MEMS封装技术

2005年第24卷第3期传感器技术( Journal of Transducer Technology )7MEMS封装技术陈一梅,黄元庆(厦门大学机电工程系福建厦门361005 )摘要:介绍了微机电( MEMS )封装技术包括晶片级封装、单芯片封装和多芯片封装、模块式封装与倒装焊3种很有前景的封装技术。指出了MEMS封装的几个可靠性问题最后对MEMS封装的发展趋势作了分析。关键词:微机电封装;单芯片;多芯片;模块;晶片级;倒装焊中图分类号: TN305. 94 ;TP212文献标识码: A文章编号: 1000 - 9787( 2005 )03 - 0007 -03Technologies of MEMS packagingCHEN Yi-mei , HUANG Yuan-qing( Dept of Mech and Elct Engin ,Xiamen University ,Xiamen 361005 ,China )Abstract : The technologies of MEMS packaging are introduced ,including three promising technologies :waferlevel packaging single-chip packaging and multi-chip packaging modular MEMS packaging and flip-chip bondingfor MEMS packaging. Then several reliability issues in MEMS packaging are pointed out and a forecast is given forits future trends.Key words :MEMS( microeletromechanical system ) packaging ; single-chip ; multi-chip ; modular ; wafer level ;FCB( flip-chip bonding)0引言密性要达到1 x10-1Pa. m'/s ;微机电系统是指包括微传感器、微致动器(亦称微执(4)高隔离度:MEMS常需要高的隔离度对MEMS射行器)微能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成频开关就更为重要。为了保证其他干扰信号尽可能小就线路组成的微机电器件或装置。可以说微机电系统是-种要求对传感器的某些部位进行封装隔离。否则,干扰信号获取、处理信息和执行机械操作的集成器件。它是微机械叠加在所采样的有用信号上将使MEMS的正常功能难以学、微电子学、自动控制、物理、化学、生物以及材料等多学发挥;科、高技术的边缘学科和交叉学科1。( 5 )特殊的封装环境和引出某些MEMS器件的工作经过十几年的发展,MEMS芯片已经相当成熟,但是,环境是气体、液体或透光的环境,MEMS封装就必须构成稳很多芯片没有得到实际应用其主要原因就是没有解决封定的环境并能使气体、液体稳定流动使光纤输入低损耗,装问题。虽然MEMS封装采用许多与微电子封装相似的技术但不能简单地将微电子封装技术直接用于MEMS器高精度对位的特性等23。件的封装中去。MEMS封装的功能包括了微电子封装的功MEMS封装的特殊性大大增加了MEMS封装的难度和能部分即原先的电源分配、信号分配和散热等。但由于成本,MEMS封装成本占整个MEMS成本的50% ~90% ,MEMS的特殊性、复杂性和MEMS应用的广泛性对封装的成为MEMS发展的瓶颈。目前国内MEMS封装技术比较要求是非常苛刻的封装的功能还应增加如下几点:落后必须予以重视并积极发展MEMS封装技术。(1)应力在MEMS器件中微米或微纳米尺度的零部MEMS封装技术.件其精度高但十分脆弱因此MEMS封装应产生对器件最MEMS封装通常分为芯片级封装、器件级封装和系统小的应力;级中国煤化工(2 )高真空河动部件在真空"中就可以减小摩擦,1."YH.CNMHG达到长期可靠工作的目标;计乡m机械酶T 而女团1」眙片贴合制作出电极/ 紧凑(3)高气密性:-些MEMS器件,如,微陀螺必须在稳的腔体。同时晶片键合还完成了一级封装2。几种成熟定的气密条件下才能可靠长期地工作,有的MEMS封装气.的键合技术比较如表1。收稿日期2004 -09 -23传感器技术第24卷表1几种键合技术的比较1.2.2陶瓷封装Tab 1 Comparison of some bonding technologies用陶瓷封装质量轻,可大量生产和成本低,可轻易做到键合方法键合过程的温度夹层厚度 机械强度气密封装,而且多层陶瓷封装能使器件尺度变小成本降(C)(μm)(MPa)低同时能集成MEMS和其他元件的信号。陶瓷封装的阳极键合180 ~ 500无需5(可靠性中有几个问题:陶瓷会在烧结后压缩”，这将使要求气密性的器件失效。陶瓷和金属材料的粘接强度比陶瓷硅-硅键合700~ 1000和陶瓷的要弱在高温烧结后包装器件的内部金属可能散表面活化硅-硅键合20(室温)开以致器件失效。金-硅共熔键合4002~252001.2.3 多薄膜封装铝-硅共熔键合600-般多薄膜封装有2种技术,--种是低温烧结陶瓷大玻璃封接键合400 ~ 650约25 μm的薄聚合物压叠在一起只有开端层需要烧结另冷压焊键合2(0.12-种用的也是聚合物用丝网印刷,厚度为1 ~2μm。聚合.阳极键合技术已经被广泛应用,可将硅与玻璃、金属及物的介电常数是2.8~3.2。合金在静电作用下键合。当在极间施加电压( 200~ 1000V ,1.2.4塑料封装视玻璃厚度而定)在键合温度( 180~500C )下与玻璃键塑料封装一般分为前铸模和后铸模,如图2、图3所合强度可达到玻璃或硅自身的强度量值甚至更高。硅~硅示。而前铸模又分为注射铸模和转移铸模。有凹槽的和真的互连也能用阳极实现但需中间夹层在其中一个抛光的空气密的MEMS封装用的是注射铸模，而普通的IC封装用硅片表面上沉积2~4μm7740*玻璃膜,电流密度保持的是转移铸模。前铸模和后铸模的区别是后铸模有个空10A/m2温度稳定在450 ~ 550 C即可实现良好的封接键腔并在键合后密封上一个盖板来保护内部结构。运用塑合强度可达到硅或绝缘体自身的强度量级且气密性能好。料封装成本低、可靠性高。但不能用在气密密封场合在高但直接键合的温度处理过程难以控制。而在真空环境下采温和潮湿的环境下塑料封装会分层和开裂4。用Ar离子束对已处理过的硅表面清洁,在室温、真空条件芯片塑料封装下便能实现牢固的键合。玻璃封接键合是采用丝网印刷、喷镀、淀积或挤压等技术将纯度高、含钠低的悬浮在酒精溶液中的超精细玻璃粉置于一对被键合的界面而实现封接,封接后表面气密好并有较高的机械强度。图2塑料前铸模封装1.2 单芯片封装Fig 2 Former-molded plastic packages在一块芯片.上制作保护层将易损坏的器件和电路屏蔽起来以避免环境对其造成不利的影响并制作出有源传空气腔帽感器/制动器部分的通路并实现与外部的电接触。1.2.1 金属封装.金属封装通常是在多层RF模数和综合电子线路中,因为金属封装有好的热散性能够屏蔽电子辐射。金属外图3塑料后铸模封装壳一般不能直接安装各种元器件,大 多通过陶瓷基板完成Fig 3 Post-molded plastic packages元器件的安装和互连然后将固定好元器件的基板与底座上述4种通常是采用标准预成型封装。封装过程是:粘接最后是封帽工艺。金属外壳的封帽具有特殊的重要首先将芯片安装在预成型封装中用引线键合实现芯片和性因为要求高可靠性封装必须要求气密性达到标准的封装引线之间的电气连接然后填充化合物材料或用特殊水气含量。在封帽工艺中封接材料的熔点必须足够低或的盖板将封装封好同时保留有源芯片区。利用局部加热方法,使元器件及其焊点免受高温的影响。1.3 多芯片封装( MCM )图1是金属封装的几种类型。MCM技术提供了一种诱人的集成和封装MEMS器件的途径其县有在同一衬底卜古持多种芯片的能力,而不需要H中国煤化工其性能可以做到最优而CNMHG和芯片间互连方法的不()To形(b)平板形(c)蝶形(d)浅腔形同,MCM有多种不同的形式。常用的衬底材料包括陶瓷(a) To-8(b) platform(C) butely(d) monolithic硅和作印刷板用的层压板。芯片可粘附在衬底表面或嵌入图1金 属封装的几种类型衬底。芯片间互连是通过各种方法来实现,如,引线键合、Fig 1 Several types of metal packaging凸点倒扣焊或直接金属化。MCM除明显的尺寸和质量优第3期陈-梅等:MEMS封装技术9势外芯片之间距离的缩短使低噪声连线成为可能,从而改因素像在悬臂梁和基底之间就会出现粘合。腐蚀牺牲层善系统性能。很便利但这项技术也提高粘合和破裂的几率。Butle等人采用的高密度互连的MCM封装技术,这种(2 )应力方法是芯片嵌入衬底上的腔体中在元件顶部制作一个薄在薄膜的工艺过程中会出现残余应力这种应力在高膜互连结构。Morissey 等人演示了微系统多芯片封装的另温退火能被释放出来。CTE 的不同和工艺过程器件的压缩一个例子是用塑料无引线芯片载体( PLCC )制造的叠层实都会产生应力而用低杨氏模量的材料能有效降低残余应现了微系统的三维封装。PLCC是-个带有墙的腔体的芯力的同时提高器件性能。片载体芯片置于腔体中心的叶片上引线键合完成互连,( 3 )环境应力造成失效腔体填充环氧密封材料以保护芯片及引线键合的引线,不MEMS中机械运动部件易因热循环、振动、摆动、潮湿、同芯片之间的互连是通过表面镀铜/镍/金然后用准分子辐射等应力作用而失效。激光器光刻出互连图形来实现的。(4)划片1.4 模块式MEMSI1S6]在划片过程中需冷却流沿着划分路线来冲洗微小颗模块式MEMS是德国IZM实验室Reichl和Grosser这粒杂物以避免表面划伤。主要参数应考虑切速、切深、刀头二人提出的概念。源于CSP和立体集成最重要的是微系的尺寸、冷却液的流速和角度方向等。统具有各种不同物理参数所需要的接口。模块式MEMS(5 )把持(MOMEMS)和传统的微系统不同的是建立了标准的批量在MEMS中移动芯片需要用夹子夹住芯片的边缘然生产、降低成本、缩短进入市场的时间。后放到确切的位置所以确切定位仪器的设计将会增强工MOMEMS设计依赖各种不同的微加工和精密工程。艺能力和MEMS后封装工艺的可靠性。MOMEMS要求微系统尺寸紧凑,封 装可以向三维自由扩(6)圆片级封装.展。MOMEMS的外壳"的创新形式能完成不同功能的同用于键合的移动仪器是圆片极封装的不良因素如果时实现尽可能高的封装密度。考虑移动和污染应在制作工艺的外部制作-个防护罩。1.5 倒装焊技术(7-10](7 )除气近年来出现了许多新型的封装技术其中,比较有代树脂封装会产生湿度和有机气体将导致器件的粘结表性的除了上面介绍的多芯片封装和模块式封装还有采和腐蚀应去除掉。用倒装焊( FCB )的MEMS封装。倒芯片封装是芯片和基板(8)测试.的直接安装互连技术。FCB 是芯片朝下使芯片上的焊区测试是MEMS封装的主要问题之一。在MEMS加工和基板上的焊区互连。它具有电性能好、芯片安装密度高、工艺的开始就得考虑每步工艺可能致命的失效否则成本高I/0数和低成本的特点而且，大大简化了互连工艺快将大大增加。速、省时,成为了MEMS封装中-种简单和具有成本效益3未来发展趋势的方法。香港科技大学已经用倒装芯片( F0CB )技术封装MEMS技术于20世纪90年代进入商业化时代,正显压力传感器,将激励电路倒装焊在同一块挠性基板上。示强大生命力的发展势头。随着MEMS的“飞速发展,它的Patrick等人采用独特的倒封装密封了RF MEMS经过测试应用将更加广泛,但MEMS封装形式取决于很多因素如,效果良好。它的类别和用途等但总体上MEMS封装未来发展趋势为:倒芯片封装有个好处是芯片本身提供了MEMS结构( 1 )MEMS封装会更大程度上借鉴和引用微电子封装的封盖大量的倒封装接口的方法已经在许多文献中描述.技术和经验开发出合适的封装形式这是降低成本的一个到'。因为倒装焊是芯片朝下,很适合于光电器件的封有效的途径;装。在光开关的微镜中对直光路需要精确放置和对位而( 2 )微小型化是MEMS封装发展的趋势如,CSP( 芯片采用倒芯片封装则能够成功地保证光路对准x y z三轴都规模封装)体积小可容纳的引脚多、电性能和散热性能好、能达到+/ -1 μm的后键合精度。而这+/-1μm足够用成本较低,CSP能和SMD工艺兼容使系统更小型化;来光路和波导对准。这种转换和放置方法降低了装配的复( 3 )MEMS封装会向着集成化、标准化和低成本方向发展。。 如MOMEMS的前景比较看好因为PLCC采用的工艺杂性加速了MOMEMS器件的发展周期。相对中国煤化工;Ms的发展将使封装可批2 MEMS 封装中存在的问题[125]量生|YHCNMHGMEMS器件设计的初期若能考虑到封装和测试其成(4)MEMS可能出现高灵活和高性能的不同于传统IC本和时间都将大大减少同时还能提高可靠性。下面阐述封装的全新封装包括封装的材料、工艺等。MEMS 类型的MEMS封装将面对的技术问题:多样性和复杂性加上小型化趋势将迫使MEMS发展其特(1)粘合殊的封装。毛细作用、静电吸附和直接化学键合都是导致粘合的(下转第12页)1传感器技术第24卷和减法放大器是为了提高插值的分辨力。若采用A/D转相邻极小幅值点的间距来确定衍射图样暗纹间距S。如换则高频调制改为采样保持采样频率fn应满足fn =nfs果直接对两暗纹周期中的视频信号V;( t)的脉冲个数计(fn>fs )即可达到插值细分的目的。数来测量S的周期则测量分辨力只有p利用插值细分的4实验结果方法能够更准确地找到相邻极小幅值点之间的相对距离,用CL128型128位线阵SSPA(p=50um)图像传感器如果取插值采样频率f是图像传感器工作频率fs的将衍射光信号转换成数字信号送入计算机分别用传统方法(用计算机通过软件编程测量)和插值细分方法对标称值n倍那么,图像传感器的分辨力就提高n倍,达到上,使为213 pμm的细丝进行了测量测量结果如表1。表1中插其测量精度更为精确。实验表明:该方法完全能应用于实值细分方法fs=32kHz f =nfs =320kHx(取n=0 )。际测量其测量精度不受图像传感器像元中心距大小的限表1 测试结果制。Tab 1 Test result参考文献:测量方法次数平均值误差值相对误差[1] 孙定源周桂贤郑德锋.衍射法测量细丝直径的研究J].辽(μm) (μm) (% )宁大学学报(自然科学版)2003 30( 1 )24 -27.传统方法1(209.653. 351.57[2]张凤生.提高细丝衍射图样暗纹间距测量准确度的数据处理插值细分方法1(213.450. 45方法J]计量技术2000 (7)30 -33.如果用传统方法直接对两暗纹周期中的视频信号[3] 刘义族提高非接触式细丝直径测量精度的技术和方法探讨[ J]V°( t )的脉冲个数计数来测量s则测量分辨力只有50 μum。天津师范大学学报(自然科学版) 200222( 2)60- 62.采用插值细分方法观察V。( t)波形很平滑其相位有所延[4]张士勇.电荷耦合图像传感器在细线直径测控系统中的应迟但其暗纹周期不变,V.. 是经采样频率为fo =nfs=用J].工业仪表与自动化装置2003(4)31-32.320kH(取n= 10 )的采样保持电路处理后的输出信号,Vm[5] 范志刚.光电测试技术[ M ]. 北京:电子工业出版社,2004.波形的暗纹周期与V.(1)完全-样用V测暗纹周期就200 - 206.使图像传感器的分辨力提高n倍,达到50 μm/10=5 μm[6] 王跃科叶湘滨黄芝平等现代动态测试技术[ M]北京:国防工业出版社2003. 12-14 ,136 - 182.(fu=320kHz)使其测量精度大幅度提高。5结论作者简介:在激光衍射测微一类应用中通常是将衍射图样的光贺国权( 1962- )男重庆垫江人涪陵师范学院副教授主要强分布( x )转换成视频信号输出,通过检测视频信号中从事信号检测与处理、开关电源的研究。(上接第9页)03 -06.4结论[6] Schuenemann M ,Jam K A Grosser V. MEMS modular packagingMEMS封装是MEMS技术开发和批量生产的关键技术and interfaces[ DB/OL ] http /ieexplore. iee. org ,2000 -之一。在MEMS产品概念的早期就应考虑MEMS封装问05 - 24.题大力开展MEMS封装技术的研究和开发。[7] Wilkerson P , Kranz M , Przekwas A ,et al. Flip-chip hemeticpackaging of RF MEMS[ DB/OL ] http /eexplore iee. org ,[1] Reichl H ,Crosser V. Overview and development trends in the2001 -08 -26.field of MEMS packaging[ DB/OL ] http /ieexplore. ee.[ 8] Quirke C Lecarpentier G. High accuracey flip - chip assembly oforg 2001 -06 -25.MOEMS [ optical switch example ][ DB/OL ] http /ieex-[2 ] Ramesham,Ghaffarianplore. iee. org 2002 -12 -06.packaging of microelectromechanical systems ( MEMS )[ DB/OL ]9] Xiao Guo-wei ,Chan P C H ,Teng A et al. A pressure sensor u-http /ieexplore. iee. org 2000 -05 -24.sing fip-chip on low-cost flexible substrate[ B/OL ] http //iee-[3] Boustedt K ,Persson K ,Stranneby D. Flip chip as an enabler forMEMS packagin[ DB/OL ] http :/iexplore. iee org 2002 -[10中国煤化工，H. 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