MOEMS器件技术与封装

第6卷.第4期电子与封装总第36期Vol,6, No, 4ELECTRONICS & PACKAGING2006年4月封)(装)(、D(组)装)与测试MOEMS器件技术与封装罗雁橫，张瑞君(中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆400060 )摘要:微光电子机械系统(MOEMS)已经在业界受到研究人员和相关人士的极大关注。文章介绍了MOEMS器件，主要就其制作工艺和封装技术做了讨论。其中，文章着重详细介绍了微光电子机械系统器件的封装工艺和相关技术。关键词: MOEMS;封装; PCB; EOCB;光互连中图分类号: TN305.94文献标识码: A文章编号: 1681-1070 ( 2006) 04-18-05MOEMS Devices Technology and PackagingLuo Yan- _heng，Zhang Rui. -jun(No.44th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Chongqing 400060, China )Abstract:Micro- optical -electro-mechanical-system ( MOEMS ) have received a great of interest andattention from research labs and from the industry. This paper proposes MOEMS devices，make process andpackaging technology. And the packaging technology is introduced completely.Key words: MOEMS; Packaging; PCB; EOCB; Optical Interconnects发展，图1示出了微电子学、微机械学、光电子学、1引言纤维光学、MEMS与MOEMS的关系。如今信息技术迅速发展、不断更新，到2010年光开关速度可达微光电子机械系统( MOEMS )是一种新兴技Tb/s。日益增长的数据率和更高性能的新一代设备需术，目前已成为全球最热]的技术之- - 。MOEMS是利求，驱动了对MOEMS和光互连的需求，使MOEMS用光子系统的微电子机械系统( MEMS),内含微机器件在光电子学领域的应用不断增长。械光调制器、微机械光学开关、IC 及其他构件,并利用了MEMS技术的小型化、多重性、微电子性，实纤维光学现了光器件与电器件的无缝集成。简单地说, MOEMS[ 光电子学就是对系统级芯片的进一一步集成。与大规模光机械器件相比，MOEMS器件更小、更轻、更快速(有更MOEMS高的谐振频率),并可采用批量制作技术。与波导方式微电子学MENS_ 微机械学相比，这种自由空间方式优点是具有较低的耦合损耗和较小的串话。中国煤化工光子学和信息技术的变革直接促进了MOEMS的MCN M H G学交会于MOEMS收稿日期: 2005-04-20- 18-第6卷第4期罗雁横，张瑞君: MOEMS器件技术与封装网络中非常重要的器件,已开发了采用各种材料系统2 MOEMS器件与技术的MOEMS F _P滤波器。由于可调膜片和有效光腔长度的机械灵活性限制，这些器件的波长可调谐范围仅MOEMS器件按其物理工作原理分为干涉、衍为70nm。日本OpNext公司开发了具有创纪录可调谐射、透射、反射型(见表1 ),大多数采用反射型器宽度的MOEMS F_P滤波器。该滤波器基于多个InP/件。MOEMS在过去几年中已获得显著发展。最近几空气隙MOEMS技术，垂直结构由6层悬浮的InP膜年，由于对高速率通信和数据传输需求的增长，大大片构成，薄膜为圆形结构，并由三个或四个悬浮架激发了对MOEMS技术及其器件的研发。已开发出所支撑，并分别与三个或四个矩形支撑台连接。其连.需的低损耗、低EMV敏感性、低串话的高数据率反续可调谐F-P滤波器阻带极宽,覆盖了第二和第三个射光型MOEMS器件。光通信窗口(1 250~ 1 800nm),其波长调谐宽度大表1 MOEMS 器件及其工作原理于112nm,致动电压低至5V。工作原理类型干涉F-P; M-Z; Michelson3 MOEMS设计与制作技术衍射光栅;衍射微透镜; Fresnel Zone透镜透射小孔; 折射微透镜;滤波器;分束器;棱镜;光闸大多数MOEMS制作技术是直接由IC工业及其制反射反射表面;单体反射镜;反射镜阵列造标准演化而来。因此，在MOEMS中采用体和表面如今，除了诸如可变光衰减器( VOA )之类的简微机械加工及高产量的微机械加工(HARM)技术。单器件之外，采用MOEMS技术也可制作可调谐垂直但有管芯尺寸、材料均匀性、三维技术、表面构形和腔面发射激光器( VCSEL).光调制器、可调波长最后加工、不平度和温度敏感性等其他挑战。选择光探测器等光有源器件和滤波器、光开关、可编一般广泛采用光刻技术制作结构图形。此外,无程波长光插/分复用器( OADM )等光无源器件及大掩膜光刻技术也可用于制作常规图形，如用于聚合物规模光交叉连接(OXC )。-类光敏材料的表面。为了获得低折射率表面，也可在信息技术中，光学运用的关键之一是商品化的制作二维图形,该表面可取代传统的多层抗反射涂层,光源，除单片光源(如热辐射源、LED、LD、并可用于MOEMS以改善其性能。所采用的材料及其VCSEL )之外,特别受到关注的是具有活动器件的淀积技术类似于标准的IC工艺，如Si热氧化、MOEMS光源。例如，在可调谐VCSEL中，通过微LPCVD、PECVD、溅射、电镀等,也可采用不同机械改变谐振器的长度即可改变其发射波长，由此实类型的湿法腐蚀和干法腐蚀技术。例如，通过湿法现了高性能WDM技术。目前，已开发了支撑悬臂各向异性腐蚀可很精确地制作SiV形槽,并广泛用于调谐方式和具有支撑臂的活动结构。光纤与光电器件的对准与封装。通过湿法反应离子刻还开发出具有可移动反射镜和反射镜阵列的蚀(DRIE )和表面微机械加工可制作微反射镜。采MOEMS光开关,用于组装0XC、并联和开1关(On/用精珩磨技术也可获得具有大纵模比的非平面结构。Off)开关阵列。图2示出了自由空间MOEMS纤维目前，采用最多的方法是带有芯片焊凸的微机械光学开关,它具有一对用于光纤横向移动的U形悬臂式硅晶片平面技术,它使标准和低成本IC组装的方法成致动器。与传统的波导开关相比，其优点是耦合损耗为可能。为保护芯片，可通过凝胶涂层封闭晶片平较低、串话较小。面，并可采用凹槽回流焊方法(IRS )作为改进晶片级封装的方法。一些新型 MOEMS产品对温度特别敏感，带引线的器件一般采用手工焊接，而表面贴输入光纤装器件则采用激光焊接。∠平台输出光纤在MOEMS中已采用模拟反馈环路(FEA)、工艺最” 中国煤化工术。除机械、热、电模FBPM )和性能鉴图2自 由空间MOEMS纤维光学开关定。此MYHC.NMHG了实现完整的光具有宽范围连续可调的光滤波器是可变DWDM器件封装和互连要求，在设计模拟中已引人了封装技- 19-第6卷第4期电子与封装术。图3示出MOEMS设计模拟和技术工艺程序。4.1 MOEMS 封装要求性能要求电子要求设备性能MOEMS封装要求是:抗机械和热冲击、抗振一热要求动和抗化学性及长寿命。包括晶片和晶片粘附厚度、晶(工艺设计4模型和模拟.光学要求 .片切割、管芯固定芯片贴装工艺、热控制、应力隔离.MOEMS技术气密封装、检验和调整。机械要求封装要求晶片和晶片粘附厚度:该晶片粘附一般相当厚封装(1mm以上),但如今标准IC的封装市场正朝多维发门展，这对封装技术提出了重大挑战，因为不能采用某<样品测量)些传统的组装设备，也没有标准化的工具。器件晶片切割:晶片切割工艺是最大的问题。采用粘图3 MOEMS 设计模拟和技术工艺程序胶载带手工操作，水流和振动可破坏微小的表面微机械结构。另外，在牺牲层腐蚀之前进行切割则增加了4 MOEMS封装技术成本。由于MOEMS第一级封装不必与周围环境接触，可解决这个问题。除了研发实用的MOEMS器件之外，目前主要挑热控制:由于热波动可引起性能不稳定,并且CTE战是在专用管壳中组装和封装可靠的器件。虽然已开不同的材料可导致光不同轴，因此要求在芯片和管壳发了许多器件，但在市场中能可靠工作的器件很少。中进行热控制。可采用热调节器- -类的散热器进行制原因之一是封装困难和难以实现可靠的低成本光链冷，以保持恒温。芯片贴装是采用焊料或具有高热导路。特别是随着MOEMS器件进人应用领域，主要率的填充环氧树脂的银材料。问题是光对准与封装。此外，MOEMS器件的实际损应力隔离: MOEMS器件中机械或热产生的应力耗也取决于封装技术。与其工作原理有关。一般认为功能问题和失配损耗产与标准封装方式不同的是MOEMS组件和封装为生的应力问题可减少可靠性和性能，常常由连接硅芯特殊应用，由于每个MOEMS器件是非标准研制,并片与管壳的粘接剂或环氧树脂的缓慢收缩引起。且不同的应用其封装要求也不同，因此MOEMS制作气密封装:常采用气密封装，以增加器件的长技术主要是封装技术，其封装成本在MOEMS中占最期可靠性。一般抽真空或充人惰性气体，以防潮气、大比例，为系统总成本的75%-95%。所以也有开发水汽和污染进入管壳内或侵蚀环境。必须采用金属、者称:封装是工艺而不是科学。陶瓷、硅或毫米厚的玻璃制作气密管壳，在电和光一般将MOEMS封装分为芯片级、器件级、系互连时要确保气密封接。统级三级。其中芯片级封装包括芯片钝化、隔离和检测、调节:由于制造工艺中有小的偏差,焊接，提供电源通路、信号转换和互连引线，并对MOEMS器件必须检测，以满足所需的技术指标。-传感元件和执行元件进行钝化保护和隔离等;器件级是采用激光微调电阻器或激光烧蚀的方法，二是采用封装包括信号测量和变换、引线键合及元件焊接;系电子补偿方法。统级封装包括封装设计、制作、组装和测试。图44.2 MOEMS封装技术示出了采用玻璃光纤和球透镜的2 x 2光开关的封装。MOEMS封装技术可分为管芯固定、外壳、布.这种高性能、低成本、可批量生产的MOEMS光开线和光互连几个主要方面。在MOEMS中，商用器.关可满足全光网络对器件的要求。件需要实用的MOEMS混合的可靠和安全屏蔽的封光纤(D=125四)微牌(D=300um)装。由于光学具有非接触、非插人性，所以MOEMS器件的封装比MEMS器件的封装要容易得多,并可利光纤二用MEMS设计，但需要极好和可靠的光对准。":损耗的系统，在中国煤化工MOE的。目前MOEMS15mmsi子座有无清MHCN M H G无源对准通常是在图42x2光开关的封装制作工艺期间- -次实现，制作误差或温度变化都可降-20-第6卷第4期罗雁横，张瑞君: MOBMS器件技术与封装低对准的精确性，这些误差可用有源对准系统进行补此外，电路、金属布线常规工艺与Si MOEMS偿。有源对准较复杂，但有源对准有助于减少系统制作中的各向异性深腐蚀工艺之间有不相容性。在制公差，并可获得光器件的实时对准。多模应用的光作微机械结构的 Si各向异性深腐蚀过程中，已制作完对准可采用无源的像Si V形槽一类的导波结构。组装成的电路和金属布线易受到腐蚀而被损坏。一般解决MOEMS模块的-个成熟的方法是采用基于Si光台阶/方法有:用Au作电路和布线的保护膜;对电极引线Si微机械技术的无源对准光子系统组装。它也可用于孔进行浓扩散后，在玻璃盖上蒸发Al作为引线焊点，单模光纤与混合集成的光元件或电元件的无源对准,再将其压合到一起。但这两种方法都增大了工艺难主要取决于V形槽的精度。这种封装技术已发展到晶度，并限制了Si MOEMS的集成化和微型化。为此片级的自对准Si基板。为防止光纤移动,采用InP波又开发了采用5iO./Cr作保护膜的方法，其工艺简导来替代光纤的手I操作。由于MOEMS技术本身的单、成本低，并实现了工艺之间的兼容性。精度不够,对大多数像0XC - -类的单模器件,还必光互连: MOEMS器件光互连的关键是减小对准须采用有源对准。损耗。在精确的V槽中用稳定性很好的粘接剂固定玻在自由空间光互连和光存储领域中，有特殊要求璃光纤，并需通过无源或有源调节来对准管芯。的集成微光子系统是模拟和标准化的。为达到对准要除了进行MOEMS器件的开发设计外，还应重视求，定位的自由度必须减至最少，已开发了具有定位MOEMS在PCB上的装配技术。在光电子学和装置的预制模块。为了可自由地组合不同的标准部件,MOEMS的光互连中，对背板和印制板(PCB)的关键是需要建立机械和光学标准。典型的自组装式关注正在增长。 但PCB在装配方面还无章可循。基MOEMS光开关已向高度集成化方向前进了一大步。本 原则是将器件、封装和装配作为一个相互影响相互外壳: MOEMS 的几何接口要求与平面集成类作用的系统。目前正在研究MOEMS对PCB装配的影似。在平面自由空间集成中，由于在衬底内以一-个响，并需要开发PCB装配工艺及标准。偏离轴心的角度进行光传播，并且所有的光功能在衬一个好的解决方法是采用聚合物波导电光电路底的表面完成。因此其接口也位于衬底的表面。所板,即将PCB载体与光结构结合在一起。对于光链以不能采用诸如传统的IC管壳进行封装。一般将芯片路，选择带有热凸台波导结构的一个附加光层。该置于密闭的外壳内，以防止敏感的光学器件受到外界附加光层包括下包层、芯层、上包层，并通过PCB光线影响，但必须留出一条光通道，需要在外壳内制作工艺的标准压层技术制作成一-个薄片，最终成为设计-个导光的盖板或窗口。如今MOEMS已有许多电光电路板 (EOCB )。图5示出该EOCB的装配，商用化的封装技术，广为采用的封装方法有陶瓷、塑它包括电/光载体、光电器件和驱动器。如VCSEL料和金属三种普通类型。由于陶瓷安全可靠、稳定、和PIN光电器件可直接与波导耦合。该光层放进平板坚周、不会弯曲变形，MOEMS大多采用陶瓷空腔外管壳的中间，以便在焊接期间保护具有高热负载的光壳。陶瓷外壳常由- - -个基座或通过粘接剂或焊料连接结构。然后通过标准压层制作EOCB。一个或多个管芯的管座构成，盖板为透明玻璃。以确保良好的密封性能。例如，采用snap技术的LCC .-致冷器snap阵列陶瓷空腔外壳比有引线的管壳小、成本低，光金属层-导线压焊和倒焊适应于电互连。多层一'布线和电互连:所有MOEMS封装必须提供光和驱动器电的互连。金属线焊接是电连接管芯和管壳的传统技VCSELPIN术。采用倒装片(FC)技术可在整个芯片区布置焊料球，可提供较高密度的I/O连接。但由于熔化焊料的加热工艺可使芯片受到损伤并产生不同轴的现象，CEOCB载体所以不能用于光机械组装。-个有效的解决方法是确中国煤化I定从MOEMS表面到管壳外表面的电接触通道( 包括CN M H器件与波导之间通过衬底的导电性),通过深RIE腐蚀技术制作这些的耦合。具连按过程也解厌J溥层内光电器件与光多通道的通孔，并涂獲隔离层和导电层。模结构的精确对准问题，并使器件与波导轴之间的轴-21-.第6卷第4期电子与封装偏移最小化。此外，由于减小了光柬变宽的效应,始在数字影院试运行。通过直接对接耦合也限制了相邻信道之间的串话。在MOEMS市场前景看好。据称在2003年进人市图6中示出了整个用于EOCB的对接耦合的光电器件场的光开关价值达4.4~10亿美元，在2003年，装置。目前，已开发了具有光发射器、驱动器和插件MOEMS的市场份额为MEMS总市场的8%。表2为的EOCB测试插件板系统。MOEMS应用市场的类型和份额。表2 MOEMS 应用市场的类型和份额载板应用类型市场份额(%)致冷器微射流技术(化学测试与处理)4(压力测量18波导惯性测量120光学8射频(RF)1其他21VCSEL阵列EOCBMOEMS作为-种新型封装器件，其组件和封装图6 EOCB 器件的几何图形和在插件板中的耦合排列为特殊应用，所以与标准的微电子方法不同。在4.3 具有发展前景的HDI MCM封装工艺MOEMS中其封装成本所占比例最大。MOEMS封装此外，适合于MEMS的HDIMCM封装工艺是一不仅要确保产品的预期性能，而且要使器件性能可个很有希望的方法。这也是将MEMS技术引进光电-靠， 并具有市场竞争力。MOEMS要在这-新兴技术多芯片组件( OE MCM )中的新应用。由于在公共领域占有一-席之地，将面临产品制造的可重复性、封衬底中HDI MCM封装工艺有支持多种类型管芯的能装和工艺流程的标准化、核心器件的可靠性和寿命等力,很适合用于MOEMS封装。HDI MCM为MOEMS- -系列课题。即不仅要开发器件技术，也要开发封的集成和封装提供了灵活性，所以无需改变MEMS或装技术。虽然MOEMS的封装难度较大，但发展速电子学制作工艺。在采用标准化HDI工艺完成封装度很快，如今已有许多商用化的封装技术。这意味MOEMS芯片所需的窗口之后,可采用大面积激光切着并不缺少解决办法，而缺少如何将它运用到开技术切开要接人MOEMS的芯片。打开可物理接入MOEMS生产中，MOEMS 及其器件技术在未来的信MEMS管芯所必须的窗口。但MCM或平板级的缺点息技术和光电子学领域的前途一片光明。之- -是在光纤中不能实现无源光结构(诸如分束器或合束器-类),只能采用拼接方式。因此，MOEMS参考文献:不能用标准的SMD工艺组装，必须采用增加成本的[ 1 ] Karl. _Heinz Brenner. Development of modules for micro其他方法。optical integration and MOEMS packaging [J]Proceedings of SPIE, 2001 ，4284:138~140[2 ] M.Kufner, S.Kufner. Handbook Micro-Optics and5发展前景Lithography [ M ] Brussels, Belgium: VUB Press,MOEMS是一种新兴技术， 它为电信和数据通信1997.应用提供了重量很轻、小型化和低成本的光器件，实[3] Aksyuk V A, et al.. Lucent Microstar micromior现了具有微光元件单片集成的可移动结构，已成为21array technology for large optical crossconnects [ J ]世纪电子领域的代表性技术之-一。Proceedings of SPIE, 2002, 4178.MOEMS正受到研究单位和工业界的极大关注。[4 ] Tai-Ran Hsu. MEMS Demand New Package Designs .美国Sandia国家实验室、科罗拉多大学及其他一些研[J] Proc. IEEE, 2001, 41 (4): 52~56究机构都相继开发出颇有价值的MOEMS器件，并在[5 ]中国煤化TisandMEMS[J].国际上掀起了开发MOEMS光开关等光电器件的热CHCNMHGnNRUMR/,199潮。目前MOEMS已开始商用化。例如商品化的6336 ( 99 ):7975MOEMS光学系统已用于最先进的数字投影仪,并开(下转第17页)-22-第6卷第4期蔡葒:无铅封装认证力的数据。而在锡铅材料中,对这些问题的分析花间化合物的生成。电镀工艺变化，金属层的误差容费了数十年才得以完成。限变差，甚至焊球直径的一个小的改变，都会很容易地带来长期可靠性方面的问题及经济上的风险。因此，在封装认证过程中，必须对相关的材料和工艺进行全面的认证。4结论在产品鉴定和研发方面，对于新的无铅材料的相.互作用的了解将起到重要的作用。在从有铅到无铅的图3在125C下经历24小时后的BGA界面转变阶段，半导体工业将持续开发新的封装设计(改如果把CSP或BGA焊球的尺寸作为变量来考虑，进老的设计),我们必须了解锡铅和无铅材料的相互那么焊球和PAD的接触面积与焊球的D2成正比，其作用，这将有利于准时交货、支持工序改善和成品体积与焊球的D'成正比(A= πD2; V=1/6 πD*)。率提高技术的完成。当正式向无铅材料转换时，还要考虑一些其它变量。如考虑到无铅材料对产品中、长期可靠性的影0.6士0.05 mm焊球响，认证时应该模拟实际的条件，如重复烘烤、老化、多次回流等，以了解这些条件对MSL变化和IMC03土0.05mn焊球生长的影响。无铅材料跟锡铅焊料-样被完全认知的时代即将金→←镍来临。到那时，拥有经验丰富的材料工程师的企业在铜→←基板竞争优势、客户满意度和经济消耗上将会有明显的优势。图4 0.3mm 和0.6mm直径焊球的视觉比较作者简介:图4解释了焊球尺寸从0.3 mm变为0.6 mm (误蔡葒，1968年出生，女，江苏差为土0.05mm )时是如何导致接触面积变化七倍、无锡人，1989年毕业于江南大学电子焊球的剪切强度变化和空洞接收条件等变化的。上述系，从事集成电路设计工作多年,参的焊球尺寸变化也导致了焊球体积和质量上18倍的变与设计的数字信号处理器(DSP )电化，以及影响IMC生成、剪切强度、空洞容许量等路多次获得省、部级科学技术奖励，的变化。仔细研究锡铜合金相图可以看到，金仅仅有现在中国电子科技集团公司第五十八4% (对于锡)的差异就会导致有害的的AuSn。金属研究所从事集成电路技术与质量管理工作。(上接第22页)Conf. HDI and Systems Packaging, 2000.[6] Wu, M.C.. Micromaching for Optical andOptoelectronic systems [J] Proc. IEEE, 1997, 85(11); 1833-1 856 .罗雁横，1945年生，男，浙江[7] Glenn TP., Webster s.. Packaging the Micro machine中国煤化工程师，1967 年毕业[ M ] HDI and Systems Packaging, 2000.0HCNM H G'长期从事技改工[8] Tilmans H, Van de Peer, et al.. Packaging for MEMSTF，口反衣多扁文章。and MST Devices: Indent Reflow Sealing Methode [M ]-17-