MEMS的封裝

MEMS概述微機電系統（MicroelectromechanicalSystems，縮寫為MEMS）是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業技術，它的操作范圍在微米范圍內。比它更小的，在納米范圍的類似的技術被稱為納機電系統（美國稱謂）。歐洲：MST即微系統技術；日本：微機械技術（micro-machine）；

MEMS制作技術日本：微機械加工方法-大機器制造小機器；德國：LIGA技術-利用X射線光刻技術通過電鑄成型和塑鑄成型的深層微結構方法；美國化學刻蝕對Si材料進行加工而成的MEMS器件.MEMS應用區域作為微電子學與微機械學相互融合的產物，微機械電子系統將集成電路制造工藝中的硅微細加工技術和機械工業中的微機械加工技術結合起來，制造出機、電成一體甚至光、機、電成一體的新器件，有著廣闊的應用前景，例如現在一些新型的小轎車中，已裝有多種MEMS器件，像溫度傳感器、壓力傳感器、加速度計、尾氣探測器和各種控制器等。MEMSStructuresIBMMEMSDNADetectorElectrostaticRelay-UWMoreMEMSTweezersUW-MadisonAretheMicrobots”coming?Guess?MEMS封裝的重要性只有經過封裝的MEMS器件才能真正稱其為產品，才能投入使用，否則只能稱作“MEMS芯片”；目前，很多成功的MEMS芯片沒有作為產品得到實際應用的主要原因就是MEMS的封裝技術滯后于器件研究；MEMS封裝技術的發展將直接影響到MEMS產品的進一步發展和進入市場。MEMS封裝的成本MEMS封裝是MEMS系統成本的60￣90%！MEMS封裝基本概念MEMS的制備很多借助于IC的平面制作工藝，MEMS封裝的基本技術借助于傳統的IC封裝技術，包括外殼/基板的材料選擇、封裝型式、互連技術、可靠性考慮等等。MEMS封裝：–包含電、機械部件–與外界的互連–MEMS芯片的保護

系統的概念MEMS封裝的功能具有IC封裝的基本功能–機械支撐–環境保護–電連接–散熱機械支撐MEMS的本質是機械運動，所以封裝和保護首先考慮的問題包括機械震動與沖擊、加速度、顆粒以及避免各種物理損傷。封裝引起的機械應力以及對MEMS功能的影響隨應用而不同。封裝外殼/基板的熱膨脹系數是封裝中需要重點考慮的因素。–其他材料特性如熱、電、抗腐蝕等側壁和蓋板的引入環境保護及電連接非傳統的密閉封裝，只是“housing”以避免外界的損傷。環境腐蝕取決于MEMS中的材料Al易于腐蝕，Au難以腐蝕水汽是考慮的重點因素系統集成導致了電信號傳輸的問題，尤其對于RF信號。理想的零損耗是無法達到的。引線鍵合和倒裝焊技術。散熱熱阻必須減小–基板、芯片粘接層、外殼–熱導率和厚度–薄、良好鍵合MEMSMotion懸臂梁滑動內接觸旋轉：齒輪鉸鏈組合動作Sandia,UW,ADMEMS封裝技術的特殊性–特殊的信號界面（包括電、光、磁、機械力、溫度、……多種輸入信號）–特殊的外殼要求（簡單的密封已經不再適應，需要考慮不同的應用）–特殊的立體結構（非平面工藝，腔體、懸梁、薄膜、……）–特殊的芯片鈍化要求–特殊的可靠性要求PackagingChallengesMEMSdevicescanbeveryfragilepre-packagehandlingconcernsmoreprotectionbypackageMostrequirehermeticpackageMOEMS

(later)

requiresawindow&controlledatmosphere.Biggestchallenge:cost-effective,highvolumepackagingThistypeofmachinecanbeusedtoselectivelyencapsulateMEMS-onelikethisisusedoninkjetcartridges.CourtesyofSpeedlineSelectiveEncapsulationInkJet“Gun”I-TABpackageMEMSbaredieMEMSMEMS封裝的類型MEMS封裝的三個基本考慮因素：–成本、性能和可靠性

每一種MEMS器件均需要特別的封裝。基本的分類（與IC封裝類似）–金屬封裝–陶瓷封裝–塑料封裝–多層薄膜封裝PackagingMicroRelay-Cronos(HERMETIC)Accelerometer(CAP)InkJetMEMSinTABPackage(SELECTIVE)DPLModules,TI(HERMETIC)NoStandards(HERMETIC)(HERMETIC)(HERMETIC)金屬封裝實現良好的散熱和電磁屏蔽集成或者分立的基板、側壁和蓋板常用材料：–CuW(10/90)、CuMo(15/85)等；–Cu、Ag、Au鍍層AuSn焊接電容式微麥克風的封裝基板的引入陶瓷封裝小重量、易于量產、低成本

MEMS或者其他元件集成

共燒陶瓷技術厚膜技術實現層內互連

存在問題：–燒結收縮率–需要足夠的陶瓷－陶瓷界面，限制布線密度–布線材料的選擇受限制（W、Mo）

LTCC塑料封裝和多層薄膜封裝低成本層壓PI基板–25微米PI/薄膜金屬旋涂積層（Built-up）基板技術PI相對介電常數–2.8￣3.2MEMS封裝的示意圖MEMS封裝相關技術MEMS封裝中的芯片粘接TensilestrengthShearstrengthFatiguestrengthFracturetoughness(forbrittleattachmentmaterials)CTEThermalconductivityMoistureabsorptionOutgassingCost粘片過程的應力PCB基板設計PCB基板WaferlevelMEMSPackaging組裝與集成Chip-on-FlexCap-on-ChipOvermoldingMEMSIC2.Attach&bonddeviceMayrequiregelcoattoprotectthincap1.Applycaptodeviceorwafer;solder,weld,bond.3.Conventionalovermoldingfollowedbysolderballattach.Cap-on-Chip

(level-0)MEMSChipCAPVacuumSealCannowbehandledlikeanordinarydie-almost!IMEC’sGlassCapforMEMSPackaging裝配封裝示意圖前孔：進聲后孔：粘合劑揮發PCB基板：FR-4金屬管帽：鋼EncapsulantMEMSFLIPCHIPLightPipeUnderfill應用于MEMS封裝的技術Motorola’sPressureSensorMotorolaManifold-AbsolutePressure(MAP)Sensor–Afluorosiliconegelisolatesthediesurfaceandwirebondsfromtheenvironment,whileallowingthepressuretobetransferredtosensordiaphragm.國內某公司的壓力傳感器封裝將傳感器與放大電路芯片通過硅基板連接以后與外電路連通；硅基板的作用–應力緩解CapacitiveAccelerometersStationaryPolysiliconfingersBasedonADXLaccelerometers,AnalogDevices,Inc.SpringInertialMassAnchortosubstrateDisplacement鐵電微麥克風的封裝微麥克風金屬封裝從單一管芯封裝到系統封裝Applications:PassivestructuresInkjetPrinterNozzleMicro-MirrorClose-upbyTIonoffRef.“DigitalLightProcessingTMforHigh-Brightness,High-ResolutionApplications”LarryJ.Hornbeck,hbek@World’smostcomplexmachine?數字投影儀MOEMSMicro-MirrorWINDOWHEATSINKCeramicWeldorsealMEMSDigitalMirrorsonesectionHERMETICGetter250,000mirrorsAgentsthatcounteractharmfulcontaminantswithinasealedpackage;thisincludessolids,liquids,gasesandcombinations.GettersWillguardandcontrolpackageenvironmentoveranextendedtime.Particle:attractsandholds.Moisture:desiccant.Gas:adsorbs/chemicallyconvertstoliquidorsolid.Combinations.Othersarepossible.TypesofGettersWhyUseGetters?Removeharmfulagentsfromthedeviceenvironment.Controlatmosphereformanyyears.Providethemaximumsecurityandreliability;highestlifeexpectance.Protectoptics;mirrors,lensesReducewearMoistureParticleHydrogenHydrogenCombinationsAvailableGettersSummary:Applications3mainclassesofMEMSPassivestructuresSensorsActuatorsPassivestructuresMicroreservoirs(injetprinternozzle)Micro-channels(microfluidics)SensorsPressuresensorsInertialsensorsActuatorsDigitalmicromirrors(projection)Gears,transmissions,motors,pumps,valvesSomefutureapplicationsBiologicalapplications:MicrofluidicsLab-on-a-ChipMicropumpsResonantmicrobalancesMicroTotalAnalysissystemsMobilecommunications:MicromechanicalresonatorforresonantcircuitsandfiltersOpticalcommunications:OpticalswitchingMicrofluidics