第一讲微系统封装技术-概论

微机电系统封装技术基础,主讲：汪学方,华中科技大学MEMS中心,微机电系统（MicroElectroMechanicalSystemsMEMS）是融合了硅微加工、LIGA（光刻、电铸和塑铸）和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它在微电子技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技术。它包括感知外界信息（力、热、光、磁、电、声等）的传感器和控制对象的执行器，以及进行信号处理和控制的电路。,微机电系统的概念,微机电系统的概念,美国：微型机电系统MEMS:Microelectromechanicalsystem日本：微机械Micromachine欧洲：微系统Microsystem,各个国家不同的定义,典型MEMS器件介绍：,微泵(MicroPump),压电片,容积泵，压电驱动,双金属热致动阀,微喷喷墨打印头,电阻电热式微推进器,通过电阻加热，把工质汽化，产生高温高压气体从喷口喷出。,数字镜面显示（DMD）改变反射方向,微机电系统（MEMS）与微电子（IC）器件的区别：,微电子封装成本占总成本30%左右，MEMS封装成本为器件成本80%左右,影响MEMS器件的环境因素,应力振动冲击,气体湿度腐蚀,机械,化学,物理,温度压力加速度,1.封装和制造引起残余应力2.外部载荷3.变形引起应力4.机械失效,气密性封装,芯片划伤封装时加载在器件上的温度过高，压力过大,MEMS器件受多方面环境因素的影响也是MEMS器件封装之所以多样和复杂的原因,微机电系统主要加工工艺,Bulkmicromachining1960,Surfacemicromachining1986,体加工(BulkMachining)指通过刻蚀(Etching)等去除部分基体或衬底材料，从而得到所需的元件的体构形。它在微机械制造中应用最早，主要是通过光刻和化学刻蚀等在硅基体上得到一些坑、凸台、带平面的孔洞等微结构，它们成为建造悬臂梁、膜片、沟槽和其它结构单元的基础，最后利用这些结构单元可以研制出压力或加速度传感器等微型装置。体微机械加工常用的是利用硅腐蚀的各向异性制造各种几何机构，再通过键合技术将两部分硅的微结构结合再一起,体硅加工：,体硅加工工艺主要流程,硅园片,去掉光刻胶,腐蚀硅片,刻蚀光刻胶,淀积光刻胶,为了得到质量好的结构，一般采用SiO2或Si3N4作为掩膜,体硅工艺,体硅工艺的典型应用,微泵：具有两个单向阀，当电压施加到极板上时，变形膜向上运动，此时泵室体积增加，压力减小，进水阀打开，液体流进腔室。断电后，相反。泵的基本参数：变形膜面积44mm2，厚度25微米，间隙4微米，工作频率1100Hz，典型值为25Hz，流量为70mL/min,加工工艺路线,驱动部分：可根据各种不同的结构采用高掺杂的硅膜、形状记忆合金、金属膜薄片等。腔体制备：采用双面氧化的硅片，首先在硅片背面开出窗口（正面用光刻胶保护），放入HF，去除SiO2，去掉光刻胶，放入KOH，腐蚀Si，直到要求的膜厚为止阀膜制备,阀膜制备,对双面氧化的硅片进行双面光刻腐蚀SiO2、去除光刻胶、清洗用KOH腐蚀硅片双面，腐蚀深度1015微米去除浅腐蚀面的SiO2（将深腐蚀面保护）去浅腐蚀面用于键合的金属层用密闭良好的夹具将有金属的一面保护，再用KOH进行深度腐蚀，直到腐蚀穿透整个硅片。剩下的硅膜即为阀膜厚度最后将三部分键合到一起,静电微泵结构,表面微机械加工以硅片微基体，通过多层膜淀积和图形加工制备三维微机械结构。硅片本身不被加工，器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成，结构和基体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用是支持结构层，并形成所需要的形状的空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中溶解牺牲层,表面硅工艺,硅园片,淀积结构层,刻蚀结构层,淀积牺牲层,刻蚀牺牲层,释放结构,表面硅加工工艺主要流程,淀积结构层,刻蚀结构层,表面工艺常用材料组合,表面加工要求所应用的材料是一组相互匹配的结构层、牺牲层材料结构材料必须满足应用所需要的电学和机械性能，例如静电执行器（微电机和侧向谐振器）的导电结构和绝缘层。机械性能要求适中的残余应力、高的屈服断裂应力、低的蠕变和高的疲劳强度、抗磨损等牺牲层材料应有好的粘结力、低的残余应力，同时既满足工艺条件又不产生相反作用等,表面工艺使用结构层与牺牲层材料组合,典型组合,多晶硅作为结构层材料，氧化硅作为牺牲层以LPCVD淀积的多晶硅作为结构层材料，热生长或LPCVD淀积的氧化硅作为牺牲层材料已经广泛用于多晶硅的表面微机械，电学和机械性能均能满足结构层和牺牲层以及各种工艺的要求；腐蚀剂HF腐蚀氧化硅不会影响多晶硅，不会浸湿多晶硅且易清洗；同时该两种材料用于IC技术，其薄膜的淀积的刻蚀技术已经成熟,其它材料组合,如果用氮化硅作为多晶硅微机械的牺牲层，其主要缺点是多晶硅作结构材料时，难以腐蚀氮化硅，而且LPCVD淀积的氮化硅有较大的内应力，当薄膜厚度超过几百个纳米时，应力将引起薄膜的破裂。如果用Al作为牺牲层材料，则因为LPCVD淀积温度为630，超过Al的熔点；此外硅片和Al同时放入淀积多晶硅设备中易造成污染。,其它材料组合（续）,还有CVD钨作为结构层材料，二氧化硅作为牺牲层材料，用HF溶解牺牲层。在高宽比工艺中，Ni和Cu作为结构层，聚酰亚胺和其它金属（如铬）作为牺牲层等等，这些材料均有一定的局限性或在实验的初级阶段，有待进一步研究,其它材料组合（续）,聚酰亚胺/Al组成结构层和牺牲层材料，其特点是聚酰亚胺比多晶硅和氧化硅有更好的可塑性，因而可以承受较大的变形，并可在较低的温度下加工（低于400）；聚酰亚胺的缺点是秥弹性，容易产生蠕变,其它材料组合（续）,还要其它一些应用于表面微机械材料，如用LPCVD制备的氮化硅作为结构层材料。多晶硅作为牺牲层材料，通过淀积富硅膜降低氮化硅膜的残余应力，才能获得厚度几百纳米的氮化硅膜，而且KOH、乙二胺和邻苯二酚腐蚀剂来腐蚀多晶硅,牺牲层的要求,膜厚度须生长在可接受的公差内。不均匀的沉积导致表面粗糙或不平整。当空间缝隙很小（5微米），这个参数就尤为重要须要脱开时，牺牲层必须整体地被去除掉牺牲层的刻蚀选择率和刻蚀率必须很高，以便使结构的其它部位不被明显损伤,牺牲层的通道要求,可以采用水平或垂直式通道。刻蚀液通过开口慢慢穿过而除去牺牲层。开口必须足够大以便于处理刻蚀液，并缩短刻蚀时间。在长窄槽中，扩散效应会限制刻蚀率，应尽可能采用多处开口以缩短刻蚀时间,表面硅工艺的特点,表面工艺适用于微小结构的加工，结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的RIE工艺表面工艺的另一个特点是可实现微小可动部件的加工，而驱动或测量微器件最好的方式是静电力，所以在微机械中通常选择静电力作为驱动力一个研究趋势是实现电子线路和微机械器件的集成，即首先在硅片上加工电子线路，再以兼容的工艺加工微机械零件，所以充分利用IC技术的设备和工艺具有特别的重要性,表面硅工艺的缺点,但表面工艺是一种平面工艺，因此对机械设计有局限性。首先垂直方向的尺寸受到工艺的限制；其次器件的横向尺寸的选择受到薄膜机械性能，特别是残余应力的影响；目前IC设备淀积微机械厚膜效率低；此外，微机械加工形成的表面形态的高低相差较大，通常可达几个微米,表面硅工艺的典型应用,薄膜应力的利用光开关静电马达静电谐振器电磁微型电机,静电马达,基体绝缘和屏蔽转子、定子和气隙轴承空隙和支撑区轴承,静电,旋转马达原理,静电马达加工工艺,静电谐振器,工艺流程图,电磁微型马达定子绕组工艺流程,Exposure,Development,Metaldeposition,Backplating,Moldinsert,PlasticReplication,LIGA工艺主要流程,Effectsofexposurewavelengthondimensionalchangeandsidewallprofile(2),Figure11:SEMimagesofthetransferredtestpatternson160mSU-8layers.Awereexposedwith240-350nmbandatadoseof800mJ/cm2.Cwereexposedwith350-550nmbandatadoseof750mJ/cm2.,SU-8Structures,resistthickness50mlinesandspaces10m,SU-8MEMSStructures:,thickness:160m,Electroplatingstructure,MEMS的典型生产流程,DEPOSITION,OF,MATERIAL,PATTERN,TRANSFER,REMOVAL,OF,MATERIAL,PROBE,TESTING,SECTIONING,INDIVIDUAL,DIE,ASSEMBLY,INTOPACKAGE,PACKAGE,SEAL,FINAL,TEST,成膜,光