微机电系统封装技术.pdf

环球 环球 SMT 与封装 特约稿与封装 特约稿 微机电系统封装技术微机电系统封装技术 吴懿平 博士 华中科技大学 教授 博导 上海交通大学 兼职教授 微机电系统 Micro Electro Mechanical System MEMS 是利用微细加工技术在单块硅芯 片上集成传感器 执行器 处理控制电路的微型系统 其中的电路使用传统的微电子制造工 艺制成 如 CMOS Bipolar BICMOS 等 微型机械 机构 则使用与前者相兼容的微细加 工工艺制成 而微细加工中最主要的过程就是通过选择性刻蚀 Si 或沉积上新材料层来在晶圆 上形成微型机械或机电器件 由于 MEMS 技术结合了微电子技术与微细加工技术 它将会给 各个制技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业 采用 MEMS 技术制作的微传感器 微 执行造领域带来革命性的推动力 可以说 MEMS 器 微型构件 微机械光学器件 真空微 电子器件 电力电子器件等在航空 航天 汽车 生物医学 环境监控 军事以及几乎人们 所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景 MEMS 技术与其它技术结合 往往就会 产生一种新型的 MEMS 器件 MEMS 的制造流程一般包括光刻 刻蚀 沉积 外延生长 扩 散 离子注入 测试 监测与封装等环节 在 MEMS 的众多工艺环节中 以 MEMS 的封装最 为引人注目 难度也最大 据统计 封装的成本约占整个 MEMS 器件成本的 50 90 对 MEMS 的封装 人们一般在 IC 封装工艺方法上进行改进 比如引线键合 Wire Bonding WB 粘胶粘合 热压焊接等 最近为了追求高性能 低成本 微型化 高可靠等特点 人们日益 关注倒装芯片 Flip Chip 在 MEMS 中的应用 一 一 MEMS 封装概述封装概述 MEMS 封装的目的就是将 MEMS 装置和附加 IC 电路组成一个完整的 MEMS 系统 完成 电互连 功能的实现和保护 由于 MEMS 装置的品种繁多 规格不一 所以没有一套通用的 封装方法适合所有的 MEMS 产品 但是 还是有一些通用的原则和要求 在 IC 工业中 电子封装必须为数目庞大的高频电子信号提供可靠的高密度内部互连 与 之不同的是 在 MEMS 封装中 因为元件的参数不同 没有统一的标准 因此封装需要考虑 的因素更加复杂 既要保护微机械结构能在很大的范围内适应外部的环境 还要保证内部的 电子信号与外部的电子信号相连通 例如 压力传感器的封装必须保证传感装置与压力媒介 紧密的接触 而且要保证不能与媒介中任何有害的物质相接触 阀的封装必须能提供电子信 号的入口和流体的连接 MEMS 器件的封装分为两个部分 密封 Encapsulation 与互连 Interconnection MEMS 器件中含有一些微小的机械结构 如果使其直接暴露在恶劣多变的工作环境下 一方面会造成微结构的破坏 另一方面由于温度 湿度 压力等的不确定性也会造成 MEMS 器件性能的不稳定 以图 1 中的加速度计为例 其表面密布的鳍状电极在硬物的撞击下极易 发生断裂 导致功能丧失 如果它工作在一个高湿度的环境下 鳍状电极间的界电常数发生 了变化 依据原先在干燥环境下确定的加速度与电容变化的函数关系就无法计算出正确的加 速度大小 如果有水珠在口字形的压电弹簧上析出 由于液体的表面张力作用 弹簧的变形 就会受到干扰 原来的压电输出与加速度之间的函数关系同样也不再适用 由此可知 对 MEMS 的微机构进行密封保护是十分必要的 密封可以分为晶圆级密封和器件级密封 晶圆级密封指的是在 MEMS 芯片上直接对需要 保护的微结构进行密封 也就是只对芯片的局部进行密封 这类密封工艺一般在将芯片从晶 圆上切割下来之前 在整块晶圆上进行的 故而得名晶圆级密封 图 1 而器件级密封是将整 个芯片密封保护起来 一般这一步工艺完成后 得到的就是独立的 可以用于电路板组装的 功能器件了 因而称为器件级密封 图 2 图 1 晶圆级 MEMS 密封 图 2 器件级 MEMS 密封 封装中的互连是指器件内各芯片间以及芯片与器件引脚间的电连接 在 MEMS 封装中主 要使用引线键合 倒装芯片两种互连方法 图 3 为使用晶圆级密封和引线键合互连方式封装 的 MEMS 加速度计实物照片 加速度芯片加速度芯片 晶圆级密封 芯片互连 晶圆级密封 芯片互连 引线键合 信号处理芯片 封装好的器件 引线键合 信号处理芯片 封装好的器件 图 3 封装好的 MEMS 加速度计 在引线键合互连中 芯片上带有焊盘的一面称为正面 芯片的正面总是朝上的以方便键 合 芯片的背面与互连底板粘连在一起起到固定的作用 在倒装芯片技术中 芯片的正面朝 向互连基板 通过凸点与基板上的焊盘相连接 这样相对于引线键合中芯片的安装方向芯片 就是倒置的 所以得名为 倒装芯片 由于引线键合工艺简单并且不受芯片外形起伏的影响 在 MEMS 芯片的互连中应用较为广泛 但是它的空间占用较大 增大了器件封装的体积 此 外 在高频环境下 引线间存在着很大的耦合电容 会降低信号的传输速率和品质 因而在 RF MEMS 以及对外形尺寸要求苛刻的 MEMS 器件封装中 人们使用了倒装芯片互连技术 图 4 示意给出了采用将倒装芯片技术的 MEMS 压力传感器的内部封装结构 图 4 倒装芯片互连封装的压力传感器 从封装材料上看 MEMS 中广泛采用的三类封装方法是 陶瓷 塑料和金属 每一种都 有各自的优点和局限性 1 陶瓷封装 陶瓷又硬又脆具有很高的弹性模量 陶瓷封装通常有一个基体 在上面用粘合剂或者焊 料粘贴着一块或很多块小方块 在基体上注模 利用引线键合技术实现内部电子线路的互连 然后用盖子盖上基板并密封装配 2 金属封装 金属封装在 MEMS 中很有吸引力 因为金属具有很好的强度和韧性 容易成型和加工装 配 金属封装可满足大多数 MEMS 应用中输入输出低损耗的要求 能够在很小的空间和很短 的时间内成型 具有封装的气密性 例如 流体隔离压力传感器的金属封装 用一层薄的纯 净的金属横隔膜来密封纯净的金属材料空腔 空腔充满油 硅传感器浸没在油里 传感器测 量的压力透过金属横隔膜和油传输给敏感元件 坚固的金属封装为冲模和引线键合在恶劣的 环境下工作提供了密封的保护环境 3 塑料封装 塑料封装不同于陶瓷封装和金属封装 是不密封的 塑料封装有两种方法 后期成型封 装和先期成型封装 塑料后期成型封装是在芯片上实现互连后再进行塑料模注 在塑料先期 成型封装中 塑料先铸模成型然后再把芯片贴在基板上完成互连 二 二 MEMS 封装的特殊性封装的特殊性 1 固相键合技术 固相键合技术是利用各种工艺 把若干具有平面结构的零件重叠结合在一起 构成微结 构部件 常用的键合材料有硅和硅 硅和玻璃 硅和金属等 为了避免键合互连以后产生热 应力 必须选用膨胀系数相互接近的材料匹配连接 常用的键合方法有阳极键合 冷压焊接 键合 共熔键合等 阳极键合又称静电场键合 可以将硅与玻璃 金属及合金在静电场作用 下键合在一起 中间无需任何粘接剂 键合界面有良好的气密性和长期稳定性 把将要键合 的玻璃抛光面与硅片抛光面面对面接触 玻璃的另一面接负极 硅和加热板作阳极 而两片 硅片可以通过高温处理直接键合在一起 中间无需任何粘接剂和夹层 也无需外加辅助电场 把硅晶片加热至 1000 C 以上 使其处于熔融状态 分子力导致两硅片键合在一起 它比阳极 键合优越 因为它可以获得硅硅键合界面 实现材料的热膨胀系数 弹性系数等最佳匹配 得到硅一体化结构 其键合强度可以达到硅或绝缘体自身的强度量值 且气密性能良好 2 气密性封装 气密封装从理论上定义为封装的框架能够防止氦气的逸出 密封封装能够有效地防止湿 气和水蒸气等透过它的器壁进入内部 因此密封封装的材料必须是金属 陶瓷或者玻璃 塑 料和有机化合物等不能作为密封封装材料 因为经过一段时间老化 这些材料封装的器件不 能有效阻挡湿气渗透到封装体的内部 密封封装极大地提高了电子器件和经常使用的 MEMS 器件的使用寿命和可靠性 MEMS 密封封装要求很高的密封性 有时候需要在密封腔内填入 特殊地吸气物质来吸收残留的气体 使得微系统里的机械元件腐蚀衰败率达到最小化 3 晶圆堆叠的厚度 在IC工业中的微电子标准需要特殊厚度的硅晶圆 厚度由它们的直径大小决定 而MEMS 中使用的硅圆较厚 或者是一堆邦定在一起的 MEMS 硅 这给 MEMS 芯片的制造带来了很大 的困难 4 晶圆的分割 MEMS 可以在同一个晶圆上同时生产出成百上千个同一规格的微结构或者微系统 把这 些小的 MEMS 微结构从晶圆上分开可以分为成型前分割和成型后分割 成型前分割就是先把微结构分割成独立的元器件装置 随后再进行其后续的工艺和封装 分割是在有污染的环境下进行的 同时伴随有机械振动等 因此会使微机械结构和上面附着 的薄膜产生强烈的无规则的谐振 为了保证分割下来的 MEMS 产品的完整和清洁 必须确保 敏感的元件不受微粒和液体的污染 同时还要保证它们在谐振环境下没有受到破坏 成型后分割则不同 过程中没有自由活动的 MEMS 微机械结构 分割以后 MEMS 微结 构就分布在每个独立的模子中 一般地 采用成形后的分割所得到的 MEMS 最终产品的成本 较高 5 特殊情况的考虑 MEMS 材料的独特的性质可能会影响到封装工艺过程 例如 具有压阻现象或者压电现 象的敏感元件对机械压力非常敏感 如果受到封装引起地外来压力 使得封装的硅膜片受到 附加的压力影响 导致压力传感器给出不正确的测量数据 若在硅膜和封装机架上面的邦定 则会产生微小位移 这种微变形经过积累 会使装置对某一方向上的压力反应特别敏感 热过程的控制也很重要 在 MEMS 工艺中 特别是热的微执行器 需要精确地控制温度 的变化 同时还要发展局部散热的工艺方法 由于热过程的影响 可能导致邻近的 MEMS 传 感器或执行器产生完全相反的作用或失效 6 保护性涂层 对于暴露在外部环境下的 MEMS 传感器和执行器 必须提供相应的涂层保护 使其能不 受环境影响 在潮湿和有侵蚀的环境下工作的器件 可在其表面涂一层保护层 例如有机树 脂等 碳化硅可以用来作为在十分恶劣条件下的 MEMS 器件的保护层 选择保护涂层一般主要考虑湿气渗透率 粘附力和化学稳定性三个因素 三 三 MEMS 的失效特点的失效特点 影响 MEMS 可靠性的因素很多 因为 MEMS 没有统一的规范 它们根据用户的特别需求 而加工 尽管有各种各样的困难 但是一些通用的方法可以用来对 MEMS 的机构失效进行可 靠性评估 在 IC 封装过程中 机构失效通常与焊料有关 然而 MEMS 的机构失效要复杂的多 一些关键的 MEMS 失效与 IC 封装失效比较如下 粘结失效和磨损失效 与 IC 系统机构焊料链接失效相比 热循环疲劳失效对于 MEMS 来说显得并不重要 粘结和磨损是 MEMS 最主要的失效原因 MEMS 失效 有可能是当两个 表面相接触导致的微粘结 这就是通常所说的粘结失效 因为 MEMS 结构分开的部分是很精 微的 任何的混杂的细小微粒都会降低或者停止部件的运动 因为腐蚀环境而导致的磨损则 是失效的另一大原因 分层 与 IC 系统相比 MEMS 失效更多的原因是分层 因为它利用了许多各种各样的邦 定方法 分层到选择性的负载作用 即使负载远远小于疲劳极限 负载压力也仍然可以使材 料性能退失效的例子如薄膜材料的邦定 不同性质材料的邦定失效和同种材料的邦定失效 例如晶元和晶元之间的邦定失效等 机械疲劳强度 这在 MEMS 装置的梳状结构和隔膜中很关键 在那里材料受化 例如 弹性