第十章：MEMS封裝技術10.1

概述10.2MEMS芯片級裝配技術10.3MEMS芯片級封裝技術

10.3.1

薄膜封裝

10.3.2

微帽封裝10.4MEMS器件級封裝技術

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

微機電系統(tǒng)(microelectromechanicalsystem)簡稱MEMS，是集微型機械、微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理、智能控制于一體的一項新興的科學領域。

它將常規(guī)集成電路工藝和微機械加工獨有的特殊工藝相結合，涉及微電子學、機械設計、自動控制、材料學、光學、力學、生物學、聲學、和電磁學等多種工程技術和學科，是一門多學科的綜合技術。

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

目前，全世界有數千家個單位研制生產MEMS器件，已研究出數百種商用化產品，其中微傳感器占大部分。

當前，MEMS技術已逐步從實驗室研究走向市場，全球MEMS市場需求達到400億美元，而其帶動的相關產品的產值將以千億元計，下圖為一些典型的MEMS器件。典型MEMS器件熱驅動MEMS開關靜電驅動MEMS開關10.1.2MEMS封裝特點MEMS封裝與微電子封裝密切相關，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；但是，由于MEMS器件使用的廣泛性、特殊性和復雜性，它的封裝形式和微電子封裝有著很大的差別。對于微電子來說，封裝的功能是對芯片和引線等內部結構提供支持和保護，使之不受到外部環(huán)境的干擾和腐蝕破壞，芯片與外界是通過管腳實現電信號交互。其封裝技術與制作工藝相對獨立，具有統(tǒng)一的封裝形式。

對于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器件都包含有可動的元件，在封裝時必須留有活動空間。

由于MEMS的多樣性，各類產品的使用范圍和應用環(huán)境存在不小的差異，其封裝也沒有一個統(tǒng)一的形式，應根據具體的使用情況選擇適當的封裝，其對封裝的功能性要求則比IC封裝多。一個典型的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、光學、磁學和射頻MEMS微器件。

對于微傳感器和微執(zhí)行器，除電信號外，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氣密封，另一方面又不能全密封的情況，加大了封裝的難度。

由于這些輸入輸出的界面往往對MEMS器件的特性有較大的影響。因此，IC開發(fā)的傳統(tǒng)封裝技術只能應用于少數的MEMS產品。典型MEMS微系統(tǒng)封裝示例

此外，與微電子標準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，封裝技術還必須與相應的制作工藝兼容。

在MEMS產品中，MEMS封裝包括：完成器件后的劃片、檢測和后測試、封裝結構和形式，以及由封裝引起的機械性能變化、化學玷污、熱匹配、真空或密閉氣氛對器件可靠性、重復性的影響。

封裝必須從器件研究一開始就應該考慮，并且一定要與具體工藝相結合。因此，MEMS對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，嚴重制約著MEMS技術的迅速發(fā)展和廣發(fā)應用。

一般的MEMS封裝比集成電路封裝昂貴得多，同時在MEMS產品的制造過程中，封裝往往只能單個進行而不能大批量同時生產，因此封裝在MEMS產品的總成本中一般占據70-80%，部分產品甚至高達90%。

目前，這一問題已經引起了世界各國的極大關注，從經濟核算考慮，也應非常重視封裝問題。

從系統(tǒng)的角度看，MEMS封裝包括芯片級裝配（或稱亞零級封裝）、芯片級封裝（或稱零級封裝）、器件級封裝（或稱一零級封裝）、板級封裝（或稱二級封裝)、母版級封裝（或稱三級封裝）。

由于板級以上的封裝很大程度上可以沿用IC封裝技術，因此本章主要討論前面三個類型，即MEMS芯片級裝配、芯片級封裝和器件級封裝。10.1.3MEMS封裝的種類10.2MEMS芯片級裝配技術

MEMS芯片級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，在同一襯底上實現不同的MEMS、IC器件的機械連接和信號互連。

在裝配前，微系統(tǒng)中的每種MEMS器件以及IC均可獨立設計，通過材料和工藝優(yōu)化，達到各自的最優(yōu)性能。

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

芯片級裝配不僅完全消除了器件加工工藝不兼容對系統(tǒng)性能的影響，而且整個系統(tǒng)完全模塊化，有利于來自不同領域設計人員之間的協(xié)同。10.2.1概述

由于MEMS器件尺寸微小，對微裝配的精度要求達到了微米、亞微米級，甚至達到納米級，這對裝配工藝設計、連接方式、裝配設備、操作環(huán)境、對準方式以及操作方法都提出了非常嚴格的要求。對于MEMS器件，在整個裝配過程中可動結構的處理是一個重要的問題；拾取和放置過程中壓力的變化，以及微尺度下的表面效應，如靜電力、范德華力和表面張力的影響，都可能會導致MEMS可動結構的損傷和粘附問題。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現芯片集成。自20世紀末，微裝配技術已逐漸發(fā)展成為MEMS封裝與集成的一個重要研究領域，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

自組裝技術是通過可控制的氫鍵、范德華力、親疏水作用、表面張力、外部電場和磁場來制作所需的器件結構，實現特定功能，并可通過外力和幾何限制改變自組裝結果。

自組裝技術是一種并行加工，定位精度高，據報道可達0.2μm，旋轉錯位小于0.3度，且粘結點無需覆蓋整個表面，部件和粘附層厚度設計靈活。

但是，其方向性(z方向)，即高度方向的對準精度仍然無法有效保證，并且實現電學互連需要使用非常特殊的低溫焊料。

自組裝技術具體工藝流程如下：

(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合點；

(2)對結合點表面進行疏水處理，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)，再通過電化學還原反應使非活化區(qū)域上的SAM解吸附而失效，表面具有SAM的金圖形區(qū)域即成了活化的結合點。(3)在襯底表面涂覆一層潤滑劑，在襯底浸入水中后，潤滑劑會在已激活的結合點表面聚集成液滴，成為芯片裝配的驅動力；(4)待裝配的芯片進入水中后，芯片上疏水的一面就會與活化的結合點結合，并在表面張力的作用下，與襯底形成自對準，而潤滑劑被加熱后可以將部件永久固定在襯底上；(5)通過特殊低溫合金材料電鍍，實現裝配部件和襯底之間的電學連接。多批自組裝流程圖自組裝結果

LED與襯底的電學裝配集成10.3MEMS芯片級封裝技術

MEMS芯片級封裝主要功能是為MEMS器件提供必要的微機械結構支撐、保護、隔離和與其他系統(tǒng)的電氣連接，以提高芯片的機械強度和抗外界沖擊的能力，確保系統(tǒng)在相應的環(huán)境中更好地發(fā)揮其功能。該類封裝通常是在圓片級實現，所以又稱為圓片級封裝(waferlevelpackage)。圓片級封裝一次可以同時封裝許多個微傳感器和執(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。10.3.1概述

MEMS圓片級封裝

MEMS圓片級氣密性封裝目前有兩種主要的實現方式：薄膜封裝和基于圓片鍵合的微帽封裝。10.3.2MEMS圓片級氣密性封裝方式MEMS圓片級氣密性封裝兩種方式

薄膜封裝是基于犧牲層腐蝕技術，其步驟如下：(1)在器件完成之后，在需要保護的部分上覆蓋一層較厚的犧牲層；(2)生長一層低應力氮化硅等薄膜作為封裝外殼，并進行光刻形成腐蝕通道或小孔；(3)腐蝕液通過腐蝕通道或小孔去除犧牲層，這樣就在器件上方形成一個空腔；(4)最后用薄膜淀積或者機械的方法將腐蝕通道封閉，就完成了結構的氣密封裝。1.薄膜封裝

薄膜封裝所使用的工藝完全在超凈間內實現，與大多數MEMS工藝尤其是表面微機械加工工藝完全兼容，可以與器件加工一并進行工藝集成，所占據的芯片面積相對較小，但是工藝的實現尚存在若干問題：

(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)設計，其犧牲層釋放的過程往往長達數天，長時間的釋放可能會損壞芯片上的MEMS器件和電路結構。

(2)薄膜的厚度

外部環(huán)境對MEMS敏感元件來說都是非?？量蹋∧し庋b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，比如機械的(應力、擺動、沖擊等)、化學的(氣體、濕度、腐蝕介質等)、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，通常只能達到幾個微米，造成封裝的強度不夠。(3)封口技術

使用薄膜淀積的方法封口不容易形成臺階覆蓋，但腐蝕通道必須設計得非常小(通常只有幾百納米)；腐蝕通道越小，封口越容易，但是犧牲層腐蝕時間將數十倍地增加；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用的設備，而且只能手工逐個加工，失去了圓片級封裝的優(yōu)勢。

微帽封裝是在圓片鍵合技術的基礎上發(fā)展起來的，帶有微器件的圓片與另一塊經腐蝕帶有空腔的圓片經過鍵合。

該鍵合方式在微器件上產生一個帶有密封空腔的保護體，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構免受污染，同時也可以避免劃片時器件遭到損壞。

圓片鍵合技術實現微封裝的關鍵，目前大致可以分為三類：硅片直接鍵合、陽極鍵合和中間層輔助鍵合。2.微帽封裝

又稱硅片熔融鍵合(siliconfusionbonding)，這種技術不用粘合劑，在800-10000C，經過若干小時將兩片拋光的硅片鍵合起來，其鍵合強度隨溫度升高而增強，界面氣密性和穩(wěn)定性非常好。

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

通常，經過多道工序加工的MEMS硅片表面粗糙度無法滿足其要求，而且直接鍵合使用的高溫也會對電路和MEMS器件帶來損壞。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

又稱靜電鍵合，這種技術將玻璃與金屬或硅等半導體鍵合起來，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相近，硅片上氧化層需要小于0.2μm。

這種技術可以在真空下進行，是當前比較流行的一種封裝方式。(2)陽極鍵合(anodicbonding)

中間層輔助鍵合是近年來研究的一個熱點，它基本上不依賴于襯底的材料，可以方便的實現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，它利用金硅共晶點低的特點，以金作為中間層實現圓片間的鍵合，具有較好的氣密性和強度。金硅合金的共晶點為3630C，此時硅與金的原子個數比約為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，另一方面還需要調整金的厚度，優(yōu)化鍵合參數，提高工藝的重復性，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)點是溫度低，與MEMS和CMOS工藝完全兼容，成本低，不需要復雜的設備，實現簡單；缺點是無法提供氣密性封裝，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，焊料在共晶熔點熔融并回流，同時在表面張力作用下形成自對準，經過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器件級封裝技術

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

劃片是器件封裝的第一個步驟，它將圓片分離成單個芯片，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行粘合，保證硅片在劃片過程中保持在薄膜上，同時其粘接劑強度也不能太高，保證在后續(xù)的拾取操作中可以容易地進行分離。對于具有可動結構的MEMS器件，這一點尤為重要。1.劃片

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

貼片的關鍵因素是正確地拾取組件、定位的精度和重復性，貼片的力度、停留的時間和生產量。

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

MEMS芯片支撐結構的材料和形式多種多樣，MEMS芯片可以安裝在金屬引線框架、