第九章-MEMS封裝技術(shù)

第十章：MEMS封裝技術(shù)10.1

概述10.2MEMS芯片級(jí)裝配技術(shù)10.3MEMS芯片級(jí)封裝技術(shù)

10.3.1

薄膜封裝

10.3.2

微帽封裝10.4MEMS器件級(jí)封裝技術(shù)

10.4.1

劃片

10.4.2

拾取和定位

10.4.3

引線框架和基片材料

10.4.4

芯片貼片

10.4.5互連

10.4.6密封和鈍化

10.4.7管殼

10.1概述

微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanicalsystem)簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS，是集微型機(jī)械、微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理、智能控制于一體的一項(xiàng)新興的科學(xué)領(lǐng)域。

它將常規(guī)集成電路工藝和微機(jī)械加工獨(dú)有的特殊工藝相結(jié)合，涉及微電子學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、材料學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)、聲學(xué)、和電磁學(xué)等多種工程技術(shù)和學(xué)科，是一門(mén)多學(xué)科的綜合技術(shù)。

MEMS研究的主要內(nèi)容包括微型傳感器、微型執(zhí)行器、和各類(lèi)微系統(tǒng)，現(xiàn)已成為世界各國(guó)投入大量資金研究的熱點(diǎn)。10.1.1MEMS定義

目前，全世界有數(shù)千家個(gè)單位研制生產(chǎn)MEMS器件，已研究出數(shù)百種商用化產(chǎn)品，其中微傳感器占大部分。

當(dāng)前，MEMS技術(shù)已逐步從實(shí)驗(yàn)室研究走向市場(chǎng)，全球MEMS市場(chǎng)需求達(dá)到400億美元，而其帶動(dòng)的相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)值將以千億元計(jì)，下圖為一些典型的MEMS器件。典型MEMS器件熱驅(qū)動(dòng)MEMS開(kāi)關(guān)靜電驅(qū)動(dòng)MEMS開(kāi)關(guān)10.1.2MEMS封裝特點(diǎn)MEMS封裝與微電子封裝密切相關(guān)，早期的MEMS封裝基本上沿用了傳統(tǒng)微電子封裝的工藝和技術(shù)；但是，由于MEMS器件使用的廣泛性、特殊性和復(fù)雜性，它的封裝形式和微電子封裝有著很大的差別。對(duì)于微電子來(lái)說(shuō)，封裝的功能是對(duì)芯片和引線等內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供支持和保護(hù)，使之不受到外部環(huán)境的干擾和腐蝕破壞，芯片與外界是通過(guò)管腳實(shí)現(xiàn)電信號(hào)交互。其封裝技術(shù)與制作工藝相對(duì)獨(dú)立，具有統(tǒng)一的封裝形式。

對(duì)于MEMS封裝，除了要具備以上功能以外，封裝還需要給器件提供必要的工作環(huán)境，大部分MEMS器件都包含有可動(dòng)的元件，在封裝時(shí)必須留有活動(dòng)空間。

由于MEMS的多樣性，各類(lèi)產(chǎn)品的使用范圍和應(yīng)用環(huán)境存在不小的差異，其封裝也沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的形式，應(yīng)根據(jù)具體的使用情況選擇適當(dāng)?shù)姆庋b，其對(duì)封裝的功能性要求則比IC封裝多。一個(gè)典型的MEMS微系統(tǒng)封裝不僅包含了IC電路，還包含了工作傳感器、執(zhí)行器、生物、流體、化學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)和射頻MEMS微器件。

對(duì)于微傳感器和微執(zhí)行器，除電信號(hào)外，芯片還有其他物理信息要與外界連接，如光、聲、力、磁等，這樣便要求一方面要?dú)饷芊猓硪环矫嬗植荒苋芊獾那闆r，加大了封裝的難度。

由于這些輸入輸出的界面往往對(duì)MEMS器件的特性有較大的影響。因此，IC開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)封裝技術(shù)只能應(yīng)用于少數(shù)的MEMS產(chǎn)品。典型MEMS微系統(tǒng)封裝示例

此外，與微電子標(biāo)準(zhǔn)化的芯片制造工藝不同，MEMS器件由于其空間拓展到三維，不同的器件制作工藝也多種多樣，封裝技術(shù)還必須與相應(yīng)的制作工藝兼容。

在MEMS產(chǎn)品中，MEMS封裝包括：完成器件后的劃片、檢測(cè)和后測(cè)試、封裝結(jié)構(gòu)和形式，以及由封裝引起的機(jī)械性能變化、化學(xué)玷污、熱匹配、真空或密閉氣氛對(duì)器件可靠性、重復(fù)性的影響。

封裝必須從器件研究一開(kāi)始就應(yīng)該考慮，并且一定要與具體工藝相結(jié)合。因此，MEMS對(duì)封裝的需求是多方面的，如下圖所示。

MEMS封裝的需求

正是MEMS器件這些特殊的要求，大大增加了封裝的難度和成本，封裝成為MEMS發(fā)展的瓶頸，嚴(yán)重制約著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展和廣發(fā)應(yīng)用。

一般的MEMS封裝比集成電路封裝昂貴得多，同時(shí)在MEMS產(chǎn)品的制造過(guò)程中，封裝往往只能單個(gè)進(jìn)行而不能大批量同時(shí)生產(chǎn)，因此封裝在MEMS產(chǎn)品的總成本中一般占據(jù)70-80%，部分產(chǎn)品甚至高達(dá)90%。

目前，這一問(wèn)題已經(jīng)引起了世界各國(guó)的極大關(guān)注，從經(jīng)濟(jì)核算考慮，也應(yīng)非常重視封裝問(wèn)題。

從系統(tǒng)的角度看，MEMS封裝包括芯片級(jí)裝配（或稱(chēng)亞零級(jí)封裝）、芯片級(jí)封裝（或稱(chēng)零級(jí)封裝）、器件級(jí)封裝（或稱(chēng)一零級(jí)封裝）、板級(jí)封裝（或稱(chēng)二級(jí)封裝)、母版級(jí)封裝（或稱(chēng)三級(jí)封裝）。

由于板級(jí)以上的封裝很大程度上可以沿用IC封裝技術(shù)，因此本章主要討論前面三個(gè)類(lèi)型，即MEMS芯片級(jí)裝配、芯片級(jí)封裝和器件級(jí)封裝。10.1.3MEMS封裝的種類(lèi)10.2MEMS芯片級(jí)裝配技術(shù)

MEMS芯片級(jí)裝配是一種新穎而有效的微系統(tǒng)集成方法，其主要功能是芯片封裝之前，在同一襯底上實(shí)現(xiàn)不同的MEMS、IC器件的機(jī)械連接和信號(hào)互連。

在裝配前，微系統(tǒng)中的每種MEMS器件以及IC均可獨(dú)立設(shè)計(jì)，通過(guò)材料和工藝優(yōu)化，達(dá)到各自的最優(yōu)性能。

在完成各部件加工后，通過(guò)微裝配技術(shù)將各MEMS器件和IC定位于襯底相應(yīng)的功能區(qū)，并完成機(jī)械和電學(xué)的互連，形成功能更為復(fù)雜的微系統(tǒng)。

芯片級(jí)裝配不僅完全消除了器件加工工藝不兼容對(duì)系統(tǒng)性能的影響，而且整個(gè)系統(tǒng)完全模塊化，有利于來(lái)自不同領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員之間的協(xié)同。10.2.1概述

由于MEMS器件尺寸微小，對(duì)微裝配的精度要求達(dá)到了微米、亞微米級(jí)，甚至達(dá)到納米級(jí)，這對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)、連接方式、裝配設(shè)備、操作環(huán)境、對(duì)準(zhǔn)方式以及操作方法都提出了非常嚴(yán)格的要求。對(duì)于MEMS器件，在整個(gè)裝配過(guò)程中可動(dòng)結(jié)構(gòu)的處理是一個(gè)重要的問(wèn)題；拾取和放置過(guò)程中壓力的變化，以及微尺度下的表面效應(yīng)，如靜電力、范德華力和表面張力的影響，都可能會(huì)導(dǎo)致MEMS可動(dòng)結(jié)構(gòu)的損傷和粘附問(wèn)題。目前，很多研究致力于在液體環(huán)境下使用自組裝的方法實(shí)現(xiàn)芯片集成。自20世紀(jì)末，微裝配技術(shù)已逐漸發(fā)展成為MEMS封裝與集成的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，直接影響微系統(tǒng)的可靠性、功能和成本。10.2.2自組裝技術(shù)

自組裝技術(shù)是通過(guò)可控制的氫鍵、范德華力、親疏水作用、表面張力、外部電場(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)制作所需的器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)特定功能，并可通過(guò)外力和幾何限制改變自組裝結(jié)果。

自組裝技術(shù)是一種并行加工，定位精度高，據(jù)報(bào)道可達(dá)0.2μm，旋轉(zhuǎn)錯(cuò)位小于0.3度，且粘結(jié)點(diǎn)無(wú)需覆蓋整個(gè)表面，部件和粘附層厚度設(shè)計(jì)靈活。

但是，其方向性(z方向)，即高度方向的對(duì)準(zhǔn)精度仍然無(wú)法有效保證，并且實(shí)現(xiàn)電學(xué)互連需要使用非常特殊的低溫焊料。

自組裝技術(shù)具體工藝流程如下：

(1)在硅襯底上采用剝離的方法完成金的圖形化，金表面為芯片裝配的結(jié)合點(diǎn)；

(2)對(duì)結(jié)合點(diǎn)表面進(jìn)行疏水處理，使之活化；

具體的操作是先在金表面吸附一層疏水的單分子自組裝膜(SAM)，再通過(guò)電化學(xué)還原反應(yīng)使非活化區(qū)域上的SAM解吸附而失效，表面具有SAM的金圖形區(qū)域即成了活化的結(jié)合點(diǎn)。(3)在襯底表面涂覆一層潤(rùn)滑劑，在襯底浸入水中后，潤(rùn)滑劑會(huì)在已激活的結(jié)合點(diǎn)表面聚集成液滴，成為芯片裝配的驅(qū)動(dòng)力；(4)待裝配的芯片進(jìn)入水中后，芯片上疏水的一面就會(huì)與活化的結(jié)合點(diǎn)結(jié)合，并在表面張力的作用下，與襯底形成自對(duì)準(zhǔn)，而潤(rùn)滑劑被加熱后可以將部件永久固定在襯底上；(5)通過(guò)特殊低溫合金材料電鍍，實(shí)現(xiàn)裝配部件和襯底之間的電學(xué)連接。多批自組裝流程圖自組裝結(jié)果

LED與襯底的電學(xué)裝配集成10.3MEMS芯片級(jí)封裝技術(shù)

MEMS芯片級(jí)封裝主要功能是為MEMS器件提供必要的微機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐、保護(hù)、隔離和與其他系統(tǒng)的電氣連接，以提高芯片的機(jī)械強(qiáng)度和抗外界沖擊的能力，確保系統(tǒng)在相應(yīng)的環(huán)境中更好地發(fā)揮其功能。該類(lèi)封裝通常是在圓片級(jí)實(shí)現(xiàn)，所以又稱(chēng)為圓片級(jí)封裝(waferlevelpackage)。圓片級(jí)封裝一次可以同時(shí)封裝許多個(gè)微傳感器和執(zhí)行器，提高了MEMS前后道工序協(xié)作的效益，是目前MEMS封裝研究中的熱點(diǎn)。10.3.1概述

MEMS圓片級(jí)封裝

MEMS圓片級(jí)氣密性封裝目前有兩種主要的實(shí)現(xiàn)方式：薄膜封裝和基于圓片鍵合的微帽封裝。10.3.2MEMS圓片級(jí)氣密性封裝方式MEMS圓片級(jí)氣密性封裝兩種方式

薄膜封裝是基于犧牲層腐蝕技術(shù)，其步驟如下：(1)在器件完成之后，在需要保護(hù)的部分上覆蓋一層較厚的犧牲層；(2)生長(zhǎng)一層低應(yīng)力氮化硅等薄膜作為封裝外殼，并進(jìn)行光刻形成腐蝕通道或小孔；(3)腐蝕液通過(guò)腐蝕通道或小孔去除犧牲層，這樣就在器件上方形成一個(gè)空腔；(4)最后用薄膜淀積或者機(jī)械的方法將腐蝕通道封閉，就完成了結(jié)構(gòu)的氣密封裝。1.薄膜封裝

薄膜封裝所使用的工藝完全在超凈間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，與大多數(shù)MEMS工藝尤其是表面微機(jī)械加工工藝完全兼容，可以與器件加工一并進(jìn)行工藝集成，所占據(jù)的芯片面積相對(duì)較小，但是工藝的實(shí)現(xiàn)尚存在若干問(wèn)題：

(1)犧牲層材料的選擇

考慮到后續(xù)密閉工藝的困難，腐蝕通道比較小，通常至少有一維的尺度小于1μm；如果使用普通的PSG常規(guī)設(shè)計(jì)，其犧牲層釋放的過(guò)程往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)天，長(zhǎng)時(shí)間的釋放可能會(huì)損壞芯片上的MEMS器件和電路結(jié)構(gòu)。

(2)薄膜的厚度

外部環(huán)境對(duì)MEMS敏感元件來(lái)說(shuō)都是非?？量?，薄膜封裝要有承受器件工作或者后續(xù)加工中各種環(huán)境影響的能力，比如機(jī)械的(應(yīng)力、擺動(dòng)、沖擊等)、化學(xué)的(氣體、濕度、腐蝕介質(zhì)等)、物理的(溫度、壓力、加速度等)，這就要求薄膜必須有一定的厚度。而使用傳統(tǒng)的LPCVD的方法淀積的薄膜不可能做得很厚，通常只能達(dá)到幾個(gè)微米，造成封裝的強(qiáng)度不夠。(3)封口技術(shù)

使用薄膜淀積的方法封口不容易形成臺(tái)階覆蓋，但腐蝕通道必須設(shè)計(jì)得非常小(通常只有幾百納米)；腐蝕通道越小，封口越容易，但是犧牲層腐蝕時(shí)間將數(shù)十倍地增加；較大的腐蝕通道需要使用激光焊接，超聲焊接，熱阻焊或者錫焊球加以封閉，這些方法必須使用專(zhuān)用的設(shè)備，而且只能手工逐個(gè)加工，失去了圓片級(jí)封裝的優(yōu)勢(shì)。

微帽封裝是在圓片鍵合技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，帶有微器件的圓片與另一塊經(jīng)腐蝕帶有空腔的圓片經(jīng)過(guò)鍵合。

該鍵合方式在微器件上產(chǎn)生一個(gè)帶有密封空腔的保護(hù)體，使得微器件處于密閉或真空環(huán)境中。使用體材料鍵合可以有效地保證晶片的清潔和結(jié)構(gòu)免受污染，同時(shí)也可以避免劃片時(shí)器件遭到損壞。

圓片鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)微封裝的關(guān)鍵，目前大致可以分為三類(lèi)：硅片直接鍵合、陽(yáng)極鍵合和中間層輔助鍵合。2.微帽封裝

又稱(chēng)硅片熔融鍵合(siliconfusionbonding)，這種技術(shù)不用粘合劑，在800-10000C，經(jīng)過(guò)若干小時(shí)將兩片拋光的硅片鍵合起來(lái)，其鍵合強(qiáng)度隨溫度升高而增強(qiáng)，界面氣密性和穩(wěn)定性非常好。

要使鍵合良好，硅片表面需先經(jīng)特殊處理以保證非常平整，沒(méi)有任何顆粒，并且氧化層要盡量薄。

通常，經(jīng)過(guò)多道工序加工的MEMS硅片表面粗糙度無(wú)法滿足其要求，而且直接鍵合使用的高溫也會(huì)對(duì)電路和MEMS器件帶來(lái)?yè)p壞。所以，硅片直接鍵合大多用于制作SOI圓片而不用于直接封裝MEMS硅片。(1)硅片直接鍵合(silicondirectbonding)硅片熔融鍵合

又稱(chēng)靜電鍵合，這種技術(shù)將玻璃與金屬或硅等半導(dǎo)體鍵合起來(lái)，不用任何粘合劑，鍵合界面氣密性和穩(wěn)定性很好。一般的鍵合條件：硅片接陽(yáng)極，玻璃接陰極，溫度為300-4000C，偏壓500-1000V。

要形成良好的鍵合，硅片和玻璃的表面粗糙度要盡可能小，表面顆粒盡可能少，并且兩種圓片的材料熱膨脹系數(shù)相近，硅片上氧化層需要小于0.2μm。

這種技術(shù)可以在真空下進(jìn)行，是當(dāng)前比較流行的一種封裝方式。(2)陽(yáng)極鍵合(anodicbonding)

中間層輔助鍵合是近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，它基本上不依賴(lài)于襯底的材料，可以方便的實(shí)現(xiàn)不同材料圓片的粘接。按中間層使用的材料不同，可以分為以下三種：

1)共晶鍵合

其代表為金硅鍵合，它利用金硅共晶點(diǎn)低的特點(diǎn)，以金作為中間層實(shí)現(xiàn)圓片間的鍵合，具有較好的氣密性和強(qiáng)度。金硅合金的共晶點(diǎn)為3630C，此時(shí)硅與金的原子個(gè)數(shù)比約為20%：80%。

要形成良好的鍵合，一方面必須盡量減小硅片表面氧化層的厚度，另一方面還需要調(diào)整金的厚度，優(yōu)化鍵合參數(shù)，提高工藝的重復(fù)性，避免在界面形成金硅化合物顆粒(3)中間層輔助鍵合(intermediatelayerbonding)2)不導(dǎo)電材料鍵合

中間層可以是苯丙環(huán)丁稀(BCB)、聚酰亞胺(polyimide)、SU-8膠、甚至AZ系列厚膠。優(yōu)點(diǎn)是溫度低，與MEMS和CMOS工藝完全兼容，成本低，不需要復(fù)雜的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是無(wú)法提供氣密性封裝，鍵合的穩(wěn)定性一般，并且給封裝后的各步工藝帶來(lái)了很多限制。3)焊接鍵合

這種方法使用合適的合金焊料作為中間層，焊料在共晶熔點(diǎn)熔融并回流，同時(shí)在表面張力作用下形成自對(duì)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)迅速冷卻后完成鍵合。

合金焊料不僅具有優(yōu)良的氣密性，而且還具有很低的電阻率，可以形成良好的電學(xué)互連；合金焊料材料選擇多，與CMOS電路兼容。但是這種方法用于MEMS封裝尚未成熟，其工藝窗口比較小，組分不容易控制。10.4MEMS器件級(jí)封裝技術(shù)

MEMS器件級(jí)封裝技術(shù)沿用了IC一級(jí)封裝的部分工藝，大致也可分劃分為劃片、貼片、互連、保護(hù)等幾個(gè)步驟，如下圖所示，下面將分別介紹：MEMS器件級(jí)封裝基本步驟

劃片是器件封裝的第一個(gè)步驟，它將圓片分離成單個(gè)芯片，在切割之前，要將圓片安放在外形框架上。

通常圓片放置在聚酯薄膜上，圓片與薄膜之間用粘接劑進(jìn)行粘合，保證硅片在劃片過(guò)程中保持在薄膜上，同時(shí)其粘接劑強(qiáng)度也不能太高，保證在后續(xù)的拾取操作中可以容易地進(jìn)行分離。對(duì)于具有可動(dòng)結(jié)構(gòu)的MEMS器件，這一點(diǎn)尤為重要。1.劃片

拾取和貼片通常是利用可編程的精密機(jī)械，用機(jī)械手臂拾取芯片，將其移動(dòng)到基板或框架上的一個(gè)定點(diǎn)，以正確的方式貼放于正確的位置。

貼片的關(guān)鍵因素是正確地拾取組件、定位的精度和重復(fù)性，貼片的力度、停留的時(shí)間和生產(chǎn)量。

拾取元件一般是采用真空負(fù)壓的吸嘴吸住元件，割離的芯片被取出，轉(zhuǎn)正面向上并貼在基板上。2.拾取和貼片

MEMS芯片支撐結(jié)構(gòu)的材料和形式多種多樣，MEMS芯片可以安裝在金屬引線框架、