《电子封装、微机电与微系统》课件第9章

第九章MEMS封装9.1MEMS封装的基本类型9.2MEMS封装的特点9.3MEMS封装的功能9.4MEMS封装的形式9.5MEMS封装的方法9.6MEMS封装的工艺9.7MEMS封装的层次9.8MEMS封装的气密性和真空度9.9MEMS封装的阻尼特性9.10MEMS封装面临的挑战

9.1MEMS封装的基本类型

MEMS封装的分类方式有两种：一种是按封装材料分类，可分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装三类；另一种是按密封特性分类，可分为气密封装和非气密封装。

9.2MEMS封装的特点

1. MEMS封装区别于微电子封装的不同点

1)封装层次

微电子封装通常分四个层次，即芯片级封装、单芯片封装和多芯片组件的封装、单层或多层PCB基板封装、多层母板封装。MEMS封装则通常分为裸片级封装(DieLevel)、器件级封装(DeviceLevel)、硅圆片级封装(WaferLeverPackaging)、单芯片封装(SingleChipPackaging)和系统级封装(SystemonPackaging)。

2)封装类型

微电子封装一直追随IC芯片的发展而发展，从而形成了与各个不同时期相互对应的有代表性的标准封装类型。MEMS因为应用领域十分宽广，涉及多学科技术领域，往往是根据所需功能，制作出各种MEMS后再考虑封装问题的，故MEMS封装难以形成规范、标准的封装类型。因此，从某种意义上说，MEMS封装在很多情况下是专用封装。

3)封装环境

MEMS封装除具有微电子封装的一些共同模式外，本身还具有独特性。MEMS器件对封装的环境更为敏感，有的要求长期保持气密性，有的要求光的输入均匀，有的要求封装基板平整度很高，有的要求封装本征频率越高越好，有的要求流体进出连续等，一旦这些关键指标达不到，MEMS器件就会失效。

4)封装体积

MEMS封装对体积的减小比微电子封装的要求更迫切，对3D封装的要求更强烈。因为MEMS的各种元器件及部件，特别是执行部件等，为了提高组装密度，不可能只在平面内展开，而必然向3D方向延伸。

5)封装气密性

高可靠性的MEMS产品要求采用气密封装，而某些可动部件、机械元件又要求真空封装，使本来经微型化后只有微米级的部件，经各种封装后可能达到毫米量级，甚至厘米量级。从另一方面来说，很多光开关等MEMS器件由于功能需要，必须是三维结构的，所以MEMS封装也必然是三维封装的。

6)封装成本

鉴于MEMS封装自身的特殊性和复杂性，其封装成本占MEMS总成本的80%，而微电子封装中的封装成本比重相对要低一些。

2. MEMS封装和IC封装的区别

表9-1所示为MEMS和IC封装的区别。

3. MEMS封装的特性

由于MEMS技术是一门多学科交叉渗透、综合性强的技术，因此MEMS封装具有如下自身特性。

1)专用性

MEMS中通常都有一些可动部分或悬空结构，如硅等空腔、梁、沟、槽、膜片等，甚至是流体部件。封装架构取决于MEMS器件及功能，对各种不同结构及功能的MEMS器件，其封装设计要因地制宜，与制造技术同步协调，具有很强的专用性。

2)复杂性

根据应用的不同，多数MEMS封装外壳上需要留有同外界直接相连的非电信号通路，例如，传递光、磁、热、力、化学等一种或多种信息的输入、输出。输入、输出信号界面复杂，对芯片钝化、封装保护提出了特殊要求。某些MEMS的封装及其技术比MEMS还新颖，不仅技术难度大，而且对封装环境的洁净度要求更高。

3)空间性

为给MEMS可活动部分提供足够的可动空间，需要在外壳上刻蚀，或留有一定的槽形及其它形状的空间，经过灌封好MEMS，需要提供有效的保护空腔。

4)保护性

在晶片上制成的MEMS，在完成封装之前，始终对环境的影响极其敏感。MEMS封装的各操作工序(如划片、烧结、互连、密封等)，需要采用特殊的处理方法，提供相应的保护措施，加装网格框架，防止可动部位被机械损伤。系统的电路部分也必须与环境隔离保护，以免影响电路性能，同时要避免封装及其材料对环境造成不良影响。

5)可靠性

MEMS使用范围广泛，对其封装提出更高的可靠性要求。尤其在恶劣条件下工作的MEMS器件，利用封装技术，避免受到有害环境侵蚀。在满足气密封装功能的前提下，散发多余热量，从而保证可靠性。

6)经济性

MEMS封装主要采用定制式研发，现处于初期发展阶段，离系列化、标准化要求尚远。降低封装成本是一个必须解决的问题。

9.3MEMS封装的功能

1.机械支撑

MEMS器件是一种易损器件，因此需要机械支撑来保护器件在运输、存储和工作时，避免热和机械冲击、振动、高的加速度、灰尘和其它物理损坏。另外，对于加速度传感器等某些特殊功能的器件，需要有定位用的机械支撑点。

2.环境隔离

环境隔离有两种功能：一种是仅仅用作机械隔离，即封装外壳仅仅起到保护MEMS器件，避免机械损坏的作用；另一种是气密和非气密保护。

3.接口

由于封装外壳是MEMS器件及系统与外界的主要接口，因此外壳必须能完成电源、电信号或射频信号与外界的电连接，同时大部分的MEMS芯片还要求提供与外界媒质的接口。

4.热传输通道

对带有功率放大器、大信号电路和高集成度封装的MEMS器件，在封装设计时，热的释放是必须考虑的问题。封装外壳必须提供热量传递的通道。

5.低应力

在MEMS器件中，用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件或部件，如悬臂梁、微镜、深槽、扇片等，精度高，但十分脆弱，因此MEMS封装应保证对器件尽可能小的应力。

6.高真空度

高真空度是MEMS器件的要求，以使可动部件具有活动性，且运动自如。因为在“真空”中，可减小甚至消除摩擦，既能减小能源消耗，又能达到长期、可靠地工作的目标。

7.高气密性

一些MEMS器件，如陀螺仪等，必须在稳定的气密性条件下方能可靠、长期地工作。严格地说，任何封装都不可能实现完全气密，所以只有用高气密性的封装来解决稳定的气密性问题。某些MEMS器件封装的气密性要求达到1×10-12Pam3/s。

8.高隔离度

MEMS的目标是把集成电路、微细加工元件和MEMS器件集成在一起形成微系统，完成信息的获取、传输、处理和执行等功能。MEMS常需要有高的隔离度，对MEMS射频开关等微波元件更为重要。

9.特殊封装环境

某些MEMS器件的工作环境是液体、气体或透光的环境，MEMS封装必须构成稳定的环境，并能使液体、气体稳定流动，使光纤输入具有低损耗、高精度对位的特性等。

9.4MEMS封装的形式

1. BGA封装

BGA封装的主要优点是它采用了面阵列端子封装、使它与QFP四边扁平封装相比，在相同端子情况下，增加了端子间距，改善了组装性能。图9-1所示是MEMS压力传感器的倒装焊封装，与传统的封装技术相比，引线的长度较短，强度较大，在恶劣的环境中，有效地提高了引线互连的强度。图9-1MEMS压力传感器的BGA封装

2. FCT封装

FCT是一种芯片级互连技术。由于FCT具有高性能、高I/O数和低成本的特点，特别是其作为“裸芯片”的优势，已经开始应用于各种MEMS封装中。

3. CSP封装

CSP的封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸稍大于裸芯片，一般定义为封装的尺寸小于芯片尺寸1.2倍的封装形式。CSP与BGA结构基本一样，仅仅是焊球直径和球中心距变得更小、更薄，这样在相同封装尺寸下，有更多的I/O数、更低的寄生电容(在高频中非常重要)，使得组装密度进一步提高，可以说，CSP是缩小了的BGA。

4. HDI和MCM封装

在MCM封装中，最常用的两种方法是高密度互连(HighDensityInterconnect，HDI)和微芯片模块D型(MicroChipModuleD，MCM-D)封装技术。

9.5MEMS封装的方法

由于MEMS的应用领域不同，其对封装要求的侧重点也有所不同，所以采用的封装方法也有所差别，如消费类产品追求低成本价格，医用类产品追求微型化，通信类产品追求小体积和低成本价格，而军用的高档产品则主要考虑高性能、高可靠。

9.6MEMS封装的工艺

1.清洗

尽管MEMS芯片互连有多种工艺形式，但目前引线键合工艺仍然是MEMS芯片互连的主要技术。如何提高引线键合强度，仍是需要进行研究的问题。清洗工艺对提高引线键合强度至关重要。

2.贴片

1)常用的贴片工艺的方法

在MEMS封装工艺中，常用的贴片工艺有以下几种

方法。

(1)导电胶粘接。

(2) Au-Si合金共熔法。

(3) Pb-Sn合金贴片。

2.常用的贴片工艺的工程选择

胶粘贴片的工艺过程分为施胶、贴片和固化三个步骤。贴片过程中为了保证合适的粘接强度，对点胶压力和胶点形状、直径、厚度等都有严格的要求。胶通常采用热固化，图9-2、9-3所示为胶固化前和固化后的器件结构示意图。图9-2固化前图9-3固化后在封装工艺散热中，除了热沉和散热器外，贴片质量的好坏也影响MEMS器件的散热性能。在焊料贴片工艺中，常出现的问题是焊接层易出现孔洞。孔洞的存在对热的传导性能影响极大。焊接孔洞的形式有多种多样，大小不一，分布位置也不相同，如图9-4所示。图9-4贴片孔洞

3.键合

MEMS键合工艺分为引线键合、载带自动键合和倒装芯片键合。

1)引线键合

引线键合(WireBonding，WB)技术是用金属丝将集成电路芯片上的电极引线与集成电路底座外引线连接在一起的过程。通常，引线键合采用热压、热超声和超声方法进行。

2)载带自动键合

针对超窄引线间距、多引脚和薄外形封装要求，载带自动键合(TAB)技术应用得到发展。虽然TAB价格较贵，但引线间距最小可达到150μm，而且TAB技术比较成熟，自动化程度相对较高，是一种高生产效率的内引线键合技术。

3)倒装芯片键合

倒装芯片键合技术是将MEMS芯片的有源区面对基板键合。在芯片和基板上，分别制备焊盘，然后面对面键合，键合材料可以是金属引线、焊球或载带，也可以是合金焊料或有机导电聚合物制作的焊凸点。图9-5流片检查图9-6淀积金属

图9-7腐蚀金属层

图9-8淀积凸点图9-9焊球形成图9-10电气连接

4.封装外壳

1)金属外壳封装

金属外壳封装是针对军用电子产品要求的高可靠性而专门设计制作的，一般具有如下特点：

●良好的散热性、电性能和机械性能。

●使用温度范围广，可达-65℃～125℃。

●优良的气密性。

●金属外壳配合陶瓷基板，壳体较大。

2)陶瓷外壳封装

陶瓷外壳封装具有优良的电、热性能，可靠性高。

3)塑料外壳封装

塑料外壳封装由于其成本低廉、工艺简单，适于大批量生产。

5.引线框架

引线框架是MEMS模塑封装的骨架，金属条带通过冲制或用化学刻蚀而成，如图9-11所示。引线框架为组装过程的支撑件，通过包封，成为封装整体的一部分。图9-11引线框架

9.7MEMS封装的层次

9.7.1裸片级封装

裸片级封装(DieLevel)通常是指钝化、隔离、键合和划片等工艺，为裸片的后续加工和使用提供保护。从硅圆片上分离裸片的常用方法是采用高速旋转的金刚石刀片进行切割，在切割的同时，必须用高净化水对硅圆片表面进行冲洗。9.7.2圆片级封装

在应用MEMS技术制造传感器过程中，人们一直努力想通过器件设计和制造工艺本身，减小MEMS封装所面临的挑战。一个MEMS器件，如惯性传感器，不仅在其制造过程中，而且在其使用过程中，都必须进行保护，避免环境对其造成损坏。9.7.3真空键合封装

许多惯性传感器(如加速度传感器和陀螺)需要有参考真空腔，传感器在真空条件下工作。随着圆片级封装的发展，真空腔可以在圆片级尺度上完成。分片时，传感器敏感元件被保护起来。图9-12圆片键合

1.玻璃键合

在玻璃键合中，硼酸铅或者“焊料”玻璃以粉末形式提供，再混合成为可进行丝网印刷的膏状体。键合前，通过热处理方法进行除气，形成真空腔，实现气密封装。例如，压力传感器封装中，通过硅芯片与硅衬底的键合形成真空腔。键合在真空环境下进行，硅与硅之间为玻璃封接材料。

2.阳极键合(硅—玻璃键合)

阳极键合(硅—玻璃键合)是MEMS硅圆片与玻璃衬底相封接的常用封接方法。由于硼硅玻璃与硅有相近的线膨胀系数，因此用硼硅玻璃作玻璃衬底。键合时，温度为300℃～450℃，电压为300～1000V，压力为0～200kPa，硅片置于阳极加热板上，玻璃与阴极连接，阳极键合所用的硼硅玻璃重掺杂钠，与集成CMOS-IC的MEMS传感器不兼容。图9-13硅—玻璃阳极键合

3.焊料键合

焊料键合技术已经被广泛应用于微电子封装领域。根据材料的不同，焊料键合可细分为共晶键合(硬焊料键合)和软焊料键合两种。

4.硅—硅键合(硅熔融键合)

硅熔融键合不需要中间层，简化了器件的制作。硅圆片直接键合用于制造SOI(硅绝缘技术)器件和压力传感器。硅—硅键合需要对抛光硅圆片进行亲水清洗，再室温或低温贴合，最后在高温下(1000℃)键合若干小时。由于硅熔融键合需要在高温下长时间处理，因而该技术不能应用于已经含有CMOS电路的硅圆片。9.7.4有机粘接

有机粘接的优点如下：

●工艺温度相对较低；

●不需要加电场；

●与CMOS工艺兼容；

●可对各种材料圆片进行粘接；

●无需对圆片表面进行特殊处理；

●容忍表面存在结构或颗粒，并允许有突出结构或颗粒存在。

9.8MEMS封装的气密性和真空度

为保护芯片和封装的金属镀层免受环境腐蚀和处理过程中的机械损伤，密封腔气密性的真空度要求在MEMS封装中就显得越来越重要。目前在高可靠性MEMS应用中，几乎都采用气密性封装。图9-14水在不同材料中的渗透能力

9.9MEMS封装的阻尼特性

在硅微机械振动式微惯性器件中，系统阻力系数和阻尼比是影响惯性器件动态响应和性能的重要参数。在MEMS运动结构的设计、控制中，微结构的灵敏度、分辨率和器件噪声特性均与阻尼有关。器件的工作方式不同，对阻尼的要求也不同。阻尼越大，机械噪声就会越大，而品质因素就会越小。

1.滑膜阻尼

滑膜阻尼模型如图9-15所示。由于气体具有黏性，运动极板将带动板间气体流动，同时运动极板受到空气阻尼的作用，此时的空气阻尼称为滑膜阻尼。根据动板的运动频率高低，滑膜阻尼分为Couette流和Stokes流。

● Couette流的平板振动频率低，间距d小。

Couette流的阻尼系数为

(9-1)图9-15滑膜阻尼模型

Stokes流的阻尼系数为

(9-2)

(9-3)

2.压膜阻尼

两平行极板相对运动，挤压气体薄膜引起压膜阻尼。上极板由于受力或被传递了速度，向下运动，导致极板边缘的气体被挤出；当极板向上运动时，板间气体压强减小，外部气体被吸入间隙中，流动的气体产生的黏滞拉力作为耗散力施加在极板上，阻碍极板运动。

压膜阻尼模型如图9-16所示。图9-16压膜阻尼模型

1)长条矩形板

对于如图9-17所示的长度L远大于宽度B的长条矩形板，阻尼系数为

(9-4)图9-17长条矩形板

2)普通矩形板

对于普通矩形板，结构气膜阻尼系数为

(9-5)图9-18长宽压膜因子示意图

3)圆形平板

如图9-19所示的半径为R的圆形平行板之间的气膜阻尼系数为

(9-6)图9-19圆形平板

9.10MEMS封装面临的挑战

1.复杂环境

与微电子产品相比，MEMS的主要差别在于品种繁多、结构复杂、与应用环境的接口类型很多，在尺寸、加工夹具和设备上的限制也很大。

2.标准化接口