1、MEMS封裝技術的發展與應用1、 MEMS技術的發展狀況1.1 MEMS概述MEMS是微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文縮寫。它是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統。MEMS技術是以微電子、微機械和材料科學科學為基礎，研究、設計、制造具有特定功能的微型裝置的一門學科。MEMS器件與傳感器集成技術經過十幾年的發展，目前已相當成熟。但是封裝的制造成本目前仍是制約MEMS產品市場進一步擴大的關鍵因素。MEMS器件由于其應用環境的復雜而和很難與一般的封裝方法相適應。通常

2、，MEMS器件的封裝應滿足下列要求：1） 封裝應對傳感器芯片提供一個或多個環境接口2） 封裝對傳感器芯片，尤其是那些對應力特別敏感的傳感器帶來的應力要盡可能小3） 封裝與封裝材料不應對應用環境造成不良影響4） 封裝應保護傳感器及電子器件免遭不利環境的影響5） 封裝必須提供與外界的通道，可通過電接觸或無線的方法通常情況下，可將各種封裝方法分為三類：晶片級封裝方法、單芯片封裝和多芯片模塊與微系統封裝。1.2 封裝技術現狀1.2.1 晶片級封裝過去十幾年中晶片貼合技術備受關注，國外已經開發了多種硅-硅、玻璃-硅和玻璃-玻璃貼合方法。早期的硅-硅貼合方法只能用于較高的溫度，最近幾年不斷有低溫方法出現，

3、目前已可在120400下實現牢固而可靠的貼合。因此可采用雙極和CMOS工藝完成。玻璃-硅貼合通常采用陽極氧化。當只有一層玻璃介質層時可采用3060V的低電壓。當使用含堿量低的低熔點玻璃時，可用融化玻璃的方法實現鏡片貼合，并完全與CMOS工藝兼容，如果在實際貼合之前用熱處理的方法去除玻璃種的氣泡，就可形成密封性能極好的高真空腔。晶片-晶片貼合的其他選擇還包括采用粘結劑和易熔方法等。貼合期間在接觸點上施加壓力還可實現晶片之間的電互連。請預覽后下載！另一種晶片級封裝的方法是在一排生化傳感器上制作一些微型Si3N4帽，用于保護化學傳感器的壽命界面，從而達到延長傳感器壽命的目的。還可以在晶片上制作流量敏

4、感器和微泵的進出通道。可用晶片金屬化技術通過服飾空實現晶片有源面與背面的連接。采用這種方法可使背面接觸很容易地與有源面隔離開，芯片很容易的安裝到任何載體上或任何屏蔽中，而不會妨礙進出通道。1.2.2 單芯片封裝通常用于傳感器件和電子芯片在一塊芯片上合成的班上芯片方法。其具體工藝步驟是：首先在板上完成芯片貼合，用引線鍵合實現連接，最后在器件上涂一層塑料化合物，傳感器/制動器的有源程序區除外，應用區被限制在相對安全的環境中。對普通環境下的低成本應用而言，MEMS器件采用塑料封裝技術是一種較好的選擇，已開發出許多方法用于傳感器和制動器的轉移模封裝，同時保留至有源器件區的進出通路。盡管塑料封裝不能應用

5、于侵蝕性環境，但預計大多數傳感器都將應用于相對良好的條件下，因此塑料封裝是一種較好的選擇。在不能采用普通低成本封裝方法的情況下，仍將繼續采用在專用管殼中直接安裝裸芯片的方法。1.2.3多芯片模塊與微系統目前，由于各種應用都需將電子元件與傳感器或制動器等MEMS器件集成在一個小型模塊或位系統中，這就對專用封裝技術提出了新的挑戰。通常，采用一種技術不能達到傳感器（制動器）與電子器件集成的目的，從經濟的觀點看，在一塊芯片上合成也是不可取的，在這類情況下就需要小型多芯片模塊。工作環境的不同對封裝技術的要求也不同，因此采用的封裝方法也有所不同。如果側重多芯片集成就可采用較通用的方法，如果側重應用就要采用

6、專用方法。目前有三種比較通用的方法用于低成本微系統封裝。第一種方法是將現有的商用預成型塑料有引線芯片載體（PLCC）封裝垂直疊加起來，用于連接所有的PLCC引線。最后用激光束蒸發金，將要用的連接隔離開。第二種方法是采用一個裝有電子器件的平臺芯片，用引線鍵合或倒裝芯片技術將傳感器/制動器芯片安裝起來。該平臺連接母線、功率處理和微控制器的作用。最后可采用單芯片封裝的方法完成封裝的全過程。第三種方法是在玻璃襯底上凹槽中安裝裸芯片。先在表面上貼一層介質箔，在鍵合通路商開出窗口，然后淀積互連線，最后將窗口開至有源傳感器的制動器區。這種方法的不足是，其窗口時采用激光燒蝕制成的，因此制作成本較高，而且在介質

7、箔鍵合器件很容易對微機械機構造成損傷，因此隨著其他高性能、低制作成本技術的不斷出現，將來會逐步淘汰這一方法。請預覽后下載！1.3 MEMS的測試方法1.3.1 微機械測量對MEMS的機械運動參數如位移、速度、振幅、頻率等進行精確測量已成為MEMS發展的迫切要求。目前采用的微機械測量方法主要有電測法和光測法。電測法具有簡單實用、穩定性好、信號分析處理容易等特點，包括壓阻測試法、電容測試法、電感測試法、壓電測試法等在內的電測法在微機械測量中占有重要地位，具體應用例子有：國內研制的一種硅微機械粘滯型諧振真空計，使用了制作在懸臂梁根部的橫向壓阻器件實現單晶硅制作的懸臂梁的振動信號機電轉換；在研究微角速

8、度傳感器在不同氣壓下的振動特性時，采用電容檢測技術測量微機械角速度傳感器的振動信號等。微機械的特征尺寸一般為毫米甚至亞微米遠小于宏觀機械，微機械的動態特性很容易被測量過程干擾，光電測試法由于是非接觸測量，同時又具有分辨率好、精度高的特點，目前已成為微機械檢測領域的研究特點，一些列應用光電檢測方法的MEMS動態參數檢測儀器，如激光多普勒測振儀、頻閃顯微干涉系統、計算機微視覺系統、光纖邁克爾遜干涉儀等已投入實際應用。1.3.2 微幾何量檢測方法微幾何量測量主要是針對MEMS的微小構件的三維尺寸、三維形貌的精密測量。如何界定MEMS尺寸范圍目前沒有統一的認識，一般認為范圍在亞微米到10mm之間。微幾

9、何量測量具有以下特點：測量力引起的誤差較大；定位誤差往往較大；溫度引起的誤差較大；被測件輪廓影像易受異物的影響；衍射效應的影響大。目前，光切法、干涉法、共焦顯微干涉法等非接觸測量方法已經成為對微小構件幾何量精密測量的主要方法，其中，將計算機視覺技術與光學顯微技術相結合的微視覺測量方法越來越受到重視。1.3.4 微材料特性檢測MEMS器件的組成材料特性是影響MEMS可靠性、穩定性的重要因素，由于加工工藝、結構尺寸不同，即使是同樣的材料也會表現出不同的材料特性，因此對MEMS器件組成材料特性進行檢測具有重要意義。目前在MEMS設計、制造中比較常見的材料特性包括測量材料的斷裂模數、彈性模量、應力應變

10、、微摩擦特性等。常用的方法有：用靜態梁彎曲實驗測量材料的力學特性；用固有頻率法測量微型梁的楊氏模量；應變/位移干涉測量儀的干涉測量法、微摩擦測量方法等。2、 MEMS技術的應用需求請預覽后下載！鑒于MEMS器件具有體積小、質量輕、功耗低、可批量生產并與微型推進器相兼容的優勢，在一些空間應用領域其可實現常規飛行器和衛星上許多部件的微型化與輕量化。同時，因具有冗余設計而提高了飛行可靠性。這些優勢使其在智能化小型衛星、微型衛星、納型微型和皮型微型領域有著廣泛的應用前景。它們主要致力于數十個、上百個或上千個納米級或皮型同類衛星協同工作，在太空可組成衛星星座，編隊飛行，完成如空間硬件的構建、導航、偵察、

11、監視和通信等任務，也可以執行反導和星際作戰任務，例如著名的美國NASA與歐洲航天局的激光干涉空間天線（LISA）項目將使用基于MEMS的微推進器，計劃于2019年執行太空飛行任務。目前航天領域廣泛應用的國外MEMS器件及其技術成熟度如表1。如表1所示MEMS加速計、陀螺儀和其他專用慣性器件在保證宇航員安全和太空船導航系統在軌運行方面發揮作用已有十多年。MEMS晶振是NASA用于太空勘測的最新MEMS器件。與MEMS晶振類似，MEMS慣性器件的最大優點在于它們具有良好的抗震性以及很小的SWAP（尺寸、質量和功率的簡稱）。目前，SiTime公司已經可以生產頻率高達125MHz的MEMS晶振，是普通

12、石英晶振體積的1/2，而且正在開發在同一裸片上集成多個MEMS諧振器的芯片，以形成實現NASA超微型軟件定義無線電所需的RF濾波器組件。它可在-100+100正常工作，適合太空勘測任務。表1 航天用MEMS器件及其技術成熟度MEMS器件名稱執行飛行任務預計技術成熟度慣性導航（加速度計、陀螺儀）為NASA執行常規飛行高級壓力傳感器為運載火箭執行常規飛行高級磁力儀在立方體衛星上飛行高級原子力顯微鏡2008年執行NASA的“鳳凰”任務中高級太陽傳感器2008年執行Delfi 3C任務中高級微型流體控制器執行NASA的GeneSat衛星任務中極測輻射熱計2009年執行歐航局的Planck任務中級光學開

13、關未執行過太空任務中級推進器（離子、冷氣、膠體和固態推進劑）2006執行NASA空間技術5的任務中級請預覽后下載！熱控制器2006年執行NASA空間技術5的任務中級射頻開關和可變電容器2000年應用于繞軌皮衛星自動發射器（OPAL）中低級MEMS振蕩器未執行過太空飛行任務中低級此外，在軌飛行的還有一些納型和皮型飛行，如繞軌皮衛星自動發射器于2000年發射升空，其內含兩個皮型衛星。每個皮型衛星上裝有Rockwell公司MEMS射頻開關。當OPAL進入軌道，就把一對皮型衛星釋放到低地球軌道，每顆衛星的質量小于230g，尺寸為10.2cm X 7.6cm X 2.5cm，彼此通過30cm長的細繩連接

14、（細繩中加入幾股細金屬絲），以便地面雷達跟蹤。這對皮型衛星由美國宇航公司研制。其目的是觀測MEMS器件在經受太空環境后如何工作，當皮型衛星在低軌道運行一年，回收后仍可正常工作。3、 MEMS技術的發展趨勢3.1 晶片級封裝保護涂層、晶片鍵合、晶片電鍍及其他晶片級工藝最近不斷取得新的進展，這些進步極大地促進了全晶片級封裝概念的形成。因此，國外有許多機構和公司都在從事該技術的研究，然而微系統全晶片封裝方法并不像標準的電子封裝那么簡單和直接，通常要取決于許多因素，如貼合點上焊點的生長和淀積，隨后在印制電路板上安裝的倒裝芯片及模壓混合物的表面精飾等。目前國外已開發出尤其適合多引線數電子電路應用的各種芯

15、片尺寸的封裝技術，如管殼封裝和微型球柵陣列封裝等。大多數傳感器和制動器件不能使用標準的倒裝芯片技術，因為它們對封裝技術的要求較高。最重要的要求包括：（1） 許多傳感器和制動器需要直接和敞開的進出通路與環境相通。在印制電路板或其他載體上采用面向下的安裝方式，如倒裝芯片技術等都會擋住進出通路。因此常用背面接觸來解決這一問題；（2） 這些器件通常應用于侵蝕性（化學、生物、醫學、物理等）環境，這就意味著，為了防止退化，在最終應用中需要對背面接觸進行特殊的保護處理（3） 傳感器和制動器芯片全晶片封裝所需的額外的工藝步驟及相應的成本要比電子芯片晶片級封裝的成本高出許多。因此目前這一技術還很難與獨立封裝方法

16、競爭（4） 即使晶片級封裝技術具有一定的競爭優勢，也仍有許多因素限制它的實際應用。盡管如此，全晶片級封裝仍將是傳感器和制動器等MEMS器件封裝用的一種重要技術，且前景看好，因為采用該技術制作出的元件較小，并可滿足如進出通路、保護和電接觸等方面的所有基本要求。此外該技術易操作，并可應用于許多不同領域。但它目前離低成本、高靈活性和高性能的工藝要求仍有較大差距。請預覽后下載！3.2 單芯片封裝單個傳感器/制動器芯片封裝可采用不同的方法。當應用對封裝沒有額外的要求和限制時可采用一下比較通用的方法：（1） 板上芯片方法：采用這種方法時，先將芯片安裝到PCB或其他載體上，隨后精確分布保護材料，當有敞開的進

17、出通路通向有源芯片區時可使鍵合引線與芯片得到充分保。由于這一技術沿用了標準的電子封裝方法，因此是一項比較成熟且成本較低的技術。（2） 預成型封裝，如金屬、陶瓷、玻璃和（預模壓）塑料封裝等技術是普遍采用的封裝技術。這種方法的普及主要得益于它的簡便和易操作等特點。它允許使用標準的芯片貼合和引線鍵合工藝。盡管如此，預成型封裝的制作成本仍教較高，因而限制了它在大規模、低成本傳感器制作中的廣泛應用。對低成本應用而言傳感器采用塑料封裝技術是一個較高的選擇。例如在醫學應用中，傳感器通常是使用一次以后就要扔掉。對機械應力較敏感的器件，采用塑料封裝的作用不太明顯，這是封裝材料之間的熱膨脹系數不匹配造成的。在專用

18、封裝中直接安裝裸芯片的方法仍將在那些不能采用通用低成本方法的領域中得到廣泛應用。3.3 多芯片模塊與微系統多芯片模塊常用的低成本方法可在許多相對安全的環境中廣泛使用。侵蝕性環境如生物-醫學移植器件應用似乎更青睞于玻璃封裝的方法，因為玻璃封裝具有良好的密封性能、生物兼容性和絕緣性，允許在無線通訊中使用天線，但至今這種封裝只用于特殊器件，因此必須開發出更通用、成本更低的方法用于生物醫學領域。四、總結MEMS以及MOEMS、NEMS的研發為新的技術革命提供了大量機遇。不同的MEMS要求具體相應的封裝結構，封裝技術的特異性高，引發出大量的封裝問題亟待解決。據國外權威統計公司SPC的統計，國內MEMS的研究處于世界前八位，可批量生產MEMS力敏傳感器，研制成功MEMS光開關、RF-MEMS開關、微流體系統等多種原理樣品，從總體水平上看，與國外的差距主要體現在產業技術化上。選擇一些應用量大、面廣的MEMS及其封裝作為發展的市場切入點，形成產業，滿足市場需求，為發展其他MEMS打下基礎，摸索出規律，這樣就成功了一半，沒有一項MEMS的研發會漠視封裝技術。請預覽后下載！從國外發展趨勢看，MEMS的封裝類別一般都沿用已經標準化的IC封裝結構形式，或者加以改進來適應MEMS要求，力爭采用更多的現有IC封裝架構實現MEMS的封裝。采用新型封裝結構