（微电子学与固体电子学专业论文）基于倒装芯片封装的mems器件的可靠性研究.pdf

摘要 m e m s 产品市场在不断增长，但是m e m s 产业化的进程却非常不顺利，大量m e m s 产品构想 陷入了困境。许多阻碍m e m s 产业化进程的因素逐渐凸现出来，而封装与可靠性则是其中最为关键 的因素之一。现在许多m e m s 产品封装还是停留在沿用老的l c 封装工艺的阶段。对于许多先进的 封装形式，m e m s 产品由于其特殊性，无法直接应用。倒装芯片封装，作为一种先进封装的代表性 技术，已经广泛应用在i c 封装中。m e m s 的倒装芯片封装，由于种种原因，大多数还仅仅停留在 实验室的开发试验阶段。因此，研究针对m e m s 的倒装芯片封装及其可靠性就显得尤为重要。本文 的主要内容包括以下几个部分 首先，对m e m s 、m e m s 封装、以及倒装芯片封装技术进行了综述。介绍了m e m s 以及m e m s 封装的定义和特点，m e m s 封装工艺以及相关技术以及m e m s 先进封装技术等m e m s 发展的现状， 其中对本文的研究对象倒装芯片封装技术及其在m e m s 中的应用进行了详细的介绍。最后分析 了m e m s 封装效应对m e m s 可靠性的影响，然后介绍了m e m s - 封装协同设计的概念。 其次，在理论上进行分析。首先阐述了热致封装效应的概念，针对倒装芯片封装的多层结构的 热机械耦合效应进行分析。当传统的经典多层梁理论无法应用到包含非均匀单元的倒装芯片封装结 构分析中时，我们根据层次化和单元库设计思想采用分布节点分析方法进行分析。分别对均匀的芯 片、基板层和非均匀的焊球层进行建模，采用分布节点法进行综合，得到了倒装芯片封装结构的理 论模型；然后采用有限元分析的方法，对倒装芯片封装结构进行模拟。针对不同焊球凸点分布、不 同几何参数的倒装芯片封装结构在热失配的情况下芯片表面的应力和应变进行模拟，得出了许多对 采用倒装芯片封装的m e m s 器件设计有益的结果。最后还分析了因热致封装效应产生的应力应变对 m e m s 悬臂梁的p u l l i n 电压，以及m e m s 固支梁的谐振特性的影响。 再次，介绍了倒装芯片封装结构制备的工艺及实验结果。针对倒装芯片封装结构中最重要的凸 点下金属层的制备进行了详细的阐述。首先介绍了两种制作凸点下金属层( u b m ) 的方法一电镀 法与化学镀法，介绍了两种焊料凸点的制备装配工艺方法一模版印刷方法和微球装配方法，然后 给出了针对常用倒装芯片封装结构的不同凸点分布的版图设计和相应的基板设计，最后介绍了倒装 芯片焊接封装的工艺步骤，并给出了试验样品的结果。 最后，针对m e m s 倒装芯片需要的预封装的特殊要求，介绍了一种采用阳极键合制备玻璃微腔 的圆片级预封装的技术。首先介绍了圆片级封装的概念，以及阳极键合的原理，然后通过一步步工 艺流程介绍了实现玻璃微腔制备及用于m e m s 圆片级预封装的技术方法。 本文对m e m s 器件的倒装芯片封装从理论和工艺上均进行了相应的研究。结果表明，倒装芯片 封装结构的热致封装效应产生的热机械耦合应力和应变对m e m s 器件的性能的影响非常显著。分析 的结果为应用倒装芯片技术的m e m s 器件设计提供了有益的指导，对改善m e m s 器件性能和倒装 芯片技术的应用具有积极意义。 关键词：m e m s ，倒装芯片技术，分布节点法，有限元分析，u b m ，阳极键合 a b s t r a c t t h ep a c k a g i n ga n dr e l i a b i l i 妙h a sb e c o m eo n eo f t h em o s tc r u c i a lf a c t o r si m p e d i n gt h ed e v e l o p m e n to f t h em e m s m a n ym e m sp r o d u c t sa r es t i l lp a c k a g e db yt h eu s eo fi cp a c k a g i n gp r o c e s s f o rm a n y a d v a n c e dp a c k a g i n gf o r m s ，m e m sp r o d u c t sc o u l dn o ta p p l yd i r e c t l yb e c a u s eo ft h e i ru n i q u e n e s s f l i pc h i p t e c h n o l o g y , o n eo ft h ea d v a n c e dp a c k a g i n gf o r m s ，h a sb e e nw i d e l yu s e di ni cp a c k a g i n g m o s to ft h e m e m si nf l i pc h i pp a c k a g i n g , f o rt h ev a r i o u sr e a s o n s ，a r es t i l li nt h er e s e a r c ho fl a b o r a t o r y t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c ho nt h er e l i a b i l i t yo ff l i pc h i pp a c k a g i n gi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sa r t i c l ei n c l u d e st h e f o l l o w i n gs e c t i o n s ： f i r s t , m e m s m e m sp a c k a g i n ga n dt h ef l i pc h i pp a c k a g i n ga r es u m m a r i z e d 1 1 1 ed e f i n i t i o na n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm e m sa n dm e m s p a c k a g i n ga r ea l ls h o w ni nc h a p t e ro n e t h ef l i pc h i pt e c h n o l o g y ，t h e f o c u so fo u rr e s e a r c h , i sp r e s e n ti nd e t a i l a tl a s t , w ed i s c u s st h ei m p a c to ft h em e m sp a c k a g i n gt ot h e m e m sr e l i a b i l i t y , a n dp u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fm e m s - p a c k a g i n gc o - d e s i g n s e c o n d l y , t h er e l i a b i l i t yp r o b l e mc a u s e db yp a c k a g i n gi sd i s c u s s e di nt h e o r y f i r s to fa l l ，t h ec o n c e p t o ft h e r m a l l yi n d u c e dp a c k a g i n ge f f e c ti sp r e s e n t t h et h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p l i n ge f f e c to fm u l t i - l a y e ro f f l i pc h i pp a c k a g i n gs t r u c t u r ei sa n a l y z e d w h e nt h ec l a s s i c a lt r a d i t i o nm u l t i b e a mt h e o r yc a n n o tb ea p p l i e d t on o n u n i f o r mu n i t , w ep u tf o r w a r dad i s t r i b u t e dn o d a la n a l y s i sm e t h o db a s e do nt h ec o n c e p to fh i e r a r c h y a n dc e l lp a r t i t i o n i n g a n dw ec a l lg e tt h et h e o r e t i c a lm o d e lb yd i s c u s s i n gt h ec h i pa n ds u b s t r a t ea n dt h e s o l d e rb u m p ss e p a r a t e l y t h e nt h et h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p l i n gb e h a v i o ri nd i f f e r e n ts o l d e rb u m p d i s t r i b u t i o na n dd i f f e r e n tg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d al o to fr e s u l t s a r eu s e f u lt ot h ed e s i g no fb o t hm e m sd e v i c ea n dm e m sp a c k a g i n g f o rt h e m i c r o c a n t i l e v e ra n dm i c r o b r i d g e t h es t r e s sa n dw a r p a g ec a nl e a dt oam a x i m u mr e l a t i v ec h a n g eo f5 i n t h ep u l l i nv o l t a g eo fam i c r o c a n t i l e v e ra n d110 i nt h ef i r s tr e s o n a n tf r e q u e n c yo fam i c r o b r i d g ea f t e rf l i p c h i pp a c k a g i n g w h e nt h et e m p e r a t u r ec h a n g e sf r o m2 5 t o12 5 c t h i r d l y , w ei n t r o d u c et h ep r o c e s sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s p e c i a l l y , w ed i s c u s st h ep r o c e s so f u b mi nd e t a i l t w ot y p e so fp r o c e s sf o rt h eu b ma n ds o l d e rb u m p sa r ed e s c r i b e d ，w h i c ha r et h ep l a t i n g m e t h o da n dt h ee l e c t r o l e s sp l a t i n gm e t h o d a n o t h e rt w os o l d e rb u m p sp l a c e m e n tp r o c e s sa r ea l s op r e s e n t , w h i c ha l et h et e m p l a t em i c r o s p h e r e sp r i n t i n gm e t h o da n dm i c r ob a l la s s e m b l em e t h o d t h e nt h ed i f f e r e n t l a y o u td e s i g nf o rt h ed i f f e r e n ts o l d e rb u m pd i s t r i b u t i o na n ds u b s t r a t ea r es h o w ns e p a r a t e l y a tl a s t , t h e w e l d i n gp r o c e s sa n dt h es a m p l er e s u l t sa r ep r e s e n t f i n a l l y , ap r e p a r a t i o no fg l a s sm i c r o - c a v i t yf o rt h ep r e - w a f e rl e v e lp a c k a g i n gb yu s i n gt h ea n o d i c b o n d i n gi si n t r o d u c e d ，w h i c hi st h en e e do ft h ef l i pc h i pp a c k a g i n gf o rm e m sd e v i c e s w ei n t r o d u c et h e c o n c e p to fw a f e rl e v e lp a c k a g i n ga n dt h ek n o w l e d g eo fa n o d i cb o n d i n g a n dt h e n , w ei n t r o d u c et h ep r o c e s s s t e pb ys t e pt og e tt h ef i n a lr e s u l t i nt h i sp a p e r , f l i p - c h i pp a c k a g i n gt e c h n o l o g yf o rm e m sd e v i c e sf r o mb o t ht h et h e o r ya n dt h e e x p e r i m e n ta r es h o w n t h er e s u l t ss h o w st h a tt h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p l i n gs t r e s sa n ds t r a i nc a u s e db yt h e t h e r m a l l yi n d u c e dp a c k a g i n ge f f e c ti m p a c tt h ep e r f o r m a n c eo fm e m sd e v i c e ss i g n i f i c a n t l yt h er e s u l t p r o v i d e su s e f u lg u i d a n c et ot h ed e s i g no fm e m s d e v i c e si nf l i pc h i pp a c k a g i n g k e yw o r d s ：m e m s ，f l i p - c h i pt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e dn o d a la n a l y s i sm e t h o d ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，u b m ， a n o d i cb o n d i n g i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：至盛日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：圣主式导师签名： 第一章绪论 第一章绪论帚一早瑁化 微电子机械系统( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是指在微米量级内设计和制造，集 成微结构、微传感器、微执行器以及信号处理电路、控制电路、各种接口、通信和电源等于一体的 微型器件或系统i l j ，其特征尺寸范围一般在0 1 岬一1 0 0 岬。典型的m e m s 系统如图1 1 所示。电子系 统和非电子系统的一体化集成，可从根本上解决信息系统的微型化问题，实现许多以前无法实现的 功能，将推进信息获取、信息处理、信息操作等协调发展，它的应用也将涉及航空航天、军事、生 物医学工程、通信及家用电子等领域。因此，4 0 多年来m e m s 吸引了无数投资者的目光。尽管m e m s 产品市场不断增长，前景令人鼓舞，但是m e m s 产业化的春天却没有如人们所期待的那样迅速到来， 大量的m e m s 产品还只是一个美好的设想或者停留在实验室研究阶段。许多阻碍m e m s 产业化进程 的因素逐渐凸现出来，而封装与可靠性则是其中最为关键的因素之一。 m e m s 的发展目标在于通过微型化、集成化来探索新原理，开发新功能的元器件与系统，开辟 一个新技术领域和产业。其中，m e m s 封装对确保m e m s 产品的实现起着举足轻重的作用。在商用 m e m s 产品中，封装是最终确定其体积，可靠性和成本的关键技术，期待值极高。随着m e m s 芯片 的研究日益成熟，相对落后的封装技术已成为制约m e m s 产品进入市场的瓶颈。 mem s 系统封装 埏囊 题字锈舛 图1 1m e m s 系统构成t 2 本章将首先给出微电子机械系统( m e m s ) 的定义、特点、工艺及研究和应用领域，继而介绍 介绍了m e m s 封装的定义和分类，列出了这几个方面目前的发展状况以及面临的问题，接着阐述封 装对m e m s 器件性能的影响，提出m e m s 封装协同设计的概念。最终，给出本论文的主要研究 工作。 1 1 微电子机械系统( m e m s ) 综述 1 1 1m e m s 的定义 微电子机械系统( m e m s ) i 扫于其涵盖范围的广泛以及各国研究重点的不同，因此尚未形成统一的 定义。一般认为，微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造具有 特定功能的微型装置，包括微传感器、微执行器和微系统等。它涉及了微电子学、机械学、材料学、 力学、声学、光学、热学、生物医学、电子信息等多种学科，在信息、通讯、航空、航天、生物、 医疗、环保、工业控制等领域都有广泛的应用前景。 一般的说，m e m s 具有以下几个非约束性的特型3 】： 1 尺寸在微米到毫米范围之内，区别一般的宏( m a c r o ) ，即传统的尺寸大于l c m 尺度的“机械”，但 并非进入物理上的微观层次； 2 基于( 但不限于) 硅微力1 i ( s i l i c o nm i c r o f a b r i c a t i o n ) 技术制造； 3 与微电子芯片类同，在无尘室大批量、低成本生产，使性价比比传统“机械”制造技术大幅度 1 东南大学硕士学位论文 提高； 4 m e m s 中的“机械”不限于狭义的力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效 应，包括力、热、光、磁，乃至化学、生物等效应； 5 m e m s 的目标是“微机械”与i c 结合的微系统，并向智能化方向发展。 1 1 2m e m s 的特点 m e m s 技术是在i c 技术的基础上提出的，m e m s 技术沿用了许多i c 制造工艺，同时也发展了 许多非i c 兼容的工艺。m e m s 器件与i c 器件相比有很大的差别，而且要复杂得多。归纳起来，m e m s 器件的特点主要表现在以下几个方面： 1 器件功能的多样性，如有光学m e m s 、生物m e m s 、射频m e m s 等； 2 器件结构的多样性，有二维结构、二维半结构、三维结构，还有运动部件； 3 器件接口和信号种类的多样性，如有电接口、光接口及与外界媒质的接口； 4 器件材料的多样性，包括结构材料、导电材料、功能材料、绝缘材料等； 5 器件工艺的多样性，有与i c 兼容的工艺和与i c 不兼容的工艺。 由于m e m s 器件非常复杂，以至于每一个新器件的开发都面临着一些新的问题需要解决。在一 种m e m s 器件中应用很成功的制造工艺和封装工艺，很难简单地移植到另一种m e m s 器件的开发 研究中，这就极大地增加了m e m s 器件开发的技术难度和成本 4 1 。 1 2m e m s 封装综述 表1 - 1m e m s 与i c 的比较【5 】 m e m s ( 基于硅衬底) l c 复杂的三维结构主要为二维结构 很多系统含有可动的固体结构或液体固定的薄固体结构 需要将微结构和微电子进行集成 不需要这种集成 在生物学、化学、光学以及电动机械方面可 以实现不同的功能 为特定的电子功能实现电能传输 很多组件需要接触工作介质并处于恶劣环 境之下 集成电路模板通过包装与工作介质相隔离 涉及各种不同的材料，如单晶硅、硅化合物、只涉及少量几种材料，如单晶硅、硅化合物、 g a a s 、石英、聚合物以及金属等塑料和陶瓷 很多元件需要组装少量元件需要组装 基底上的图形相对简单基底上的图形相对复杂且元件密度大 少量的馈电导体和导线大量的馈电导体和导线 缺少工程设计的方法和标准 完备的设计方法和标准 封装技术处于起步阶段成熟的封装技术 主要采用人工进行组装具有自动化的组装技术 缺乏可靠性和性能测试的标准和技术已有成文的标准和处理过程 多样的制造技术 经过实践检验的成文的加工制作技术 在设计、制造、封装和测试方面没有可参考 的工业标准 完善的方法和处理过程 2 1 2 1m e m s 封装的基本定义 m e m s 封装可以定义为：利用膜技术及徽细连接技术将元器件厦其它构成要素在框架或基板上 布置、固定及连接、引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成完整的立体结构1 6 1 。封 装具有机械支撑、电气连接、物理保护、外场屏蔽、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡、规格化和标 准化等多种功能”l 。 1 2 2m e m s 封装的特点 众所周知，绝大部分基于硅衬底的m e m s 和微系统是采用与集成电路( i c ) 生产相同的微细加 工技术制作，这就造成了一种普遍的误解，认为m e m s 封装无非是微电子封装的延伸，可以采用标 准的l c 封装实现m e m s 封装。然而，实际上m e m s 在许多方面都与i c 有所区别，其与i c 的比较 如表1 - 1 所示。 由表1 - 1 可见，m e m s 封装不可能直接套用现成的i c 封装，而呈现自身的特点和难点： 1 复杂的几何形状常常需要三维封装 虽然目前l c 的封装仍以d i p 、s o p t s o p 、q f p ，r q f p 与b g a 等传统封装为主，但是为了满足 产品轻、薄、短、小与系统初步箍台的需求，各种新的封装结构正不断涌现。其中叉以能符台轻蒋 短小与高密度要求的圆片级封装( w a f e r l e v e lp a c k a g i n g ，w l p ) 与3 d 封装日渐受到重视。3 d 封装 为s i p ( s y s t e mi np a e k a g l n g ) 的一种在结构上具有明显的优点，可以提高封装密度，亦可将不同 型态的芯片与m e m s 、光学及r f 组件结台在一起。3 d 封装的范例如i n t e l 的s t a c k e d c s p b g a ( 图 1 - 2 ) 。m e m s 产品不像l c 那样主要是二维结构，而是包青了大量可动的灵巧三维结构，因而也就决 定了m e m s 封装即使不是吼提高封装密度为目的，也比i c 更需要三维封装。 图i - 2 i n t e l3 d 封装实例 2 不同的产品需要不同的可靠封装 m e m s 多元化的产品和功能的复杂性使其对封装的具体要求也不同。例如，对用于汽车安全气 囊配备系统的惯性倍感器的封装就与普通压力传感器封装的要求有很大的不同，它涉及对包括防止 移动质量块的系统密封，要求器件能够工作在灰尘、温度剧烈变化和有腐蚀性介质的环境f ，以及 在汽车行驶状态的强烈振动中正常工作；对微流体和微光开关系统的封装也比常规微型器件的封装 要求严格得多，通常需要采用真空密封。这些因系统使用环境而定的封装要求，使得m e m s 封装迄 今为止未能形成如i c 封装那样的工业标准，厂家需要为每一个新的m e m s 产品投 巨额资金来研 究新的封装方法、封装设鲁等，这使得m e m s 封装成本一直居高不下，甚至占到了总生产成本的 9 5 唰，这是制约m e m s 产业化的一个重要因素。 3 尺寸效应给m e m s 封装带来许多特殊的要求 m e m s 诱人的魅力就在于“微型化”实现了系统集成。但是微小尺寸给封装和组装带来了许 多特殊的问题。首先，大部分封装工艺过程实质上都是物理吡学过程，这常常导致各种不良的 附加效应，如精密部件问的静摩擦、形状畸变甚至封装元件发生分层等：其次 m e m s 在封装和 组装时应该有恰当的容限要求，运对组装精度和成品质量都是至关重要的，但是由于m e m s 尺寸很 东南大学硕士学位论文 小，而且在微加工过程之中和之后都缺乏对组件或元件表面形态的控制，何况大部分元件的表面粗 糙度均达到了纳米甚至微米量级，使得如何确定恰当的尺寸容限成为工业界一个令人头痛的问题。 4 特殊的封装界面要求 m e m s 器件与工作介质以及恶劣环境之间的界面要求是m e m s 封装区别于i c 封装的一个重要 标志，m e m s 依据功能不同而相应地有如下类别的界面要求：生物医学界面、光学界面、机电界面、 微流体界面等。一方面封装要满足器件本来的能够实现功能的界面要求，另一方面又要认识到恶劣 环境可能对一些灵敏和精密微器件带来的严重影响。例如，真空封装的m e m s 系统使用黏合剂键合 或者密封，一段时间后，老化的有机物可能会释放出气体，这些气体可能会引入水汽，不仅破坏了 真空环境，还可能会腐蚀元件或产生静态摩擦；应用于航空航天的m e m s 封装时则应当考虑到宇宙 空间辐射性离子和粒子所带来的影响。 1 2 3m e m s 封装的功能 封装的根本目的在于以最小的尺寸和重量、最低的价格和尽可能简单的结构服务于具有特定功 能的一组元器件。封装必须提供元器件与外部系统的接口。归纳起来，m e m s 封装的功能除了包括 了微电子封装的功能部分，即原先的电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和环境保护等外【1 0 l ， 还应增加一些特殊的功能和要求。 1 机械支撑 m e m s 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、灰尘和其他物理损坏。另外对于某些特殊功能的器件需要有定位用 的机械支撑点，如加速度传感器等。 2 环境隔离 环境隔离有两种功能，一种是仅仅用做机械隔离，即封装外壳仅仅起到保护m e m s 器件不受到 像跌落或者操作不当时受到的机械损坏。另一种是气密和非气密保护，对可靠性要求十分严格的应 用领域必须采用气密性封装，防止m e m s 器件在环境中受到化学腐蚀和物理损坏。同时在制造和密 封时要防止湿气可能被引进到封装腔内。对工作环境较好的应用领域可采用非气密性封装。 3 提供与外界系统和媒质的接口 由于封装外壳是m e m s 器件及系统与外界的主要接口，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m e m s 芯片还要求提供与外界媒质的接口。 4 提供热的传输通道 对带有功率放大器、其他大信号电路和高集成度封装的m e m s 器件，在封装设计时热的释放是 一个应该认真对待的问题。封装外壳必须提供热量传递的通道。 5 低应力 在m e m s 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m e m s 封装应产生对器件最小的应力。 6 高真空度 这是大多数m e m s 器件的要求，以使可动部件具有活动性，并运动自如。因为在“真空”中， 就可以大大减小甚至消除摩擦，既能减小能源消耗，又能达到长期、可靠地工作目的。 7 高气密性 一些m e m s 器件，如陀螺仪，必须在稳定的气密性条件下方能可靠、长期地工作。严格的说， 封装都是非完全气密的，所以只有用高气密性的封装来解决稳定的气密性问题。有的m e m s 封装气 密性要求达到1 1 0 1 2 p a m 3 s 。 8 高隔离度。 m e m s 的目标是把集成电路、微细加工元件和m e m s 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。m e m s 常需要有高的隔离度，对m e m s 射频开关更为重要。 9 特殊的封装环境引出 4 第一章绪论 某些m e m s 器件的工作环境是液体、气体或者透光的环境，m e m s 封装必须构成稳定的环境， 并能使液体、气体稳定流动，使光纤输出具有低损耗、高精度对位的特性。 1 2 4m e m s 封装工艺及主要技术 m e m s 产品的封装在早期试图沿用i c 封装工艺，但是不同产品间的巨大差异，使得m e m s 封 装至今不能形成i c 封装那样的标准工艺，也不可能存在一套适用于所有产品的通用流程。图1 3 给 出一个相对常用的一般工艺流程。 为了成功实现m e m s 的商业化，近年来发展了很多新的封装技术，其中最为基本、最为实用的 技术有晶片切割、键合和密封技术等。 图1 3 常用m e m s 封装工艺流程【7 】 1 3m e m s 封装的研究现状 近年来，m e m s 封装越来越多地受到重视。需求促进发展，本文总结了一下，从封装材料、装 片和焊接技术，以及先进封装技术三个方面阐述m e m s 封装的研究现状。 1 3 1封装材料 研究封装材料的目的是为了改善封装的气密性、高频性能、热性能、机械性能。 目前比较常用的顶盖材料有陶瓷，玻璃，金属，塑料。粘结和密封材料有金属和环氧b c b 。陶 瓷的优点是电绝缘、热良导、易塑型，密封性好，它在m c m 和b g a 中广泛地使用，陶瓷封装还有 一大好处是可用厚膜印刷金属层，并用激光实现校准。金属的优点是密封性好，很可靠，一般在超 高功率独立器件、高电压线性电路( 如运放) 中使用，传统的金属封装材料包括a i 、c u 、m o 、w 、 钢、可伐合金以及c u w 和c u m o 等，它们各自有热失配，重量，价格，导热性，加工工艺难易， 退火温度，平面度，重结晶后的脆性等方面的优缺点，逐渐难以应付现代封装的发展；现在开发了 很多金属基复合材料，以金属( 如m g 、a i 、c u 、t i ) 或金属间化合物为基体，以颗粒、晶须、短 纤维或连续纤维为增强体的一种复合材料，它可以通过改变增强体的种类、体积分数、排列方法或 改变基体合金，来改变材料的热物理性能，满足热耗散要求，而且制造灵活，价格低，很有发展前 途】。塑料地优点是便宜，成品率高，它有s o i c 、s o p 、p l c c 、q f p 、p d i p 等典型技术。 1 3 2装片和焊接技术 研究装片和焊接技术是为了改善封装的气密性、热性能和机械性能。 1 装片技术 5 东南大学硕士学位论文 传统装片技术，就是直接把芯片背面牯结在底扳上( 即d i e a t t a c h ) ，一般有三种方j 圭： a ) 低温玻璃烧结法：( 用于气密性封装芯片与底座的粘接，且适合高温贮存) 把低韫玻璃按一定尺寸印刷在要粘接芯片的地方放入4 6 0 c 以上的高温链式炉中烧结，低温 玻璃融合粘接。这种方法工艺简单、周期短、效率高、成品率高、节省材料成本低、高温贮存特性 好【1 2 1 。 b ) 金属共晶焊( e u t e e t i c b o n d i n g ) 两种不同的金属在远低于自己的熔点的温度下按一定重量比例形成台金。最常用的共晶焊是把 硅芯片焊到镀金的底座和引线框上即。金一硅菇晶焊。两者按一定比例可形成熔点只有3 6 3 c 的晶 体型合金( 即没有固液共存态) 。常用方法是，在这个温度下，用焊刀吸住硅芯片，在一定压力下， 以超声频率与加热的镀金的底座上轻轻痒擦擦去表面氧化层，形成共熔体和良好的欧姆接触。此法 焊接一致性好，速度快( ( o5 s ) 位置精确”日。 c ) 聚合物粘接 环氧树脂( e p o x y ) 粘接( 主要应用于芯片与底座，扁平型底座和盖板的封接) ：在6 0 - 8 0 c 烘 箱内烘烤6 0 分钟可固化，在室韫下1 2 个小时也可。该法操作简单，但耐高温性能、密封性能、牯 接机械强度不如钎焊和还原焊。环氧树脂粘接的最大好处是，可以充分消除芯片与底板之间的热应 力。 导电胶粘接( 苍片与底座的电粘接，也用于某些导电接头的粘接) ；常为环氧树脂、固化剂、银 浆和有机溶剂的混台物。顾名思义，导电胶粘接可以实现芯片与底板接触面的电连接 。 2 焊接技术 主要包括三种焊接技术：热压焊( t h e 皿o c o m p r e s s i o n ) ：超声焊( u l t r a s o n i c ) ：热超声焊 ( t h c r m o s o n i c ) 。热压焊的温度和压力，超声焊的振动对某些i c 和m e m s 芯片是不适合的”8 。 焊接方法主要包括： a ) 金丝球焊法( b a l l b o n d ) ：金引线末端熔成球状焊到压焊块上，如图1 4 ； u l tr a s o n i ce n er g y 图1 - 4 金丝球焊法 b ) 针焊法( w e d g e b o n d ) ：引线末端用劈刀拐成直角，焊到压焊块上，如图1 - 5 。 图1 - 5 针焊法 第一i 绪论 两种焊接方法的比较如表i - 2 所示 衰1 - 2 焊接方法 金丝球焊法可靠性更高速度更快，使用更广泛，但焊点节距较大；铝丝针焊j 圭( 超声焊) 成 本最低、温度蓐低、可以实现非常小的焊点节距( f i n ep i t c h ) ，约5 0 n n ”。 1 3 3i v 口e m s 先进封装技术 随着人们对i v i e m s 封装的日益重视，新型的封装技术不断出现，其中较有代表性的是采用倒 装芯片技术的m e m s 封装、多芯片封装( m c p ) 和模块式封装。 1 倒装芯片( f l i p c h i p ) 技术 倒装苍片技术，又称倒装焊，是一种不用引线，将芯片与底扳上需要电连接的地方对准用熔 焊法热压焊法，导电胶拈接法等方法进行电连接的一种封装技术。倒装芯片技术最早提出来的时 候，是直接作为b a r c c h l p 封装形式提出的，因为芯片焊盘节距与p c b 板节距相仿时，可以直接实现 芯片与p c b 板组装。我们将在下一节集中讨论倒装芯片技术的基本概念，优缺点，及在m e m s 产品 中的应用：井在第四章中集中讨论倒装芯片封装结构的设计及工艺实现。 2 多芯片封装( m c p ) 多芯片封装( m c p ) 是格 v i e m s 芯片和信号处理芯片封装在一个管壳内，以减小整个器件的体 积，适应小型化的要求，还可l = 上缩短信号从i v i e m s 苍片到驱动嚣或执行器的距离，减小信号衰减和 外界干扰的影响，是m e m s 封装的另一发展趋势。采用一块陶瓷或玻璃的基板，用引线键台或倒装 芯片技术将传感器或控制芯片安装在一起再把基扳封装起来，完成m i s m s 封装，图1 4 5 是山西科泰 公司生产的加速度传感器的封装 1 3 j ，它将控制电路和m e m s 芯片装在一个基板上，然后再封装在一 个管壳里。显然，将已经组装在基板上的多十芯片封装在一个管壳里要比把几个小芯片分9 4 封装在 管亮里更容易，这样就提高了封装的可靠性和封装密度，还可咀提高生产效率，有利于批量生产。 图1 6 加速度传感器的多芯片封装 考虑到倒装焊技术的一系列优势，可以用这项技术完成i v i e m s 苍片和基板的互连。已经有人用 板上倒装芯片( f c o b ) 技术封装压力传感嚣用倒装焊将传感器和激励电路封在阿一块挠性基 板上，整个封装的结构如图i 7 所示。微麦克凤需耍把音频机械振动信号变成电信号，再将徽弱的电 信号送到放大嚣的输入端。为了减小信号串扰和引线电感，必须缩短麦克风与放大器之间的引线， 7 东南大学硕学位论文 把微麦克风m e m $ 芯片和放大电路封装在一个管壳里，微麦克风芯片和放大电路的互连采用刨装焊 的形式，同时减小了封装体积以支持微壹克风的特殊用选如助听器等，井利用金丝键台将信号 引到外壳管脚。 s e n s o r t h i ns i l i c o n r _ 二二二) 卜- q u a r t z m e m b m n e 一 鼬，一二 a c t u a t o rc h i p 图1 - 7 用板上倒装芯片技术封装的压力传感器 3 模块式m e m s m e m s 封装成本较高的一个重要原因是没有统一标准。不同的m e m s 器件封装有很太差别，未 能形成系列化、标准化，这不仅使m e m s 产品价格上升。也使其进入市场前的研发时间加长。为了 克服这些缺点，德国f r a u n h o f c r i 珊提出了模块式m e m s ( m o m e m s ) 的概念。m o m e m s 使用标准 化的外部接口，从而m e m s 器件能使用统一的、标准化的封装批量生产，从而降低了成本，缩短了 进入市场的时间。 m o m e m s 设计依籁不同的微加工和精密工程技术。对于不同具体结构的m e m s 芯片从封装后功 能的实现进行考虑设计，同时封装可咀向三维空间自由扩展，形成模块。“外壳”不仅能完成不同功 能，而且可以保证尽可能高的封装密度。如图1 - 8 所示是采用3 d 封装的模块式m e m s 的示意图。 不同的外部接口对应于不同的应用领域，也可以按其结构和所用技术划分接口，一般分为光学 接口、流体接口和电学接口【l ”。接口数据由总线系统进行传输。 围l - 8 采用3 d 封装的模块式m e m s 第一章绪论 1 4 倒装芯片技术及其在m e m s 中的应用 1 4 1倒装芯片技术的基本概念 倒装芯片技术，是9 0 年代发展起来的一种新的芯片和基板连接技术，所谓的倒装焊就是在芯片 有源面的铝压焊块上做凸点，然后将芯片倒扣，直接与基板连接的技术，它能实现圆片级芯片尺寸 封装( w l p c s p ) 。正是由于与基板直接相连，倒装焊实现了封装小型化、轻便化，可缩小封装后 器件的体积和重量。由于焊球阵列( b o a ) 的凸点可以布满整个管芯，所以增加了i o 互连密度； 由于“连线”的缩短，引线电感变小、串扰变弱、信号传输时间缩短等，使电性能得到了提高。因 此，倒装焊技术比引线键合技术更为先进，具有很大的发展潜力。 c 钝化层a l 焊盘m e m s 器件芯片预封装管壳 u b m 图1 9 汜m s 的倒装芯片封装结构图 如图1 - 9 所示的是一个完整的m e m s 倒装芯片封装结构。倒装芯片制造过程中比较关键的工艺部 分是凸点下金属层( u b m ) 的制作和焊料凸点的制备，这两部分工艺将在第四章相i 装芯片封装 结构及工艺实现中集中进行讨论。需要注意的是对于特殊的和脆弱的m e m s 器件，其倒装芯片封装 必须要根据不同器件的情况进行封装设计，如图中可以对m e m s 器件进行预封装，对可动结构进行 保护，然后实现倒装封装。我们也将在第五章一玻璃微腔圆片级封装方法中介绍一种m e m s 器件 预封装的方法。 1 4 2 倒装芯片互连技术的优点 有许多不同种类的芯片级互连方法，其中最流行的是引线键合、金丝球焊和焊料凸点。目前， 9 0 以上的芯片使用引线键合。不到6 的芯片使用具有金凸点的载带自动焊( t a b ) 。不到4 的芯 片使用焊料凸点 1 6 1 。 在线路板上和在封装的有机基板上使用引线键合已经有多年。但是，近年来，由于封装密度、 封装性能和互连的需要，以及引线键合技术的限制，导致在在低成本有机基板上上焊料凸点制作倒 装芯片研究和开发方面爆炸性的增长。与流行的表面朝上引线键合技术相比较，倒装芯片技术提供 了较高的封装密度( 较多的i o 数目) 、较好的性能、尽可能短的引线、较小的电感和较好的噪声控 制、较小的器件引脚和较薄的封装外形。例如，对于交流电流，倒装芯片焊接引起的电感大约是0 4 n i l ， 而引线家和引起的电感式1 1 n h m m 。对于直流电流，焊料凸点的电阻小于l m f l 。倒装芯片和引线 键合技术的优缺点如表1 3 所示。 9 东南大学硕士学位论文 表1 3 倒装芯片和引线键合技术的比较 倒装芯片技