MEMS的封裝技術(shù)

2009年9月.揚州教育學(xué)院學(xué)報Sept. 2009第27卷第3期JournalY angzhou College of EducationVol.27 ,No.3MEMS的封裝技術(shù)趙翔,梁明富(揚州職業(yè)大學(xué),江蘇揚州225009)摘要: 相對于目前MEMS器件或系統的設計與制作技術(shù),落后的封裝技術(shù)已成為制約MEMS產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的瓶頸。針對IC封裝技術(shù),介紹了MEMS封裝技術(shù)特點(diǎn)和功能，分析了封裝成本的影響因素,并給出了常用MEMS封裝的工藝流程和主要封裝技術(shù),最后,對MEMS封裝的發(fā)展趨勢做了分析。關(guān)鍵詞: MEMS封裝;|C;成本;鍵合;密封中圈分類(lèi)號: TH-39文獻標識碼: A文章編號: 1008 -6536(2009)03 -0055 -05微電子機械系統( MEMS)是由感知外界信息工藝功能和信號接口等方面存在諸多差別,要想參(力熱、光、磁、化等)的微傳感器、控制對象的微執照IC封裝技術(shù)標準來(lái)對MEMS進(jìn)行標準化封裝,必行器、信號處理和控制電路通訊接口和電源等部件須找出MEMS封裝與微電子封裝的異同點(diǎn)[2]。組成的一體化的微型機電系統[川。MEMS 技術(shù)的1.微電子封裝通常分三個(gè)層次,即單芯片和多目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一.起,組成芯片組件的一級封裝，將- - 級封裝和其他元器件一具有多功能復合的微型智能系統。同組裝到單層或多層PWB(印制電路板)或其他基我國從20世紀80年代末開(kāi)始MEMS的研究,板上的二次封裝(插板封裝) ,以及將二級封裝插裝但同發(fā)達國家相比,仍存在較大的差距,在MEMS的到多層母板上的三級封裝。產(chǎn)業(yè)化方面表現得尤為突出。原因在于對MEMS封而MEMS封裝則通常分為芯片級封裝、器件級裝的認識一直落后于MEMS器件的研究,封裝已成封裝和系統級封裝這樣三個(gè)層次。需要特別指出的為妨礙MEMS商業(yè)化的主要技術(shù)瓶頸。是,這里的“芯片級"含義更加廣泛,不但涵蓋包括.- .MEMS封裝概述控制器在內的微電子封裝中的各種芯片,還包括感目前,大量的MEMS器件仍然停留在實(shí)驗室階測的各種力、光、磁、聲、溫度、化學(xué)、生物等傳感器元段,沒(méi)能形成產(chǎn)品在軍事和民用領(lǐng)域中充分發(fā)揮其器件和執行運動(dòng).能量、信息等控制量的各種部件。功用,主要原因是MEMS器件的封裝問(wèn)題沒(méi)能得到總的來(lái)說(shuō), MEMS封裝是建立在微電子封裝基礎上很好的解決。包括組裝和測試在內的封裝實(shí)質(zhì)上是的,并沿用了許多微電子封裝的工藝技術(shù)，但通常又影響MEMS產(chǎn)品總生產(chǎn)成本的主要因素,封裝成本比微電子封裝更龐大、更復雜、更困難-一些。太高限制了部分產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競爭力。因此,找2. MEMS 封裝對減小體積的要求比微電子封出封裝難度過(guò)大封裝成本過(guò)高的原因,采用相應措裝迫切,對3D封裝的要求尤為強烈。因為MEMS施來(lái)推動(dòng)MEMS的發(fā)展,已成為很多研發(fā)人員把封的各種元器件及部件,特別是執行部件等,為了提高裝視為成功商業(yè)化的惟-最亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。組裝密度,不可能只在平面內展開(kāi),而必然向3D方(一)MEMS封裝的特點(diǎn)向延伸[3,4]。而高可靠要求的MEMS產(chǎn)品,既要求由于MEMS技術(shù)與IC技術(shù)相比在材料、結構、采用氣密封裝 而其些可動(dòng)部件機械元件又要求真中國煤化工收稿日期: 2009-04-28 .YHCNMHG作者簡(jiǎn)介:趙翔(1975-),女，楊州職業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院講師;梁明富(1973-)， 男，揚州職業(yè)大學(xué)招生就業(yè)處講師。.●55●空封裝,使本來(lái)經(jīng)微型化后只有微米級的部件經(jīng)各系統使用環(huán)境而定的封裝要求使得生產(chǎn)廠(chǎng)家必須為種封裝后可能大到毫米量級,甚至厘米量級。每一個(gè)新產(chǎn)品重新改組所有用于封裝的設備。因3.鑒于MEMS封裝自身的特殊性和復雜性,其此,對于每一個(gè)新的MEMS產(chǎn)品,巨大的資金投人和封裝占MEMS的成本可從50%直到95%,而微電子新方法以及新的工裝設備的研發(fā)成本常常是必須封裝中的封裝成本比重相對要低--些。的。(二)MEMS封裝的功能3.MEMS產(chǎn)品中結構元件的微小尺寸給封裝封裝的根本目的在于以最小的尺寸和重量、最帶來(lái)了很多特殊的問(wèn)題。許多封裝I序中的工藝工低的價(jià)格和盡可能簡(jiǎn)單的結構服務(wù)于具有特定功能程實(shí)質(zhì)上是物理-化學(xué)過(guò)程,這些工藝過(guò)程常常導的一組元器件。歸納起來(lái),封裝后的MEMS器件必致不同的附加效應,比方說(shuō)鍵合過(guò)程中和鍵合結束須提供以下功能:(1)具有電學(xué)、光學(xué)及機械互連結后自然會(huì )產(chǎn)生熱應力和應變,較大的殘余熱應力會(huì )構;(2)具有機械支持結構;(3)能進(jìn)行熱處理;(4)在鍵合表面造成裂痕,過(guò)大的殘余應變可能會(huì )因為產(chǎn)品具有較長(cháng)的使用壽命和可靠性。膨脹系數的不同導致鍵合表面變形突起,這就帶來(lái)上述功能即包括了微電子封裝的功能部分,即很多關(guān)于可靠性測試有關(guān)的問(wèn)題。另外,由于原有的電源分配、信號分配、散熱通道、機械支撐和MEMS中在尺寸和對準方面缺乏誤差容限的標準，環(huán)境保護等外,還應增加如低應力、高真空度、高氣使得人工校正 成為組裝時(shí)的惟一選擇。 這些都會(huì )增密性高隔離度以及一些特殊的功能和要求[2]。對加MEMS產(chǎn)品的封裝成本。于不同的器件,上述4個(gè)方面的重要程度可能各不二、封裝工藝流程及主要封裝技術(shù)相同。例如，MEMS器件有的帶有腔體,有的帶有(一)封裝工藝流程微懸臂梁,這些微機械的結構很小,強度很低,因此由于MEMS產(chǎn)品之間差異很大,難以開(kāi)發(fā)一種需要機械支撐來(lái)保護器件在運輸、存儲和工作時(shí),避通用的封裝方法,也不可能存在一一個(gè)適用于所有產(chǎn)免熱和機械沖擊、振動(dòng)、高的加速度、灰塵和其它物品的通用的封裝流程,但將封裝設計標準化,開(kāi)發(fā)一理?yè)p壞。另外對于像陀螺儀之類(lèi)的器件需要有定位些通用的封裝模塊,無(wú)疑將極大的促進(jìn)MEMS技術(shù)用的機械支撐點(diǎn);密封微懸臂梁器件時(shí)要防止濕氣的發(fā)展[5。圖1給出一個(gè)相對常用的工藝流程,從可能被引進(jìn)到封裝腔內,防止水氣含量升高而引起圖中可以看出MEMS產(chǎn)品的封裝的常用步驟。的粘結失效,就要考慮環(huán)境隔離,考慮微納量級的懸(二)主要封裝技術(shù)臂梁的強度,就必須低的應力等。1.芯片準備(三)封裝成本影響因素使用一個(gè)完整的硅晶片只生產(chǎn)-一個(gè)芯片或者使1.有效的組裝尺寸在微米量級的結構元器件,用一個(gè)晶片只制作- -個(gè)裝置,在MEMS中是很少見(jiàn)正確的封裝對于具備復雜幾何形狀的微電子機械系的,實(shí)際上,一個(gè)微型裝置需要成百上千的微小芯統,需要特殊的工裝設備,這些工裝設備的設計與制片,而這個(gè)微型裝置是由同一個(gè)晶片切割(工業(yè)技術(shù)作本身就屬于MEMS范疇,需要用到MEMS技術(shù)。上叫劃片)制作的。.對于它們的設計與制作幾乎沒(méi)有可供參考的知識和制作MEMS組件時(shí),首先要在透明掩膜上生成經(jīng)驗,大多數情況下這些工藝是在高倍顯微鏡下靠組件的圖案,再利用光刻技術(shù)將圖案原樣印制到晶人工來(lái)完成的,封裝效率較低造成封裝成本較高。片表面。接著(zhù)采用適當的微細加工工藝在晶片的基2.MEMS產(chǎn)品的高度多樣化使得不同產(chǎn)品的底之上或基底本身制作這些組件，如圖2所示,不論可靠封裝要求有者根本性的不同。例如,對壓力傳是圖2(a)所示的相同組件,還是圖2(b)所示的同感器封裝的要求與常用于汽車(chē)安全氣囊系統的慣性一塊晶片的不同組件,都需要通過(guò)晶片切割過(guò)程來(lái)傳感器的封裝要求就有較大不同,慣性傳感器的封分成獨立的小塊。晶片的切割是由金剛石/樹(shù)脂或裝涉及對防止移動(dòng)質(zhì)量體的系統的密封,這一器件金剛石/鎳等復合材料做成的鋸片實(shí)現的。晶片被要求能夠在灰塵、溫度劇烈變化和有腐蝕性介質(zhì)的固定在黏性的帶子上，沿著(zhù)圖2中所示的虛線(xiàn)進(jìn)行苛刻條件下,以及在汽車(chē)行駛狀態(tài)下的強力振動(dòng)中切割中國煤化土飛確定。例如鋸能正常工作。另外,對于一些微流體系統的封裝要片的50μm,切輪的直求與其他許多MEMS產(chǎn)品的要求也有大的不同,在為MYHC.N M C-000 min.很多時(shí)候,常需要采用真空封裝對其密封。這些因切割晶片完成后,常常通過(guò)“提升”來(lái)從晶片上釋放， 56.組件[5]。(1)“組件分類(lèi)(8電檢瀾(124醫統組合(2)品片檢瀾世「模具或(13)密封9組件鈍化數↓巴7橫真注接及鍵合一為[4)密封測試晶片微細加工]( 10]鏈任材科l作性能測試(3{表面鍍廈|晶片黏合3)表面鍵合(11電檢測一產(chǎn)品打包16)|法驗出產(chǎn)(4)昌片切割導線(xiàn)鍵合](5)提升一圖1常用的封裝 工藝流程圖可回回回熱量回口回口回回回C回COO畬損口回回1硅基底風(fēng)有相同的組件0)具有不同的組件圖4共晶鍵合腔示意圖困2具有微系統組件的 晶片片的鍵合表面在鍵合過(guò)程中緊密接觸,通過(guò)將鍵合2.鍵合技術(shù)腔加熱到280C ,并保持該溫度1小時(shí)，再經(jīng)3小時(shí)通常,下面4種技術(shù)可用于在所需的表面上對冷卻到室溫來(lái)完成鍵合過(guò)程。其它合金的過(guò)程控制組件進(jìn)行鍵合[6]。參數可以參考有關(guān)文獻。(1)黏合劑鍵合法采用黏合劑將兩個(gè)表面鍵合(3)陽(yáng)極鍵合陽(yáng)極鍵合也稱(chēng)為靜電鍵合或電場(chǎng)在一起。圖3所示,鍵合過(guò)程在鍵合腔體內進(jìn)行,腔輔助熱鍵合,通常在玻璃與玻璃、玻璃與硅、玻璃與體對基底進(jìn)行加熱,以使基片達到鍵合所需的溫度，硅化合物、玻璃與金屬、硅與硅材料中得到應用。圖黏合劑由微型分配器涂布到基片的表面,然后將待5給出硅與玻璃的陽(yáng)極鍵合示意圖,重物保證晶片鍵合的部件放置其上，可以施加一-個(gè)機械力來(lái)保證之間具有 良好的接觸壓力,加載在兩個(gè)電極上的電鍵合的質(zhì)量。壓產(chǎn)生的靜電力使兩塊晶片緊密的結合在一起,鍵合過(guò)程是在電場(chǎng)作用下在交界面形成的一層極薄的機械壓力二氧化硅來(lái)實(shí)現的。待黏合組件黏合劑潔凈罩二施加電壓20-100)圍3黏合劑鍵合結 構示意困(2)共晶鍵合共晶鍵合采用共晶合金原子擴散圖5硅與玻璃之間的 陽(yáng)極鍵合到待鍵合材料原子結構的一個(gè)過(guò)程,從而形成這些中國煤化工nging, SFB)是- -材料的固態(tài)結合。圖4所示，含80%的金和20%的錫的合金薄膜(或其它合金)被夾持在壓電電阻硅MHCN M H G合兩個(gè)硅晶片的基片和硅基底之間,通過(guò)重物保證合金薄膜和硅基有效而可啡的牧個(gè)。習附飯健司不同,SFB的鍵合過(guò)程不依賴(lài)于電場(chǎng),而是主要利用界面的化學(xué)力,在●57●氧化環(huán)境下“自發(fā)"完成鍵合的,之后需要進(jìn)行高溫鍵技術(shù)之一,是MEMS產(chǎn)品從研究走向應用的關(guān)鍵退火。-步。相對于目前MEMS器件或系統的設計與制作3.密封技術(shù)技術(shù),相對落后的封裝技術(shù)己成為制約MEMS產(chǎn)品與一般的IC工藝有所不同, MEMS產(chǎn)品的多樣進(jìn)人市場(chǎng)的瓶頸。要想將來(lái)MEMS封裝工藝實(shí)現批性使密封過(guò)程變得復雜。密封過(guò)程是決定MEMS產(chǎn)量生產(chǎn),并降低MEMS新品的生產(chǎn)成本,真正實(shí)現品可靠性的關(guān)鍵因素之一,密封過(guò)程中造成的任何MEMS的產(chǎn)業(yè)化,封裝技術(shù)必須跟上MEMS技術(shù)發(fā)缺陷將會(huì )導致器件失效,或運行一段時(shí)間后使器件展的步伐[7]。設計人員必須在設計的最初階段考的性能降低。MEMS 封裝中的密封技術(shù)有很多,研慮封裝的設計、工藝、可靠性。因此,研究與開(kāi)發(fā)低究人員正盡力發(fā)展一些新的封裝工藝,許多文獻介成本高性能的高密度封裝關(guān)鍵技術(shù)已成為MEMS紹的封裝技術(shù)非常復雜并且只針對特殊的材料和應領(lǐng)域的一項重要課題。用門(mén)。下面介紹兩種較常用的技術(shù)。二氧化健膜理帽(1)微殼密封微殼用來(lái)保護微裝置中的精細傳感和執行元件。片石片微殼是通過(guò)表面微加工技術(shù)得到的。工藝過(guò)程建約束基座礎的東基莊是在被保護的芯片上沉積一層犧牲層,如圖6(a)所示。然后在犧牲層上沉積一層殼材料,隨后通過(guò)一圖7反應密封個(gè)腐蝕過(guò)程去除犧牲層。于是在芯片和微殼之間產(chǎn)生了一個(gè)間隙,圖6(b)所示。間隙可以小到[參考文獻]100m。捧雜硅攜雜硅微亮[1] 李德勝，王東紅. MEMS技術(shù)及其應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2002.芯片、[2] 況延香,馬莒生.邁向新世紀的微電子封裝技術(shù)[J].電子工藝技術(shù). 2000, 21(1): 1-6.約束基座[3] BLEY P. The LIGA Process for fabrication of three -dimensional microscale structures [ J]. Interdiscipli-(x)魍牲屢0) 魎性屢被腐蝕掉nary Science Reriews, 1993, 18(3): 267 -272.圖6用微殼密封[4] VARIAN K, WALTON D. 2- Bit RF MEMS phaseshifter in a thick - flm BCA ceramic package[J].(2)反應密封技術(shù)這項技術(shù)依賴(lài)于化學(xué)反應來(lái)IEEE microwave and wireless components ltters,對相配的器件進(jìn)行密封。2002, 12(9): 321 -323.首先在芯片、基座之上放置-一個(gè)密封帽,二者之5] 徐泰然.微機電系統封裝[M].北京:清華大學(xué)出間留有間隙,然后整體進(jìn)行熱氧化,硅帽底部和基座版社, 2006.之間生長(cháng)的二氧化硅正好將芯片進(jìn)行密封。如圖7[6] 黃慶安.硅微機械加工技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版所示。社.1996.四、結語(yǔ)[7]張貴欽. 微機電系統( MEMS)研究現狀及展望[J].MEMS封裝是MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)和批量生產(chǎn)的關(guān)組合機床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2002(7):15 -20.The Encapsulation Technology of MEMSZHAO Xiang, LIANG Ming- fu(Yangzhou Polytechnic Cllege, Yangzl中國煤化工Abstract: Compared with the present MEMS component or the.TYTHCNMH Golov ofthe孵tem, the backward encapsulation technology has become the bottleneck to restrict MEMS products to enter the mar-●58●ket. In view of the IC encapsulation technology , this article introduces the characteristics and functions of MEMS en-capsulation technology. Then it analyzes the factors infuencing encapsulation cost, and presents the technicalprocess of commonly used MEMS encapsulation and the main encapsulation technology. In the end, it gives an.analy-sis of the developing trend of MEMS encapsulation.Key words: MEMS encasulation; IC; cost; bonding; seal(責任編輯:李金宇)(上接第19頁(yè))學(xué)出版社,1983.[4] 南京大學(xué)物理系應用電子學(xué)教研室.電子電路基礎[參考文獻][M].北京:人民教育出版社, 1982.[4]閔乃本. 晶體生長(cháng)的物理基礎[ M].上海:上?？茖W(xué)[5] 趙聲衡,趙英.晶體振蕩器[M]. 北京:科學(xué)出版技術(shù)出版社, 1982.社,2008.[2] 南京大學(xué)物理系.晶體的結構與缺陷[M].南京:[6] 南京大學(xué)物理系。電路基礎[M].南京:南京大學(xué)南京大學(xué)出版社,1983.出版社, 1981.[3]南京大學(xué)物理系. 晶體物理性能[ M].南京:南京大An Approximate Calculation on Quality Factors ofthe Quartz Crystal OscillatorTIAN Guo - rui( Yangzhou Polytechnie College, Yanghou 225009, China)Abstract: By means of approximate calculations, the expression of quality factors of the quartz crystal osilltor isobtained in this article. This mode of expression provides some reference value for the general discussion on qualityfactors.Key words: quartz crystal; osillator; quality factors(責任編輯:佳明)中國煤化工MYHCNMHG.59.