MEMS的封装技术

2009年9月.扬州教育学院学报Sept. 2009第27卷第3期JournalY angzhou College of EducationVol.27 ,No.3MEMS的封装技术赵翔,梁明富(扬州职业大学,江苏扬州225009)摘要: 相对于目前MEMS器件或系统的设计与制作技术,落后的封装技术已成为制约MEMS产品进入市场的瓶颈。针对IC封装技术,介绍了MEMS封装技术特点和功能，分析了封装成本的影响因素,并给出了常用MEMS封装的工艺流程和主要封装技术,最后,对MEMS封装的发展趋势做了分析。关键词: MEMS封装;|C;成本;键合;密封中圈分类号: TH-39文献标识码: A文章编号: 1008 -6536(2009)03 -0055 -05微电子机械系统( MEMS)是由感知外界信息工艺功能和信号接口等方面存在诸多差别,要想参(力热、光、磁、化等)的微传感器、控制对象的微执照IC封装技术标准来对MEMS进行标准化封装,必行器、信号处理和控制电路通讯接口和电源等部件须找出MEMS封装与微电子封装的异同点[2]。组成的一体化的微型机电系统[川。MEMS 技术的1.微电子封装通常分三个层次,即单芯片和多目标是把信息的获取、处理和执行集成在一.起,组成芯片组件的一级封装，将- - 级封装和其他元器件一具有多功能复合的微型智能系统。同组装到单层或多层PWB(印制电路板)或其他基我国从20世纪80年代末开始MEMS的研究,板上的二次封装(插板封装) ,以及将二级封装插装但同发达国家相比,仍存在较大的差距,在MEMS的到多层母板上的三级封装。产业化方面表现得尤为突出。原因在于对MEMS封而MEMS封装则通常分为芯片级封装、器件级装的认识一直落后于MEMS器件的研究,封装已成封装和系统级封装这样三个层次。需要特别指出的为妨碍MEMS商业化的主要技术瓶颈。是,这里的“芯片级"含义更加广泛,不但涵盖包括.- .MEMS封装概述控制器在内的微电子封装中的各种芯片,还包括感目前,大量的MEMS器件仍然停留在实验室阶测的各种力、光、磁、声、温度、化学、生物等传感器元段,没能形成产品在军事和民用领域中充分发挥其器件和执行运动.能量、信息等控制量的各种部件。功用,主要原因是MEMS器件的封装问题没能得到总的来说, MEMS封装是建立在微电子封装基础上很好的解决。包括组装和测试在内的封装实质上是的,并沿用了许多微电子封装的工艺技术，但通常又影响MEMS产品总生产成本的主要因素,封装成本比微电子封装更庞大、更复杂、更困难-一些。太高限制了部分产品在市场上的竞争力。因此,找2. MEMS 封装对减小体积的要求比微电子封出封装难度过大封装成本过高的原因,采用相应措装迫切,对3D封装的要求尤为强烈。因为MEMS施来推动MEMS的发展,已成为很多研发人员把封的各种元器件及部件,特别是执行部件等,为了提高装视为成功商业化的惟-最亟待解决的关键问题。组装密度,不可能只在平面内展开,而必然向3D方(一)MEMS封装的特点向延伸[3,4]。而高可靠要求的MEMS产品,既要求由于MEMS技术与IC技术相比在材料、结构、采用气密封装 而其些可动部件机械元件又要求真中国煤化工收稿日期: 2009-04-28 .YHCNMHG作者简介:赵翔(1975-),女，杨州职业大学机械工程学院讲师;梁明富(1973-)， 男，扬州职业大学招生就业处讲师。.●55●空封装,使本来经微型化后只有微米级的部件经各系统使用环境而定的封装要求使得生产厂家必须为种封装后可能大到毫米量级,甚至厘米量级。每一个新产品重新改组所有用于封装的设备。因3.鉴于MEMS封装自身的特殊性和复杂性,其此,对于每一个新的MEMS产品,巨大的资金投人和封装占MEMS的成本可从50%直到95%,而微电子新方法以及新的工装设备的研发成本常常是必须封装中的封装成本比重相对要低--些。的。(二)MEMS封装的功能3.MEMS产品中结构元件的微小尺寸给封装封装的根本目的在于以最小的尺寸和重量、最带来了很多特殊的问题。许多封装I序中的工艺工低的价格和尽可能简单的结构服务于具有特定功能程实质上是物理-化学过程,这些工艺过程常常导的一组元器件。归纳起来,封装后的MEMS器件必致不同的附加效应,比方说键合过程中和键合结束须提供以下功能:(1)具有电学、光学及机械互连结后自然会产生热应力和应变,较大的残余热应力会构;(2)具有机械支持结构;(3)能进行热处理;(4)在键合表面造成裂痕,过大的残余应变可能会因为产品具有较长的使用寿命和可靠性。膨胀系数的不同导致键合表面变形突起,这就带来上述功能即包括了微电子封装的功能部分,即很多关于可靠性测试有关的问题。另外,由于原有的电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和MEMS中在尺寸和对准方面缺乏误差容限的标准，环境保护等外,还应增加如低应力、高真空度、高气使得人工校正 成为组装时的惟一选择。 这些都会增密性高隔离度以及一些特殊的功能和要求[2]。对加MEMS产品的封装成本。于不同的器件,上述4个方面的重要程度可能各不二、封装工艺流程及主要封装技术相同。例如，MEMS器件有的带有腔体,有的带有(一)封装工艺流程微悬臂梁,这些微机械的结构很小,强度很低,因此由于MEMS产品之间差异很大,难以开发一种需要机械支撑来保护器件在运输、存储和工作时,避通用的封装方法,也不可能存在一一个适用于所有产免热和机械冲击、振动、高的加速度、灰尘和其它物品的通用的封装流程,但将封装设计标准化,开发一理损坏。另外对于像陀螺仪之类的器件需要有定位些通用的封装模块,无疑将极大的促进MEMS技术用的机械支撑点;密封微悬臂梁器件时要防止湿气的发展[5。图1给出一个相对常用的工艺流程,从可能被引进到封装腔内,防止水气含量升高而引起图中可以看出MEMS产品的封装的常用步骤。的粘结失效,就要考虑环境隔离,考虑微纳量级的悬(二)主要封装技术臂梁的强度,就必须低的应力等。1.芯片准备(三)封装成本影响因素使用一个完整的硅晶片只生产-一个芯片或者使1.有效的组装尺寸在微米量级的结构元器件,用一个晶片只制作- -个装置,在MEMS中是很少见正确的封装对于具备复杂几何形状的微电子机械系的,实际上,一个微型装置需要成百上千的微小芯统,需要特殊的工装设备,这些工装设备的设计与制片,而这个微型装置是由同一个晶片切割(工业技术作本身就属于MEMS范畴,需要用到MEMS技术。上叫划片)制作的。.对于它们的设计与制作几乎没有可供参考的知识和制作MEMS组件时,首先要在透明掩膜上生成经验,大多数情况下这些工艺是在高倍显微镜下靠组件的图案,再利用光刻技术将图案原样印制到晶人工来完成的,封装效率较低造成封装成本较高。片表面。接着采用适当的微细加工工艺在晶片的基2.MEMS产品的高度多样化使得不同产品的底之上或基底本身制作这些组件，如图2所示,不论可靠封装要求有者根本性的不同。例如,对压力传是图2(a)所示的相同组件,还是图2(b)所示的同感器封装的要求与常用于汽车安全气囊系统的惯性一块晶片的不同组件,都需要通过晶片切割过程来传感器的封装要求就有较大不同,惯性传感器的封分成独立的小块。晶片的切割是由金刚石/树脂或装涉及对防止移动质量体的系统的密封,这一器件金刚石/镍等复合材料做成的锯片实现的。晶片被要求能够在灰尘、温度剧烈变化和有腐蚀性介质的固定在黏性的带子上，沿着图2中所示的虚线进行苛刻条件下,以及在汽车行驶状态下的强力振动中切割中国煤化土飞确定。例如锯能正常工作。另外,对于一些微流体系统的封装要片的50μm,切轮的直求与其他许多MEMS产品的要求也有大的不同,在为MYHC.N M C-000 min.很多时候,常需要采用真空封装对其密封。这些因切割晶片完成后,常常通过“提升”来从晶片上释放， 56.组件[5]。(1)“组件分类(8电检澜(124医统组合(2)品片检澜世「模具或(13)密封9组件钝化数↓巴7横真注接及键合一为[4)密封测试晶片微细加工]( 10]链任材科l作性能测试(3{表面镀厦|晶片黏合3)表面键合(11电检测一产品打包16)|法验出产(4)昌片切割导线键合](5)提升一图1常用的封装 工艺流程图可回回回热量回口回口回回回C回COO畲损口回回1硅基底风有相同的组件0)具有不同的组件图4共晶键合腔示意图困2具有微系统组件的 晶片片的键合表面在键合过程中紧密接触,通过将键合2.键合技术腔加热到280C ,并保持该温度1小时，再经3小时通常,下面4种技术可用于在所需的表面上对冷却到室温来完成键合过程。其它合金的过程控制组件进行键合[6]。参数可以参考有关文献。(1)黏合剂键合法采用黏合剂将两个表面键合(3)阳极键合阳极键合也称为静电键合或电场在一起。图3所示,键合过程在键合腔体内进行,腔辅助热键合,通常在玻璃与玻璃、玻璃与硅、玻璃与体对基底进行加热,以使基片达到键合所需的温度，硅化合物、玻璃与金属、硅与硅材料中得到应用。图黏合剂由微型分配器涂布到基片的表面,然后将待5给出硅与玻璃的阳极键合示意图,重物保证晶片键合的部件放置其上，可以施加一-个机械力来保证之间具有 良好的接触压力,加载在两个电极上的电键合的质量。压产生的静电力使两块晶片紧密的结合在一起,键合过程是在电场作用下在交界面形成的一层极薄的机械压力二氧化硅来实现的。待黏合组件黏合剂洁净罩二施加电压20-100)围3黏合剂键合结 构示意困(2)共晶键合共晶键合采用共晶合金原子扩散图5硅与玻璃之间的 阳极键合到待键合材料原子结构的一个过程,从而形成这些中国煤化工nging, SFB)是- -材料的固态结合。图4所示，含80%的金和20%的锡的合金薄膜(或其它合金)被夹持在压电电阻硅MHCN M H G合两个硅晶片的基片和硅基底之间,通过重物保证合金薄膜和硅基有效而可啡的牧个。习附饭健司不同,SFB的键合过程不依赖于电场,而是主要利用界面的化学力,在●57●氧化环境下“自发"完成键合的,之后需要进行高温键技术之一,是MEMS产品从研究走向应用的关键退火。-步。相对于目前MEMS器件或系统的设计与制作3.密封技术技术,相对落后的封装技术己成为制约MEMS产品与一般的IC工艺有所不同, MEMS产品的多样进人市场的瓶颈。要想将来MEMS封装工艺实现批性使密封过程变得复杂。密封过程是决定MEMS产量生产,并降低MEMS新品的生产成本,真正实现品可靠性的关键因素之一,密封过程中造成的任何MEMS的产业化,封装技术必须跟上MEMS技术发缺陷将会导致器件失效,或运行一段时间后使器件展的步伐[7]。设计人员必须在设计的最初阶段考的性能降低。MEMS 封装中的密封技术有很多,研虑封装的设计、工艺、可靠性。因此,研究与开发低究人员正尽力发展一些新的封装工艺,许多文献介成本高性能的高密度封装关键技术已成为MEMS绍的封装技术非常复杂并且只针对特殊的材料和应领域的一项重要课题。用门。下面介绍两种较常用的技术。二氧化健膜理帽(1)微壳密封微壳用来保护微装置中的精细传感和执行元件。片石片微壳是通过表面微加工技术得到的。工艺过程建约束基座础的東基庄是在被保护的芯片上沉积一层牺牲层,如图6(a)所示。然后在牺牲层上沉积一层壳材料,随后通过一图7反应密封个腐蚀过程去除牺牲层。于是在芯片和微壳之间产生了一个间隙,图6(b)所示。间隙可以小到[参考文献]100m。捧杂硅携杂硅微亮[1] 李德胜，王东红. MEMS技术及其应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2002.芯片、[2] 况延香,马莒生.迈向新世纪的微电子封装技术[J].电子工艺技术. 2000, 21(1): 1-6.约束基座[3] BLEY P. The LIGA Process for fabrication of three -dimensional microscale structures [ J]. Interdiscipli-(x)魍牲屡0) 魎性屡被腐蚀掉nary Science Reriews, 1993, 18(3): 267 -272.图6用微壳密封[4] VARIAN K, WALTON D. 2- Bit RF MEMS phaseshifter in a thick - flm BCA ceramic package[J].(2)反应密封技术这项技术依赖于化学反应来IEEE microwave and wireless components ltters,对相配的器件进行密封。2002, 12(9): 321 -323.首先在芯片、基座之上放置-一个密封帽,二者之5] 徐泰然.微机电系统封装[M].北京:清华大学出间留有间隙,然后整体进行热氧化,硅帽底部和基座版社, 2006.之间生长的二氧化硅正好将芯片进行密封。如图7[6] 黄庆安.硅微机械加工技术[M].北京:科学出版所示。社.1996.四、结语[7]张贵钦. 微机电系统( MEMS)研究现状及展望[J].MEMS封装是MEMS技术开发和批量生产的关组合机床与自动化加工技术, 2002(7):15 -20.The Encapsulation Technology of MEMSZHAO Xiang, LIANG Ming- fu(Yangzhou Polytechnic Cllege, Yangzl中国煤化工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(责任编辑:李金宇)(上接第19页)学出版社,1983.[4] 南京大学物理系应用电子学教研室.电子电路基础[参考文献][M].北京:人民教育出版社, 1982.[4]闵乃本. 晶体生长的物理基础[ M].上海:上海科学[5] 赵声衡,赵英.晶体振荡器[M]. 北京:科学出版技术出版社, 1982.社,2008.[2] 南京大学物理系.晶体的结构与缺陷[M].南京:[6] 南京大学物理系。电路基础[M].南京:南京大学南京大学出版社,1983.出版社, 1981.[3]南京大学物理系. 晶体物理性能[ 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(责任编辑:佳明)中国煤化工MYHCNMHG.59.