紋周期中的視頻信號[3] 劉義族提高非接觸式細絲直徑測量精度的技術(shù)和方法探討[ J]V°( t )的脈沖個(gè)數計數來(lái)測量s則測量分辨力只有50 μum。天津師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 200222( 2)60- 62.采用插值細分方法觀(guān)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線(xiàn)直徑測控系統中的應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,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,達到50 μm/10=5 μm[6] 王躍科葉湘濱黃芝平等現代動(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結論作者簡(jiǎn)介:在激光衍射測微一類(lèi)應用中通常是將衍射圖樣的光賀國權( 1962- )男重慶墊江人涪陵師范學(xué)院副教授主要強分布( x )轉換成視頻信號輸出,通過(guò)檢測視頻信號中從事信號檢測與處理、開(kāi)關(guān)電源的研究。(上接第9頁(yè))03 -06.4結論[6] Schuenemann M ,Jam K A Grosser V. MEMS modular packagingMEMS封裝是MEMS技術(shù)開(kāi)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)品概念的早期就應考慮MEMS封裝問(wèn)05 - 24.題大力開(kāi)展MEMS封裝技術(shù)的研究和開(kāi)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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