《电子封装、微机电与微系统》课件第10章

第十章典型MEMS器件封装10.1压力传感器10.2加速度计10.3RFMEMS开关10.4风传感器

10.1压 力 传 感 器

在现代工业、科学研究及日常生活中，压力测试技术有着非常广泛的应用。凡是利用液体、气体等作为动力、传递介质、燃烧体等的仪器仪表，都需要指示压力变化。10.1.1压力传感器的工作原理

1.压阻式

1)金属应变

图10-1所示的截面面积为S，长为l的金属片，其变形前电阻为

(10-1)

当金属片受轴向拉力F作用时，其电阻变化率为

(10-2)图10-1金属片受轴向力作用变形

2)半导体应变

综合考虑半导体材料和金属应变效应，总的电阻变化率为

(10-3)实验证明，对半导体材料，1+2μ<<πE，故电阻变化率为

(10-4)

2.电容式

电容式压力传感器是利用电容原理，将被测物理量转换成电容的变化来进行测量。图10-2所示的平行板电容，若长、宽分别为l和b，相距d，则电容为

(10-5)图10-2平行板电容

3.压电式

压电式压力传感器的工作原理是压电效应。图10-3所示为压电式压力传感器的工作原理图。图中，敏感质量块与压电晶体相连，当外界输入压力时，质量块产生的惯性力作用在压电晶体上。由于压电效应，输出的电信号同外界压力成比例变化。图10-3压电式压力传感器工作原理10.1.2压力传感器的封装形式

压力传感器根据芯片结构、被测对象和应用环境的不同，采用不同的封装形式。军品、航空航天等应用领域产品，对封装的要求很高；民品等应用领域产品，对封装的要求低些。相比于加速度、谐振器和陀螺仪等器件，压力传感器的芯片必须直接暴露在被测量的环境中，从而要求封装既要保护芯片，又要传递压力。因此，压力传感器对封装要求相当高。图10-4常见压力传感器封装

1.TO封装

TO封装是一种低成本的封装形式，属非气密封装，主要用于监测非腐蚀气体、干燥气体，其应用领域包括汽车仪表、医药卫生、气体控制系统、空调、制冷设备、环境监测和仪器仪表等。TO封装属于一级封装，使用时需根据环境要求，进行二次封装，以满足性能和可靠性要求。图10-5TO封装压力传感器的结构图

2.膜片封装

不锈钢膜片封装压力传感器广泛应用于航天、航空、工业自动化控制、汽车等领域，其主要制造工艺为：硅芯片静电键合、胶接粘贴管壳、焊盘管座Au丝引线键合。图10-6所示的不锈钢膜片法工艺复杂，成本较高。图10-6金属膜片法图10-7所示为膜片封装的封装结构图。图10-8所示为膜片封装的引线框架，实现芯片与外部电路的连接。图10-7膜片封装的结构图10-8引线框架

3.塑料SOP

图10-9所示为塑料SOP封装外形。A孔是压力传感器与外界环境的传感孔，外界环境的气体压力通过A孔感应到压力芯片上。盖板下面为压力传感器芯片腔体，腔体内硅胶保护芯片表面引线，防止外界气体腐蚀。B孔为顶针孔，阻止塑封中溢料飞边，提高塑封成品率。图10-9塑料SOP图10-10所示为GE公司的智能传感器，它集成了由MEMS技术制作的压力传感器、加速度传感器和一个包含温度传感器、电池电压检测、内部时钟和模/数转换器(ADC)、取样/保持(S/H)、SPI接口、传感器数据校准、数据管理、ID码等功能的数字信号处理ASIC芯片。图10-10压力、加速度和ASIC、MCU组合封装在一起图10-11压力温度导入孔图10-12压阻式压力传感器压力传感器、加速度传感器、ASIC/MCU是三个分别独立的裸芯片，它们通过芯片的集成厂商整合封装在一个单元里。图10-13所示是美国GE公司研制的NPX2芯片，去掉封装材料后能清晰地看到三个裸芯片，三个芯片之间的联接、匹配也都做在其中了，如图10-14所示。图10-13NPX2芯片图10-14去掉封装材料后的三个裸芯片

10.2加速度计

10.2.1加速度计的工作原理

MEMS惯性加速度计机械结构可以等效为图10-15所示的二阶弹簧—阻尼—质量系统。图10-15MEMS惯性加速度计模型10.2.2单芯片封装结构

MEMS器件通常采用单芯片封装。高量程加速度传感器的单芯片封装结构如图10-16所示，芯片正面为硅盖板，背面为聚酰亚胺膜，胶水将盖板与芯片粘贴在一起。图10-16高量程加速度传感器的单芯片封装如图10-17所示，盖板下面的凸台将胶水挡在芯片中心区域之外。凸台并非完整四边形，有一边没有凸台，为引线路径留有间隙，可将信号线从芯片中心区域引到焊盘来。图10-17盖板

1.盖板制作

选择两英寸<100>硅片，厚度大约为320μm；利用光刻、漂洗、异性浅腐蚀等正面腐蚀工艺，形成盖板，如图10-17所示；利用氧化、光刻、漂洗去胶、异性深腐蚀等背面穿透腐蚀工艺，形成分片槽。

2.盖板封装

用笔蘸取少许紫外胶，涂在盖板的四周(除了焊盘一边之外)；仔细地在盖板与芯片的缝合界面进行描胶；120℃加热固化；贴片和压焊；描胶和固化焊盘一侧正对盖板与芯片的间隙。

3.背面保护

采用聚酰亚胺薄膜作为载体保护材料。聚酰亚胺胶带以聚酰亚胺薄膜为基材，采用丙烯酸聚合物为胶粘剂。

4.贴片

加速度计的封装多用管壳封装，可以用陶瓷管壳，也可以用Kovar合金管壳。如用塑料封装，则需事先将芯片的正面和背面保护起来。

5.压焊

通常使用的压焊工艺有：超声热压工艺(ThermosonicBonding)、超声压焊工艺(UltrasonicBonding)和热压工艺(ThermocompressionBonding)。由于金丝球焊工艺过程的速度远快于楔焊，符合现代半导体行业的要求，因此多采用超声热压金丝球焊(150℃～200℃)或超声室温铝线楔焊工艺。图10-18所示为经过压焊的加速度计。图10-18经过压焊的加速度计

6.灌封

常用的灌封材料有环氧树脂、硅橡胶、聚氨酯弹性体等，其中环氧树脂应用最为广泛。目前，国外半导体器件的80%～90%是环氧树脂灌封材料封装。

7.管壳盖板密封

通常可采用平行缝焊或储能焊对陶瓷或金属基管壳进行封盖。平行缝通过电流加热，局部烧熔金属，从而使盖板和管壳焊接成一体，是一种电阻焊。储能焊以电容储能方式将电能存储起来，在焊接过程中迅速释放。储能焊适用于时间短、功率大的焊接要求，既满足了大功率焊接的需要，又解决了大功率焊接对电源的影响。10.2.3圆片级封装结构

使用手工操作进行单芯片封装，效率低、可靠性不高、稳定性差；使用机械化自动化圆片级封装，有利于提高封装的可靠性和稳定性，提高工作效率，降低成本。圆片级封装是一种先进的封装技术，也是加速度计封装的发展趋势。图10-19加速度计圆片级封装图10-20所示为圆片级加速度计封装结构；图10-21所示为硅盖板。盖板中有环形凸台，将芯片的中心区域保护住。环形凸台相对于盖板的中心的高度为3μm，相对于边缘的高度为100μm。凸台可将点胶机所涂胶挡在四周，避免进入中心区域。盖板上还有穿通腐蚀槽，露出芯片的焊盘，从而可以进行信号的输入与输出。图10-20圆片级加速度计封装结构图10-21硅盖板圆片级加速度计封装工艺流程如图10-22所示，首先进行硅玻璃键合，然后再与涂了贴片胶的盖板进行粘接，固化之后形成芯片的保护性夹层结构。各阶段封装实物如图10-23～图10-27所示。图10-22圆片级加速度计的封装工艺流程图10-23涂胶

图10-24粘接

图10-25固化

图10-26划片

图10-27放大部分10.2.4BCB圆片级封装结构

图10-28所示为BCB圆片级封装结构。图10-28BCB封装盖板硅片腐蚀有通孔，BCB胶把器件硅片和硅盖板粘接起来，形成空腔，包含MEMS加速度计。硅盖板上通孔，暴露硅片上的焊盘，经压焊实现电路互连。图10-29BCB封装盖板制备工艺流程图10-30盖板

10.3RFMEMS开关

10.3.1RFMEMS开关概述

RFMEMS开关是RFMEMS中研究最广泛的部件。在无线电通信工业中，RF开关主要用于信号路径选择、阻抗匹配、天线重构和放大器增益改变。从1MHz频段到100GHz频段的各种无线电通信都需要RF开关。图10-31Rockwell金属—金属接触式开关图10-32Michigan大学RFMEMS开关图10-33MIT(麻省理工学院)林肯实验室RFMEMS开关图10-34RFMEMS开关接触通断10.3.2RFMEMS开关的封装要求

1.密封性

密封性是RFMEMS开关器件的重要指标之一。

2.高频性能

封装引起的器件高频性能的变化，主要是由于封装在高频时引入了寄生的电阻、电感、电容，使阻抗不匹配，从而使器件的性能变差。结构设计应尽量弥补封装引入的寄生效应，提高器件的高频性能。

3.热性能

由于RFMEMS都是较精细的结构，不能承受很高的温度，一般认为不能高于350℃，这就限制了很多技术的应用。另外，保证封装对RFMEMS开关自身热量散热，是封装设计必须解决的问题。

4.机械性能

RFMEMS的可靠性问题很大程度上来自封装。RFMEMS芯片对封装残余应力非常敏感。在封装过程中，热膨胀系数不匹配，会导致热应力；机械振动也会产生机械应力。各种应力使RFMEMS微结构产生变形。

5.封装环境

封装体内的压力和气体都会对RF开关器件产生很大的影响。RFMEMS开关器件需要在常压的氮气或惰性气体中进行封装。封装体内外压强的平衡，会有效地减少外界的湿气通过封装体的漏洞进入封装体内。10.3.3RFMEMS开关的封装过程

RFMEMS开关封装的主要工艺过程如图10-35所示。下面具体说明各过程。图10-35RFMEMS开关封装的主要工艺

1.设计

RFMEMS开关封装设计要遵循以下原则：

●根据RFMEMS开关性能，设计封装外壳结构形式，实现开关对封装外壳的功能要求。

●设计方案要满足工艺可行性、可靠性、工作环境等问题。

●要充分考虑有可能对封装气密性有影响的分步工艺。

●根据现有的组装方法，以最小的风险，开发完成整个封装系统。

2.贴片

贴片即将开关芯片粘贴到外壳底板上。RFMEMS开关的贴片步骤要满足以下要求：

●要求使RFMEMS开关结构与外壳基板有很好的粘接强度，以保证RFMEMS开关芯片与外壳基板不发生相对移动，以免承受热冷温度、湿气、冲击和振动。

●粘接材料必须在RFMEMS开关和外壳基板之间提供良好的热通道，使开关芯片产生的热量顺利地从芯片传到底板，保证RFMEMS开关工作所要求的温度范围。●粘接材料要求有很好的稳定性和可靠性，粘接材料的稳定性和可靠性取决于RFMEMS开关芯片和外壳基板材料的热膨胀系数，热膨胀系数不匹配将导致热应力。

● RFMEMS开关的贴片精度要求。

RFMEMS开关贴片工艺的主要过程为施胶、贴片、固化三个步骤。

2)贴片

施胶之后，用真空吸头或镊子把芯片按要求的引脚方向放上去，轻轻按一下，使芯片紧贴平坦，再放入烘箱中或用紫外光照射，使胶固化，即为贴片。贴片过程易出现以下问题：

●由于贴片胶固化不良或者未完全固化，导致芯片粘接强度不够，出现芯片脱落。

●传热通道热阻过大。

3)固化

丙烯酸树脂和环氧树脂粘接剂的固化条件不相同，同量的丙烯酸树脂胶粘剂的粘接强度低于环氧树脂胶粘剂的粘接强度。

3.引线键合

1)清洗

目前清洗主要采用分子清洗(等离子清洗)和紫外线臭氧清洗两种。

2)引线键合

引线键合工艺有焊球键合工艺和楔键合工艺两种。

4.检查

1)界面绝缘层形成

芯片键合区光刻胶或钝化膜去除不干净，形成绝缘层。管壳镀金层质量低劣，造成表面疏松、发红、鼓泡、起皮等。

2)金属化层缺陷

金属化层缺陷主要有：芯片金属化层过薄，键合时无缓冲作用；芯片金属化层出现合金点，在键合处形成残缺；芯片金属化层黏附不牢，压点掉落。

3)表面沾污

外界环境净化度不够，造成灰尘沾污；人体净化不良，造成有机物沾污等；芯片、管壳等未及时清理干净，残留镀金液，造成沾污。

4)应力不当

键合应力包括热应力、机械应力和超声波力。

键合应力过小，会造成键合不牢；键合应力过大，会影响键合点的机械性能。应力过大不仅会造成键合点根部损伤，断裂失效，而且还会损伤键合芯片，出现裂缝。

5)环境不良

超声键合时，外界振动、机件振动、管座固件松动或位于通风口，均可造成键合缺陷。

6)静电损伤

键合引线与电源金属条之间放电会引起静电损伤，从而导致失效。当键合引线与芯片水平面夹角太小时，在静电放电作用下，键合引线与环绕芯片的电源线(或地线)之间易发生电弧放电而造成失效。10.3.4RFMEMS开关的封帽

封帽的目的是为保护器件和封装的金属镀层不受环境腐蚀，避免机械损伤。潮气是器件受腐蚀的主要根源之一，电解氧化、金属迁移均和潮气的存在相关。10.3.5RFMEMS开关的电连接

电连接技术可以改善RFMEMS开关封装的高频性能、气密性和热性能。

1.埋层法

很多研究致力于设计新的电连接方式，以减少寄生效应。图10-36所示为采用埋层方法将信号线输出。图10-36信号线埋层方法

2.通孔法

图10-37所示为采用通孔技术实现高频段的信号传输。为适应高频需要，一般在较薄的圆片上加工通孔，长度较短时，可以用致密的金或铜填充，确保气密性。图10-37通孔技术封装

3.双层FGC法

图10-38所示为双层