机械制造技术 课件 11微型机械制造技术

机械制造技术壹拾11.1引言11.2微型机械设计技术11.3微型机械加工技术11.4微型机械装配和封装技术11.5微型机械的测试技术微型机械制造技术教学提示：MEMS全称MicroElectromechanicalSystem，微机电系统。是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。MEMS是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。例如，常见的MEMS产品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。微机电系统在国民经济和军事系统方面将有着广泛的应用前景。主要民用领域是电子、医学、工业、汽车和航空航天系统。教学要求：本章要求学生了解微机械制造技术的基本概念，重点掌握微机电系统的设计、加工、封装和检测等。11微型机械制造技术引言11.1.1概述11.1.2国内外研究概况11.1微型机械（MicroMachine）或称微型机电系统（MicroElectro-MechanicalSystem，MEMS）或微型系统（Microsystems）是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理系统、电子控制电路以及外围接口、通讯电路和电源等为一体的、发挥机械功能的集成型微型器件或系统。相对传统机械而言，微型机械具有体积小（特征尺寸一般为1mm以下）、重量轻、能耗低、集成度高、智能化程度高等特点。但是，微型机械并不是传统机械的简单微型化，是基于现代科学技术，在一种崭新的思维方法指导下的产物。微型机械制造技术的主要内容包括：（1）微型机械设计技术。主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和拟实技术、微系统建模等，微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究也是设计研究不可缺少的课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。11.1引言11.1.1概述（2）微细加工技术。主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术；利用X射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外线的准LIGA加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、微电解加工等；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术等。（3）微型机械装配和封装技术。是将分开制作的微机械部件连接在一起或者密封保护起来的一种技术，可分为芯片级封装、器件级封装和系统级封装三种类型，包含表面键合、引线键合、密封等工艺过程。（4）微机械检测技术。主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。11.1引言11.1.1概述（美国对微机械及其加工技术研究最早。1959年，诺贝尔物理奖获得者理查德·菲利普斯·费曼（RichardPFeynman），提出了微型机械的设想。1962年第一台硅微型压力传感器问世，1965年斯坦福大学研制出硅材料蚀刻方法制作用于脑疾病诊断的微电极阵列式探针，1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～12μm的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造微小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。日本在微型机械领域的研究和开发虽然起步较晚。但得到了国家和许多高校支持，已成功加工出直径2.3～10μm的微孔和宽为50μm的微槽，研制出了微型静电马达、微磁轴承马达、微注射器、人工鞭毛搬运系统、微传感器手套、可控制微量流体和无脉动流体的微型泵等微型机械产品。德国在开发微型机械方面也取得了巨大成就。自1988年开始，斥巨资支持“微系统计划”研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，卡尔斯鲁厄原子核研究中心于1982年开发的LIGA技术，可以用于多种金属和非金属材料微型机械构件的制作，并已成为三维结构制作的优选工艺。还在1990年成功制造出世界上第一台微型涡轮机，其转子直径仅为0.1nm，并且他们还开发研制出一种集电子传感和化学测试功能为一体的微型化学分析系统。荷兰ASML公司总部位于荷兰埃因霍温（Eindhoven），ASML为半导体生产商提供光刻机及相关服务，TWINSCAN系列是世界上精度最高，生产效率最高，应用最为广泛的高端光刻机型。全球绝大多数半导体生产厂商，都向ASML采购TWINSCAN机型，比如英特尔（Intel）、三星（Samsung）、海力士（Hynix）、台积电（TSMC）、中芯国际（SMIC）等。11.1引言11.1.2国内外研究概况ASML的产品线分为PAS系列、AT系列、XT系列和NXT系列，其中PAS系列现已停产；AT系列属于老型号，多数已经停产。市场上的主力机种是XT系列以及NXT系列，为ArF和KrF激光光源，XT系列是成熟的机型，分为干式和沉浸式两种，而NXT系列则是主推的高端机型，全部为沉浸式。已经商用的最先进机型是TwinscanNXT1950i，属于沉浸式光刻机，用来生产关键尺度低于38纳米的集成电路。ASML正在加紧研制基于极紫外（EUV）光源的新型光刻机，型号定为NXE系列。如果量产成功，将成为划时代的产品，有望将关键尺寸缩小至10nm以下，并且可以显著提高集成电路质量。ASML下一代半导体设备—High-NAEUV设备是将集光能力的镜头数值孔径（NA）从0.33提高到0.55的设备。比现有的EUV设备处理更精细的半导体电路。我国从20世纪80年代末开始微型机械的研究，中国科学院、国家基金委、国家科委相继将微型机械列入重点项目和重大项目。先后研制出静电、电压和电磁式的微电机、微泵与微阀、压电与形状记忆台金微夹钳等器件，已建立了两个微加工基地和一个项目研究中心，奠定了一定的微型机械制造能力，可以进行微型机械的设计及各种加工。11.1引言11.1.2国内外研究概况经过十余年的飞速发展，国内外在硅微细加工、光刻电铸加工、高能束加工和特种精密加工等制造工艺上取得了长足进展，已设计制造出各种微器件，如微齿轮齿条和行星齿轮机构、微棘轮机构、微弹簧、微泵、微阀、微马达、微涡轮机、微加速度计、微陀螺以及微卫星和核武器的微安全开关机构等产品，应用于生物工程、化学、微分析、光学、国防、航天、工业控制、医疗、通讯及信息处理、农业和家庭服务等领域。作为大批量生产的微型机械产品如微型压力传感器、微加速度计和喷墨打印头已经占领了巨大市场。1995年全球微型机械的销售额为15亿美元，预计到2030年，相关产品产值将达到5000亿美元。随着微细加工技术的日益进步和社会需求的日益扩大，微型机械迟早会像微电子那样进入标准化大生产的时代。可以预言，微型机械在21世纪将形成难以估量的高技术市场，具有重大的学术价值、明显的经济效益和积极的社会意义。11.1引言11.1.2国内外研究概况微型机械设计技术11.2.1微机构学（含微机械动力学)11.2.2微构件材料及其力学分析11.211.2.3微摩擦学用于制造微型机械的材料和构件结构，与传统机械差别很大，它们既要保证微型机械性能设计的条件，又必须满足制造微型机械所采用的纳米加工方法的要求。同时，当一个系统的特征尺寸达到微米或纳米量级时，将会面临许多新的科学问题。例如，随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，表面效应增强，再加上微型机械中构件间的间隙很小，表面作用力影响很大，使得在进行微机械设计时必须考虑到表面效应和尺寸效应的影响；此外，微构件材料的变形和损伤机制与宏观构件也不相同；由于微机械在尺度、构造、材料、制造方法和工作原理等方面都与传统机械截然不同，因此微型机械设计在理论基础和研究方法方面也与传统机械学不同。根据微型机械的特点和发展情况，微型机械设计主要包括：微结构设计数据库、有限元和边界元分析、CAD/CAM仿真拟实技术和微系统建模等内容。其理论的基础为：微机械中运动变换和动力传递以及微型机械动态特性的微机构学；适用于制造微构件而性能独特的材料及其在环境影响下的变形响应和失效规律的微构件材料力学；以及从原子、分子尺度出发，研究相互运动接触界面上的作用、变化与损伤机理和对策的微摩擦学等。应当指出，随着微型机械的发展，还将会不断扩充其研究内容而出现更多的学科分支，以下将从微型机械的特征出发，分别讨论微机构学、微构件材料力学、微摩擦学三个领域存在的关键问题和由此而提出的研究方向。11.2微型机械设计技术微机构是微型机械的主要组成单元，要求在微小空间内有着能量传递、运动转换和调节控制等功能，以实现规定的动作和精确度。由于受到空间尺寸和驱动能量的限制，微机械系统应尽可能缩短运动链和减少构件数量，将能量传递、运动转换和执行调节等机构统一成一体，设计成具有多种功能的组合机构。为了适应机构的微小型化、将膜片、弹性梁、铰链、弹簧等相结合，利用它们的变形来实现柔性的多自由度运动。由于尺寸效应影响，微构件的制造误差与构件尺寸之比相对增大，导致微机构的运动特性受制造误差的影响很大。再加上弹性变形的影响，使得运动精确度成为微机构研究的重要问题。微型机械的设计对微机构学的研究和发展提出了一下几个方面的要求：(1)以微型化和低能耗为目标的多自由度微机构开发研究，多功能微组合机构研究，微机构与微电子或微光学器件等的集成系统的合理组成原理及设计准则研究；(2)微机构及其组合系统的动力学分析、微型机械弹性动力学与多柔性系统动力学研究以及产生大变形时的非线性动力学研究；(3)考虑制造误差、构件弹性、运动副间隙以及摩擦、冲击等影响的运动精度分析与控制研究。11.2微型机械设计技术11.2.1微机构学（含微机械动力学)微构件材料及其力学分析是微机械设计的重要组成之一，其关键问题如下：（1）适用于微构件制造的各种功能材料、结构材料的开发与应用研究，微构件材料的物理性能、率构关系及其与制造工艺相关性的研究，微材料物理性能的测定技术及表征方法；（2）微构件材料的力学性能测定、失效分析及其设计准刚研究。微构件如膜片、梁、杆、弹簧等变形和应力场分析计算，在特定环境下微型机械动力学研究等。用于制造微构件的材料既要保证微机械性能要求，又必须满足纳米加工方法所需条件，因此，所需材料及其物理性能与传统机械的分析方法不同。当构件缩小到一定的尺寸范围时，许多物理现象将和宏观世界有很大区别，这时力的尺寸效应和表面效应将在微观世界起重要作用。在微型机械领域，由于与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力和电磁力(L3)等的作用相对减少，而与尺寸L的低次方成比例的粘性力和弹性力(L2)的作用、特别是表面张力(L1)和静电力(L0)的作用相对增大，因而表面张力和静电力将成为起主导作用的力，这也就是微型机械常以静电力和表面张力作为驱动力的原因所在。并且随着尺寸的减小，物体表面积(L2)与体积(L3)之比相对增大，因而热传导、化学反应等加速，表面间的摩擦阻力显著增大，这些都给微型机械的研究与开发带来不可忽视的影响。此外，微型机械零部件的材料性能和摩擦现象还会受到制作工艺的影响，也必须加以认真研究与探索。11.2微型机械设计技术11.2.2微构件材料及其力学分析)目前，微型机械加工采用的材料主要有硅体物质(单晶硅、多晶硅、外延硅层、二氧化硅、氮化硅、碳化硅)、石英、金刚石、压电陶瓷、记忆合金和稀贵金属等，其中最主要的基础材料是单晶硅。由于单晶硅有如下特点：（1）它有最适合于微细加工的结构和特性，拥有类似于金刚石的晶体结构；(2)它比多数金属硬度高，有适用于微型机械应用的足够机械强度和耐疲劳的能力；(3)它的来源广泛，提纯和控制技术成熟，为制造廉价的微型机械提供了先决条件。迄今大多数微型机械都是以单晶硅为基底进行各种平面或体加工工艺制作而成的。对于新发展的可动型微型机械，因单晶硅有脆性大、摩擦系数大、高速运动下易断的缺点，一般都采用多晶硅制造，但通常仍需以单晶硅为基底，再在单晶硅上积淀多晶硅，然后对多晶硅进行各种结构加工。11.2微型机械设计技术11.2.2微构件材料及其力学分析)微摩擦学主要是指纳米摩擦学，它是建造微型机械的关键技术。纳米摩擦学是在原子、分子尺度内，研究摩擦界面上的行为与损伤及其对策，包括纳米膜润滑和微摩擦磨损机理，以及表面和界面的分子（原子）工程研究，即通过材料表面改型或建立超薄膜润滑状态，达到减摩耐磨、保证微型机械系统功能和使用寿命的目的。微型机械设计对微摩擦学研究提出了许多特殊的要求。由于提供微机械动作的能源很小，因此要求尽可能地降低摩擦能耗，甚至实现零摩擦，最大限度地降低磨损是保证微机械功能和寿命的关键，而微机械又往往利用摩擦作为牵引或驱动力，例如在管道中爬行的微型机器人，即是利用管壁摩擦力来驱动，此时则要求摩擦力具有稳定的数值而且可以适时控制。此外，经超精密加工的微机械，摩擦副间隙常处于纳米量级，必须采用以分子膜为基础的薄膜润滑技术以达到减摩耐磨目的。这种纳米量级的润滑薄膜性质不同于通常的粘性流体膜和吸附边界膜，它是一种特殊的润滑状态等等；上述几个方面在微机械的设计中都必须加以认真研究与探索。微型机械系统的设计加工对微摩擦学的研究和发展提出以下几个方面的要求：11.2微型机械设计技术11.2.3微摩擦学(1)滑动磨损中界面分子层的粘着损伤与材料转移规律，微摩擦过程的粘滑(Stick-slide)行为及其抑制研究，材料摩擦的各向异性行为与零摩擦研究。(2)自组装膜、可控有序分子膜的成膜机制及其润滑性能研究，纳米量级润滑膜的流变特性与壁面效应、时间效应研究，薄膜润滑状态转化与失效准则。(3)适于微机械润滑材料的开发。(4)表面薄膜涂层微摩擦磨损性能与应用研究，包括软膜材料(金膜、铟膜等)和硬膜材料(类金刚石膜、Ni-P非晶膜、非晶碳膜等)。(5)微型机械中带电摩擦副的损伤与防护，以及超净装置的微密封技术也将是有待于研究的问题。另外，在微型机械设计中，微型机械系统建模也是其理论体系的重要组成部分，在建模过程中，需要考虑的因素错综复杂，因此，除了采用实验建模外，还需利用有限元分析技术研究微型机械的系统建模和功能仿真，并解决所涉及的理论问题。例如，可利用有限元分析方法和静电边界条件考察在静电作用下微型机械的运动特性，研究与其相关的运动学、动力学和摩擦学基础理论等。11.2微型机械设计技术11.2.3微摩擦学微型机械加工技术11.3.1硅基微机械加工技术11.3.2非硅基微机械加工技术11.311.3.3微细特种加工技术微型机械加工技术可以分为硅基微机械加工技术和非硅基微机械加工技术两大类。长期以来，在微机械材料中，硅材料一直占着统治地位，人们在传统IC工艺的基础上，开发出了多种硅材料用的微加工技术，即硅基微机械加工技术。此外，人们还对非硅基加工材料例如镍和压电材料等，进行了研究，开发出了相应的加工技术，统称为非硅基微机械加工技术。非硅基微机械加工技术包括电镀、LIGA和精密加工等其它技术。11.3微型机械加工技术根据工艺的不同，硅基微机械加工技术主要包括硅微体加工技术和硅微表面加工技术。二者的主要材料都是硅材料，都是在集成电路加工的基础上发展起来的。1．硅微体加工技术硅微体加工技术是制造微结构的一种工艺方法。它在微机械制造中应用最早，主要是通过蚀刻技术从基底(单晶硅片)上有选择地去除部分材料，形成悬空、模片和沟、槽等指定的微机械结构，最后利用这些结构单元研制出压力或加速度传感器等微型装置。其工艺流程如图10.1所示。11.3微型机械加工技术11.3.1硅基微机械加工技术硅微体加工技术的关键是蚀刻技术，常用的方法有湿法蚀刻和干法刻蚀两种。湿法蚀刻是应用化学腐蚀的方法对硅片进行加工的技术，一般采用各向同性蚀刻、各向异性蚀刻和电化学蚀刻等方法。各向同性蚀刻是指沿硅片的各个晶向都具有相同的蚀刻速率而产生的均匀蚀刻。适用于圆形结构和任意横向几何形状的微型结构的加工，加工高度一般为几微米，常用的蚀刻液有HF-HNO3溶液；各向异性蚀刻是指沿硅片不同的晶向有不同的蚀刻速率产生的不均匀蚀刻。常用的蚀刻液有KOH、EPW和联氨等，各向异性蚀刻时，由于所采用的控制蚀刻时间的方法误差较大，蚀刻深度一般难以控制，从而限制了工艺中对应用制造的特定要求，一般用于较大尺寸的组件的加工；电化学蚀刻是利用渗杂物质与硅的相对于溶液电位不同产生的对蚀刻速率的影响，以控制加工速率，使硅片达到规定尺寸时自动终止，保证对加工精度的精确控制。电化学蚀刻具有独特的横向欠蚀刻特性，可以使材料蚀刻速度依赖于晶体取向的特点得以充分发挥，利用它加工的微机械结构的厚度可以达到整个硅片的厚度。并且可以在硅微衬底上加工出各种各样的微结构。11.3微型机械加工技术11.3.1硅基微机械加工技术干法刻蚀是利用高能束对基体进行材料去除的加工方法，一般采用电子束刻蚀、离子束刻蚀、等离子体刻蚀、反应离子束刻蚀等方法。电子束刻蚀是以电子束为刻蚀手段达到刻蚀目的的技术，电子束波长极短，束斑直径很小，采用电子束刻蚀能够获得及高分辨率的刻蚀结果。其刻蚀的精度可以满足2nm最小线宽的要求，而且不需要掩模版，不存在硅片和掩模板之间的平行度问题，但是电子束刻蚀的缺陷在于刻蚀速度太慢，无法满足大规模生产的需要；离子束刻蚀是利用一定功能的惰性气体（如氩气等）的离子轰击基底表面而达到刻蚀目的。目前离子束刻蚀的束斑可达100nm以下，最少的达到10nm，获得最小线宽2nm的加工结果。相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行小于50nm的刻蚀，故而离子束刻蚀是微机械加工的一种理想方法；等离子体刻蚀是利用气体辉光放电中等离子所引起的化学反应来达到刻蚀的一种技术，此时要选择合适的放电气体，以使要除去的材料能在辉光放电中形成挥发物质；反应离子束刻蚀是将离子轰击的物理效应和活性粒子的化学效应两者结合起来，因而具有等离子刻蚀和离子束刻蚀的两者的优点，其不仅有高的腐蚀速度，又有良好的方向性和选择性，能刻蚀精细图形。在微型机械的加工制造中，湿法蚀刻具有快速及低成本的优势。然而，它所具有对硅材料各方向均以相同蚀刻速率进行的各向同性蚀刻特性、或者是与硅材料的晶体结构存在的差异性、产生不同蚀刻速率的各向异性蚀刻特性，会限制我们在工艺中对应用制造的特定要求，例如喷墨打印机的细微喷嘴制造（各向异性蚀刻特性会造成V形沟槽，或具锥状的坑洞，使关键尺寸不易控制）。而干法刻蚀正可克服这个应用限制，按照标准光刻线法的光罩所定义的几何图案，此类干式刻蚀工艺可获取具有垂直侧壁的几何图案。举例来说，通常要加工出较大尺寸的组件，如电容式加速微传感器。通常我们会优先考虑湿法蚀刻方式，但对于需要更精确尺寸控制、或是整体尺寸需微缩的组件的制造，则会考虑选择采用干法刻蚀来达到工艺要求。11.3微型机械加工技术11.3.1硅基微机械加工技术2.硅微表面加工技术硅微表面加工技术是以基底材料做为机械支撑，然后在其表面利用沉积和牺牲层等技术在硅基底上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工，以制造微型机械装置的加工制作技术。其全部加工仅涉及到硅片正面的薄膜，微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面，如图11.2所示。其中微机械器件和晶片的分离主要是靠牺牲层技术。即在硅衬底上先沉积上一层最后会被腐蚀掉的膜，再在其上淀积一层制造微机械的多晶硅薄膜，然后用光刻技术制造出微机械图形和刻蚀下层膜的通道。待一切完成后就可进行牺牲层腐蚀而使微机械结构自由释放出来。由于其结构厚度完全受限于沉积薄膜的厚度，因此制造的基本结构多是二维的，但可通过增加结构层数来实现微机构间的相对转动等。此外，薄膜的加工采用光刻技术，即避免了体微加工所要求的双面对准、背面刻蚀等问题，又避免了装配的问题。11.3微型机械加工技术11.3.1硅基微机械加工技术11.3微型机械加工技术11.3.1硅基微机械加工技术硅微表面加工工艺中，薄膜的形成一般采用常压化学气相淀积（CVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）和等离子体增强化学气相淀积法来实现。通过上述方法得到二氧化硅膜、氮化硅膜和多晶硅膜，可充当牺牲层、绝缘层和结构层等，用蒸发镀膜和溅射镀膜可以制备铝、钨、钦、镍等金属膜，形成导电层、导线和电极等。薄膜的加工一般采用光刻技术，如紫外线光刻、X射线光刻、电子束光刻等来加工出需要的图形或结构。通过光刻将设计好的微机械结构图形转移到硅片上，再用等离子体蚀刻、反应离子蚀刻等工艺蚀刻多晶硅膜、氧化硅膜、氮化硅膜以及各种金属膜以形成微机械结构。与体硅微加工技术相比，表面硅微加工技术往往需要分层加工，工艺较为复杂；对加工条件要求很高，工艺较难控制；且器件的纵向尺寸较小，一般均不到1毫米。但该技术的最大优势在于把机械结构与电子电路集成一起的能力，表面硅微加工技术充分利用了现有的IC生产工艺，和IC技术完全兼容，与微电子电路容易集成。从而使微机械产品具有更好的性能和高稳定性。通过该技术，可以制造出微型悬臂梁、微型桥和微型腔等悬式结构以及制造复杂的静电驱动微电机和各种致动器等微结构，如图11.3所示。11.3微型机械加工技术11.3.1硅基微机械加工技术11.3微型机械加工技术11.3.1硅基微机械加工技术LIGA技术和准LIGA技术为了克服刻蚀法制作的零件厚度过薄的不足，20世纪80年代由德国卡尔斯鲁厄原子核研究所开发了LIGA技术，LIGA是德文平版印刷术（lithographie）、电铸成形（galvanformung）和注塑或模塑（abformung）的缩写。该技术是一种由半导体光刻工艺派生出来的采用光刻方法一次生成三维空间微机械构件的方法，它是采用深度X射线光刻、电铸成型和塑料铸模等技术的一种综合性加工技术。一、LIGA技术如图所示，主要包括三个工艺过程：（1)深层同步辐射X射线光刻把从同步加速器放射出的具有短波长和很高平行性的同步辐射X射线作为曝光光源，透过掩模对固定于金属基底上的厚度可高达几百微米的X射线抗蚀剂层进行曝光，然后将其显影制成初级模板。由于被曝光过的抗蚀剂将被显影除去，所以该模板即为掩模覆盖下的未曝光部分的抗蚀剂层，它具有与掩模图形相同的几何图形。利用此方法可在最大厚度达500μm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体。（2)电铸电铸是根据电镀原理，用曝光刻蚀的图形实体作电铸的模具，生成铸型。在LIGA技术中，把初级模板（抗蚀剂结构）模腔底面上利用电镀法形成一层镍或其它金属层，形成金属基底作为阴极，所要生成的铸型金属的供应材料（如Ni、Cu、Ag）作为阳极。进行电铸，直到电铸形成的结构刚好把抗蚀剂模板的型腔填满。尔后将它们整个浸入剥离溶剂中，对抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥离，剩下的金属结构即为所需求的铸型。11.3微型机械加工技术11.3.2非硅基微机械加工技术（3）注射成型以电铸制成的铸型作为注射成形的模具，将塑性材料注入铸型模腔，即能加工出所需的微型零件。LIGA法的制作过程如图11.4所示。11.3微型机械加工技术11.3.2非硅基微机械加工技术出于X射线的平行性很高，使微细图形的感光聚焦深度远比刻蚀法为深，一般可达25倍以上，因而刻蚀的图形厚度较大，使制出的零件有较大的实用性。且X射线的波长极短小于1nm．可得到卓越的解像性能，使断面的粗糙度通常为0.02～0.03μm。最小能达0.01μm。例如应用LIGA法制作直径为130μm、厚度为150μm的微型涡轮；制作厚度为150μm、焦距为500μm的柱面微型透镜，并可获得非常光滑的表面。LIGA技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，可以制造由各种金属材料及塑料、玻璃、陶瓷等材料制成的微机械以及三维微机电系统，可加工出有较大深宽比和很高精度的微结构产品，且加工温度较低，这使得它在微传感器、微执行器、微光学器件及其它微结构产品加工中显示出突出的优点。它是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺，较硅材料的加工技术有了一个很大的飞跃。然而，它需要用高能量的X射线源——同步回旋加速器。这一昂贵的设施和复杂的掩膜制造工艺限制了它的广泛应用。为此，人们研究开发出便于推广的准LIGA技术。准LIGA技术克服了LIGA技术工艺复杂，成本费用昂贵的不足，利用常规的紫外光作为刻蚀时的替代光源，可以实现具有较大深宽比的三维微结构的加工。两种技术的工艺特点比较如表11.1所示。11.3微型机械加工技术11.3.2非硅基微机械加工技术11.3微型机械加工技术11.3.2非硅基微机械加工技术利用LIGA和准LIGA技术，可以加工制造各种三维金属微结构，如微齿轮、微加速度传感器等。但它们只局限于加工直壁结构的立体，而不能加工任意形状的三维立体。二、微细机械加工技术微细机械加工技术是一种由传统切削加工技术衍生出来的微细切削加工方法。主要包括微细车削、微细钻削、微细铣削、微细磨削、微冲压等。微细车削是加工微小型回转类零件的主要方法，与宏观加工类似，也需要微细车床和相应的检测与控制系统。但其对主轴的精度以及刀具的硬度和微型化有很高的要求；微细钻削的关键是微细钻头的制备。目前借助于电火花线电极磨削可以稳定地制成直径为10μm的钻头，最小的可达6.5μm；微细铣削可以实现任意形状微三维结构的加工，生产率高，便于扩展功能；微细磨削可用于硬脆材料的圆柱表面、沟槽和切断的加工，在精密微细磨削机床上可以加工的工件长度达1mm、直径50μm。日本MEL研制成功将各种切削技术整合在一起的便携式微型工厂，由微型车床、铣床、冲压机、搬运机械手、双指机械手及电路、控制装置等组成，重量为23kg，被放在长625mm、宽490mm、高380mm、重11kg的箱子里。箱子底部装有小轮，可以像旅行箱一样拖着走。微细机械加工中的一个关键问题是刀具安装后的姿态及其与主轴轴线的同轴度是否与坐标系一致，否则很难保证微小的切除量。为此可在同一台机床上制作刀具后进行加工，使刀具的制作和微细加工采用同一工作条件，避免装夹时产生的误差。11.3微型机械加工技术11.3.2非硅基微机械加工技术一、微细电火花加工微细电火花加工是在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时，局部高温来熔化和汽化蚀除材料的加工技术。可以对金属、聚晶金刚石、单晶硅等导体半导体材料作垂直工件表面的孔、槽、异型成型表面的加工。实现电火花加工的关键在于电极的制作、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制及加工工艺方法等。由于形状复杂的微小电极本身极难甚至无法制作，而且在加工过程中电极损耗严重，使得成型电极的形状很快改变，而无法进行高精度的三维曲面加工。因此人们开始探索使用简单形状的电极，借鉴数控铣削工艺进行微细三维轮廓的电火花加工。日本松下公司据此制作出了微型齿轮及微槽；东京大学生产技术研究所利用简单形状的微细电极，通过微细电火花铣削加工出了微汽车模具，并用该模具翻制出微汽车模型；国内清华大学研制出一种用压电晶体微进给机构(Inchwormmechanism)的微电加工机床，电极最小尺寸为25μm，可加工出直径小于50μm的孔。微细电火花线切割加工也可以完成微细外圆面和沟槽、切断等的加工。加工外圆时，在工件的一侧装有线切割用的钼丝，工件作回转运动，钼丝在走丝中对工件放电并相对工件作沿工件轴线进给运动，在电火花和磨削的作用下，由于走丝速度低，钼丝损耗可以忽略不计，从而完成对工件外圆表面的加工。日本松下电气产业公司生产的MG-ED71机床即属于微细电火花线切割机床，它的定位控制的分辨率为0.1μm，最小加工孔径达5μm，表面粗糙度达0.1μm。加工节径30μm，厚100μm的9齿不锈钢齿轮时，先用Φ42μm的电极连续打孔加工出粗轮廓，再用Φ31mm电极按齿形曲线扫描出轮廓，精度达±3μm。也可用它加工最小直径为30μm微型阶梯轴，它加工的最小键槽截面为10μm×10μm。11.3微型机械加工技术11.3.3微细特种加工技术微细电火花加工与LIGA加工相比，LIGA加工可实现极其微细的图形成形以及用于对表面光滑度有极高要求的光学零件的制造。而微细电火花加工则适宜于加工立体型面和进行内凹的和倾斜的表面加工。二、微细电解加工微细电解加工是一种利用金属阳极电化学溶解原理来去除材料的制造技术，其中材料的去除是以离子溶解的形式进行的。通过降低加工电压、提高脉冲频率和降低电解液浓度，微细电解加工所涉及的尺寸范围要大于硅微加工及LIGA技术所能达到的微小尺寸，加工间隙可控制在10μm以下。德国RolfSchuster和G.Ertl等提出了一种双电层约束刻蚀加工超微立体结构的电化学微细加工方法，在硅片上加工出超微三维立体结构。三、

微细超声加工微细超声加工除了加工尺寸微小外，与传统超声加工有相同的原理和特征，可用于晶体硅、工程陶瓷等硬脆材料的加工，不同的是它不依赖于材料的导电性，而且没有热物理作用。与光刻加工相比，微细超声既可加工出深宽比大的三维结构，又可用较小的投人进行生产，因此在非金属硬脆材料加工方面有独特优势。日本东京大学用工件激振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的孔。11.3微型机械加工技术11.3.3微细特种加工技术四、微细激光加工根据加工材料和成形机理的不同，激光成形加工可以分为光固化成形、选择性激光烧结成形、分层实体造型等多种类型。微细激光加工具有很多优点：(1)工艺步骤少，制造可采用高柔性的CNC编程；(2)对加工场合和工作环境要求不高，也不需要贵重的加工工具；(3)与平板刻蚀工艺以及光掩膜工艺有很好的兼容性；(4)加工精度高，激光束光斑直径可达lμm以下，可进行超微细加工。近来，激光加工开始向微三维结构方向发展，德国梅德尔堡器械微技术公司已开发了微三维结构高精密激光加工机床，利用该机床可在陶瓷等高硬度材料上得到了微三维结构。11.3微型机械加工技术11.3.3微细特种加工技术微型机械装配和封装技术11.4.1概述11.4.2微机械的封装设计11.411.4.3封装工艺微机械的装配和封装技术是微机械设计与制造中的一个关键因素，是将分开制作的微机械部件连接在一起或者密封保护起来的一种技术。一个微器件无论性能多好，没有好的封装是不实用的。封装的功能主要是对微机械芯片和引线等内部结构提供支持和保护，使之不受外部环境的干扰和蚀刻破坏；更重要的是要在微机械和测试环境之间形成一个接触界面，以获取非电信号，而外部测试环境对灵敏度极高的微机械来说极为苛刻，它要有承受各方面环境影响的能力，如机械因素(应力，摆动，冲击等)、化学因素(气体，温度，蚀刻介质等)、物理因素(温度压力，加速度等)等；并且大部分微机械中都包含有可活动的元件等；上述因素大大增加了微机械封装的难度和成本，进而影响到了封装的成本，成为微机械封装技术发展的瓶颈，严重制约着微机械封装技术的迅速发展和广泛应用。目前，这一问题正在引起世界各国的极大关注。微机械的封装应满足以下要求：

(1)对微机械的芯片封装应提供一个或多个环境通路(接口)；(2)对微机械芯片，尤其是那些对应力特别敏感的微传感器，封装带来的应力应尽可能的小；(3)封装与封装材料不应对应用环境造成不良影响；(4)封装应保持微机械及其电子器件免遭不利环境的影响；11.4微型机械装配和封装技术11.4.1概述(5)封装必须提供与外界联系的通道，可通过电直接有线接触(管脚或凸点)或无线接触的方法实现。此外，多数如微传感器和执行器等的微机械器件需要有电源，可采用内置电池、外部引线或无引线的方法来实现。当前，微机械的封装是由集成电路封装技术发展、演变而来的。但是与集成电路封装相比却有很大的特殊性，不能简单地将集成电路封装技术用来直接封装微机械的产品。其特殊性体现在以下方面：(1)集成电路主要是二维结构，被限制在硅芯片表面；而微机械和微系统产品的核心元件通常是一些精密、复杂的且由不同物质、不同层所构成的三维几何构型。(2)集成电路在封装后与环境绝缘。然而，微机械的敏感元件和一些核心元件需要与工作介质接触，例如用于医学的微机械器件，要进入人体这个酸性环境，就需要特殊的保护以抗酸性腐蚀：有的气敏微机械，既要做到让敏感气体进入，又要阻止有害气体的侵蚀等。因此，微机械的封装就面临一个如何保护芯片的问题，即所谓的钝化要求(钝化要求封装的一个重要作用就是保护芯片)。(3)普通的集成电路的信号界面较单一，通常只有电信号，所以，封装的作用主要是保护芯片和完成电气相连。而微机械的输入信号界面复杂，它的输入信号根据芯片作用的不同而不同，有电信号、光信号(光电探测器)、磁信号(磁敏器件)、力学信号(压力、速度、加速度传感器)、温度信号(温度传感器)、气体成分(敏感气体探测器)等，这种复杂的信号界面给封装带来极大的困难。11.4微型机械装配和封装技术11.4.1概述(4)大多数微机械器件的外壳上需要有非电信号的通路，所以它不能简单地把微机械芯片密封在封装体里，必须留有同外界直接相连的通路，用来传递光、热、力等物理信息。对这种微机械封装，不同的器件需要不同开口的外壳。除此以外，外壳材料本身也有要求，像磁敏微机械器件，虽然可以密封在管壳里，但是它要求外壳必须是非导磁材料，常见的用铁镍合金作为引线框架的管壳就不能使用；像微耳机微机械器件则要求外壳既有开口，可以接受外界的声音，又能屏蔽电磁干扰信号，以避免其对微弱的耳机输出信号的干扰，所以普通的塑料封装就不适用。(5)随着科学技术的发展，微机械器件的使用范围越来越广，对它的要求也越来越高，尤其是可靠性问题，例如，军事和航天应用中的导弹、卫星携带设备，可靠性差将带来严重的后果。即使在民用方面，微机械器件的可靠性也可能引发严重的问题，如普通小轿车上使用的安全气囊，埋入人体内代替心脏功能的微泵等，都需要极高的可靠性，这给封装提出了更高的要求。11.4微型机械装配和封装技术11.4.1概述微机械产品的封装设计一般需要考虑以下几个方面：(1)预测环境对产品的影响，例如温度、湿度、化学毒性、振动与冲击、电磁干扰等；(2)对产品封装设计中错误操作及偶然事故的充分估计；(3)正确选择材料以保证封装的可靠性；(4)尽量减少电子引线和连接点，以使引线断裂和产生故障的可能性达到最小；(5)在组件的制造、装配、封装中所需成本。根据微机械产品的结构层次，其封装分为3个等级：芯片级封装、器件级封装、系统级封装。一、芯片级封装芯片级封装包括组装和保护微型装置中的细微元件，在封装时应注意：(1)保护芯片或其它核心元件避免塑性变形或破裂；(2)保护系统信号转换的电路；(3)对有些元件提供必要的电、磁、机械隔离，防止各类物理场之间的耦合；(4)确保系统在正常操作情况下的功能实现，以及超越情况下的系统保护的实现。此外，许多微机械产品芯片级封装涉及到引线键合技术，以实现电信号的转换和传递。11.4微型机械装配和封装技术11.4.2微机械的封装设计二、器件级封装器件级封装是组装和保护微型装置中的芯片、信号转换电路等的封装方式。对于这类封装，最大的问题是接口问题，包括以下两方面的内容：(1)微型硅片和核心元件的界面与其它封装好的部分的尺寸处理是否恰当；(2)微型元件在环境中的接口界面，尤其是考虑到如温度、压力、工作场合以及接触媒介的腐蚀性、毒性等因素。三、系统级封装系统级封装是对芯片和核心元件及主要的信号处理电路的封装。系统封装需要对电路进行电磁屏蔽，适当的振动和冲击以及热隔离。在系统级封装过程中，不同尺寸元器件的安装误差是一个重要问题。另外，接口的顺畅也必须处理妥当。11.4微型机械装配和封装技术11.4.2微机械的封装设计传统的封装工艺主要包括表面键合、引线键合、密封工艺等。一、表面键合工艺微机械器件一般具有三维几何结构，且每层由不同材料组成。在许多情况下，即使采用异向刻蚀工艺也很难制造。因此，可以先制造出不同形状的平面结构，再把这些平面结构一层层组合连接起来，获得用一般方法无法制造的三微形状的微机械。此时，键合这些不同材料时希望可以做到密封，并为芯片的隔离在封装面上提供弹性。从机理上看，微结构的表面键合方法可以分为以下几种形式：(1)粘合剂黏合。粘合剂主要用于是将芯片固定在基座上。通常使用的粘合剂有两种：环氧树脂和硅橡胶。其中环氧树脂粘结不仅为芯片的封装提供了灵活性，而且能够起到密封的作用，但它容易受到热环境的影响。粘结应该保持在玻璃化转变温度以下，这个温度一般在150~175ºC之间；硅橡胶(RPV)在室温下固化，其柔软的自然属性使得它最适合做芯片的粘结材料，并且提供最好的芯片绝缘，但这种材料的防化学侵蚀性能不太好，当它和空气接触时会剥离和脱落，因而不适合于高压应用的场合。(2)钎焊连接。加热时，钎料加热并湿润被焊材料的表面，借助于毛细管作用使液态钎料填充工作间隙，从而使工件连接起来。这种粘结有化学惰性的优点，且具有稳定的密封性。如在两个相配的表面都溅射一层几分之一微米的金膜。钎焊键合的缺点是提高温度时容易发生蠕变。(3)阳极键合。这种工艺对于使硅晶片粘合到薄玻璃或石英衬底上是可靠和有效的，它具有密封性且是一种便宜的键合方法。11.4微型机械装配和封装技术11.4.3封装工艺(4)硅熔融直接键合(SFB)。是一种在不使用中间粘合剂的情况下键合两个硅晶片的有效而可靠的技术。(5)绝缘硅(SOI)。是一种防止P-N结中电荷泄漏的工艺。它将硅键合到非结晶质的材料(如二氧化硅)上，可用硅的外延晶体生长法。(6)低温表面键合与剥离工艺。这种技术将在特殊的衬底粘上一层异质结构的薄膜或在衬底上通过外延沉积薄膜，然后通过提供机械压力把薄膜键合在基底上(受主基底)。用UV激光束穿过施主基底，将薄膜通过剥离工艺从基底上分离开来。二、引线键合引线键合的作用是从核心元件中引入和导出连接。一般引线材料为金或铝，其他的引线材料包括铜、银和钯，在工业中通常有3种引线键合技术被采用：热压引线、超声引线和热声键合。三、密封工艺密封工艺包含微壳密封、反应密封等内容。（1）微壳密封：微壳主要用来保护微机械中的精细传感或执行元件。微壳是通过硅表面微加工技术得到的。首先在被保护的芯片上沉积一层牺牲层，然后在牺牲层上沉积一层壳材料，随后通过在一个腐蚀过程去除牺牲层。于是生成与芯片有间隙且起到密封作用的微壳。（2）反应密封：这项技术依赖于特殊的化学反应来对相配的器件进行密封。把芯片放在约束基座上，首先，在芯片/约束基座上放置一个硅外壳，二者之间有一定的间隙。然后整体承受一个化学过程，在硅外壳底部和基座之间生长的二氧化硅对芯片起到了有效且可靠的密封作用。11.4微型机械装配和封装技术11.4.3封装工艺其它的封装工艺(1)倒装焊封装技术倒装焊封装技术是20世纪90年代发展起来的一种新型芯片和基板连接技术。所谓倒装焊技术指通过在芯片有源面的铝压焊块上做凸焊点，实现芯片和衬底之间的电气连接，然后将芯片倒扣，直接与基板相连方法。该法可被用于在线键合工艺，实现圆片级芯片尺寸封装(WLP-CSP)。与传统的引线键合技术相比，倒装焊封装技术的微机械具有体积小、互连密度高、短连线(芯片和衬底)和电性能好等优点，具有很大的发展潜力，它已成为微机械封装中有吸引力的选择。这种技术的芯片与衬底之间的距离或间隙，可以通过倒装片凸点的高度来精确控制。同时，由于焊球阵列(BGA)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，使电性能得到了极大提高。目前，相当多的大学与研究所(包括一些微电子公司)已开展了这方面的工作，如针对倒装焊回流过程中焊料表面氧化物的处理提出了各自的解决方法，还有的公司考虑将SBB(StudBumpBonding)技术应用于微机械封装等。不过因为导电胶和硅及基板的热膨胀系数不同，封装会导入附加应力，需采用退火等方式，减小应力。(2)多芯片封装多芯片封装(MCP)是将微机械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。同时缩短信号从微机械芯片到驱动器或执行器的距离，减小信号衰减和外界干扰的影响，是微机械封装的另一发展趋势。采用一块陶瓷或玻璃的基板，用引线键合或倒装芯片技术将传感器或控制芯片安装在一起，再把基板封装起来，完成微机械封装。显然，将已经组装在基板上的多个芯片封装在一个管壳里要比把几个小芯片分别封装在管壳里更容易，这样就提高了封装的可靠性和封装密度，还可以提高生产效率，有利于批量生产。11.4微型机械装配和封装技术11.4.3封装工艺(3)模块式微机械微机械封装成本较高的一个重要原因是没有统一标准。不同的微机械器件封装有很大差别，未能形成系列化、标准化，这不仅使微机械产品价格上升，也使其进人市场前的研发时间加长。为了克服这些缺点，德国FraunhoferIZM提出了模块式微机械(MOMEMS)的概念。MOMEMS使用标准化的外部接口，使微机械器件能使用统一的、标准化的封装批量生产，降低了成本，缩短了进入市场的时间。MOMEMS设计依赖不同的微加工和精密工程技术。对于不同结构的微机械芯片从封装后功能的实现来考虑设计，同时封装可以向三维空间自由扩展形成模块。MOMEMS的“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。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，接口数据由总线系统进行传输。五、插装元器件的封装技术(1)插装元器件封装的分类陶瓷封装：一般为气密性封装，多用于军品和可靠性要求高的电子产品中。塑料封装：属于非气密性封装，适用于工艺简单，成本低廉的大批量生产，多用于各种民用电子产品中。金属外壳封装：金属外壳一般不能直接用来安装各类元器件，大多通过陶瓷基板完成器件的安装和互连，是一种典型的混合集成电路(HIC)组装／封装技术。(2)插装元器件封装的外观结构插装元器件封装的外观结构有：圆柱形外壳封装(TO)，矩形单列直插式封装(SIP)，双列直插式封装(DIP)和针栅阵列式封装(PGA)。11.4微型机械装配和封装技术11.4.3封装工艺封装材料微机械封装材料应具备如下性质。

(1)导热性能良好，导热性是微机械封装基片材料的主要性能指标之一。

(2)线膨胀系数匹配(主要与硅和砷化镓)。若二者热膨胀系数相差较大，电子器件工作时的快速热循环易引入热应力而导致失效。

(3)高频特性良好，即低的介电常数和低的介质损耗。另外，微机械封装基片还应具有机械性能高、电绝缘性能好、化学性质稳定(对电镀处理液、布线用金属材料的腐蚀而言)、易于加工等特点。当然，在实际应用和大规模工业生产中，价格因素也是不可忽视的一个方面。常用的微机械封装材料有：陶瓷、环氧玻璃、金属。（1）陶瓷陶瓷材料是电子封装中常用的一种基片材料，其主要优点是：高的绝缘性能和优异的高频特性，具有和元器件相近的线膨胀率，很高的化学稳定性和较好的热导率(λ)，此外，陶瓷材料还具有良好的综合性能，广泛用于混合集成电路(HIC)和多芯片模件(MCM)。陶瓷封装常为多层陶瓷基片(MLC)，陶瓷基片材料主要包括三氧化二铝、氮化铝、碳化硅和氧化铍等。三氧化二铝陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷基片材料，其价格低廉，耐热冲击性和电绝缘性较好，制作和加工技术成熟，因而使用最广泛，占陶瓷基片材料的90％，。目前，三氧化二铝陶瓷基片大多采用多层基片，含氧化铝90％～99．5％，氧化铝含量越高，上述特性越好；但所需烧结温度越高，制造成本也增高。同时，三氧化二铝陶瓷热导率相对较低，限制了它在大功率集成电路中的应用。11.4微型机械装配和封装技术11.4.3封装工艺氮化铝陶瓷基片是一种新型的基片材料，具有优异的电性能和热性能，被认为是最有发展前途的高导热陶瓷基片。与三氧化二铝相比，氮化铝有较高的热导率(一般为铝陶瓷的5倍以上)，适用于高功率、高引线和大尺寸芯片；氮化铝的线膨胀系数与硅材料匹配；1MHz下介电常数约为8～10；氮化铝材质坚硬，在严酷环境条件下仍能照常工作，因此，氮化铝可以制成很薄的衬底，以满足不同封装基片的应用，但是，氮化铝陶瓷的制备工艺复杂，成本高。氧化铍陶瓷具有较高的热导率，但是其毒性和高生产成本，限制了它的生产和应用推广，在航空电子设备和卫星通信中，为了追求高导热和理想高频特性，有时也采用氧化铍陶瓷基片。（2）环氧玻璃当采用引脚封装，特别是塑料封装时，环氧玻璃是价格最便宜的一种。这种材料常用于单层、双层或多层印制板，是一种由环氧树脂和玻璃纤维(基础材料)组成的复合材料。环氧玻璃的导热性较差，电性能和线膨胀系数匹配一般，但由于其价格低廉，因而在表面安装中得到了广泛应用。11.4微型机械装配和封装技术11.4.3封装工艺（3）金属铝的热导率很高、重量轻、价格低、易加工，是最常用的封装材料，但铝的线膨胀系数与硅(4．1×10-6／K)和砷化镓(5．8×10-6／K)相差较大，器件工作时的热循环常会产生较大的应力，导致失效。铜也存在类似的问题。镍铁和铁镍钴系列合金具有很低的线膨胀系数和良好的焊接性，但电阻很大，导热能力较差，只能作为小功率整流器的散热和连接材料。钨和钼具有与硅相近的线膨胀系数，且导热性比铁镍钴合金好得多，故常用于半导体硅片的支撑材料。但由于钨、钼与硅的浸润性不好、可焊性差，常需要在表面涂敷特殊的银基合金或镍，使工艺变得复杂且可靠性差，提高了成本，增加