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MEMS封装技术的现状 |
2014/1/7 16:00:42 |
MEMS封装的难点
MEMS封装的重要目的是确保系统在相应的环境中更好的发挥其功能。为了达到这一点，封装形式应保证其良好的机械性与热传递性能、优良的电器联结性能和长期工作的稳定性，只有这样，才能保证MEMS的正常应用。
目前的MEMS封装技术大都是由微电子(集成电路)封装技术发展演变而来，但是和微电子封装又有着很大的差别。微电子封装已经有明确的封装规范，而MEMS因为使用的特殊性和复杂性，使它的封装不能简单地套用微电子封装技术。因此，MEMS的封装成为MEMS技术发展的一个难点。
复杂的信号界面
MEMS的输入信号界面十分复杂，根据应用的不同会有力(压力传感器)、光(光电探测器)、磁(磁敏元件)、热(温度传感器)、化(敏感气体探测器)等一种甚至多种信号的输入，会给封装带来很大的难度。
三维结构
MEMS芯片毫米到微米极的三维微结构，有的带有腔体，有的带有悬梁，有的带有深槽、有的是微镜等可动结构，尺寸小、强度低，很容易因为接触造成损坏或是因暴露而被玷污。
特殊的外壳要求
MEMS芯片的外壳需要留有开口用来感受外界的光、热、力等物理信号。不同的用途，就要采用不同的外壳材料和外壳形状。
MEMS封装技术
3D封装
由于工程中MEMS具有复杂的3D结构，且在现今高密度组装、小型化、轻型化和薄型化的趋势下，对于有限的面积，封装工艺必然在2D基础上向Z方向发展，这就是3D封装。3D封装形式主要有三个：
埋置型。将MEMS元器件埋置在基板多层布线内或埋置、制作在基板内部。
有源基板型。指用硅圆片IC做基板，先将圆片用一般半导体IC制作方法作一次元器件集成，做成有源基板，然后再实施多层布线，顶层仍安装各种其他芯片和元器件，从而实现3D封装。这种封装方式用于较复杂及附加电路较多的MEMS传感器的3D封装中。
叠层式。把两个或多个裸片或封装芯片在垂直于芯片的方向上互连成3D结构。推广开来，可将已经过单面或双面组装的MCM叠装在一起，然后进行上、下多层互连，或者将多个圆片叠在一起形成3D结构，然后再进行互连以完成3D封装。
倒装焊技术
倒装焊（FCB）是将芯片的正面朝下，并与封装基板键合的一种封装方式。焊接时在芯片有源面的铝压焊块上做出凸起的焊点，然后将芯片倒扣，直接与基板连接。由于芯片与基板直接相连，倒装焊实现了封装的小型化、轻便化，缩小了封装后器件的体积和重量。由于凸点可以布满整个管芯，所以有效增加了I/O互连密度。因连线缩短，引线电感减小，串扰变弱，信号传输时间缩短，所以电性能大为改善。鉴于其本身的一系列优点，它已经成为MEMS封装中颇有吸引力的一种选择。
从几何层面上看，倒装芯片面向下组装，为光信号提供了直线通路，故非常适合光MEMS器件的设计和封装。同时由物理层面上看，倒装芯片给 MEMS器件提供了热力载体。此外，因为倒装焊对芯片与基板具有很强的适应性，所以非常适用于 MEMS器件的热设计中。
多芯片组件技术
多芯片组件（MCM）是电子封装技术的一大突破，属于系统级封装。MCM是指一个封装体中包含两个或两个以上的芯片，它们通过基板互连起来，共同构成整个系统的封装形式。MCM为组件中的各个芯片（构件）提供信号互连、I/O管理、热控制、机械支撑和环境保护等。MCM提供了一种诱人的集成和封装MEMS器件的途径，它具有在同一衬底上支持多种芯片的能力，而不需要改变MEMS和电路的制造工艺，其性能可以优化而无需做出妥协。事实上，基于MCM技术的MEMS封装不但完全能够替代传统的单芯片封装结构，而且明显提高了MEMS器件的性能和可靠性。
单芯片封装技术
单芯片封装（SCP）属于器件级封装的范畴。所谓单芯片封装，指在一块芯片上制作保护层，将易损坏的元器件和电路屏蔽起来，避免环境对其造成不利的影响，并制作有源传感器／制动器的通路，实现与外部的电接触，以满足器件对电、机械、热和化学等方面的技术要求。
圆片级封装技术
圆片级封装的主要目的是保护芯片或其他核心元器件，避免塑性变形或破裂，保护系统信号转换电路，对部分元器件提供必要的电和机械隔离等。许多MEMS器件需要进行晶片键合，制作出电极及紧凑的腔体。另外，晶片键合还完成了一级封装。
在硅-玻璃阳极键合法中，通常将硅片放置在薄玻璃衬底的顶部，在高温和外加电场的影响下，玻璃中的钠离子迁移硅-玻璃边界处产生静电场，静电场的吸引力在分界面生成非常坚固的连接。在极间施加电压200～1000V（视玻璃厚度而定），键合温度180～500℃，玻璃键合强度可达到玻璃或者硅本身强度量级甚至更高。硅-硅互连可以利用阳极键合来实现，但需要中间夹层，在其中一个抛光硅片上沉积2～4μm 7740#玻璃膜，电流密度保持为10 A/m2，温度稳定在450～550℃，即可实现良好的连接，键合强度同样可以达到硅或者绝缘体自身的强度量级，而且气密性能良好。
封装材质
不同的MEMS器件对封装材料的要求也不同，目前用于MEMS封装的主要材料有陶瓷、塑料和金属等。概括地说，MEMS对封装材料有如下要求：
封装材料的电导率要低，以降低电信号的传送干扰；
传热性要好，对某些应用需要散热，而另一些应用（如热传感器）则要求与外界温度保持一致；
密封性要好，对一些微机械结构来说，空气中的某些气体成分对其有腐蚀作用，且杂质也会影响MEMS的正常工作，因而此时要求封装材料有良好的密封性能，以保证器件的高可靠性。
金属基复合材料封装
在电子封装包括MEMS封装领域，得到最广泛应用的金属基复合材料当属Al/Si Cp。与其他的封装材料相比，金属基复合材料有下列优点：
通过改变增强体的种类、排列方式或改变基体的合金成分，或改变热处理工艺等，来实现材料的物理性能设计。改变或调整基体成分将在两方面影响材料的性能：一是对基体本身热物理的影响，二是对基体与增强体界面结合状况的影响。通过改变热处理工艺，同样通过改变基体与增强体的界面结合状况，进而影响材料的热性能。
该类材料热膨胀系数较低，既能做到与电子元器件材料的热膨胀系数相匹配，又具有高导热性和低密度。
材料制备灵活，生产费用不高，价格正在不断地降低
塑料封装材料
在同样的封装效果下，塑料封装的低成本优势非常明显。但是，塑料封装不能实现气密性封装。塑料封装采用的两种封装方法是预成型和后成型。预成型是指塑料壳体在MEMS芯片安装到引线框架前制成；而在后成型塑料封装中，塑料壳体在MEMS芯片安装到引线框架后形成，这会造成MEMS芯片和键合引线遭受恶劣制模环境的影响。
塑料封装中90%以上使用环氧树脂或经过硫化处理的环氧树脂。环氧树脂除成本低的优势外，还具有成型工艺简单、适合于大规模生产、可靠性与金属或陶瓷材料相当等优点。另外，经过硫化处理的环氧树脂还具有较快的固化速度、较低的固化温度和吸湿性、较高的抗湿性和耐热性等特点。
陶瓷封装材料
陶瓷是硬脆性材料，具有很高的杨氏模量。作为一种封装材料，陶瓷有良好的可靠性、可塑性且易密封。此外，陶瓷具有较高的绝缘性能和优异的高频特性，其线性膨胀系数与电子元器件的非常相近，化学性能稳定且热导率高，被广泛用于多芯片组件（MCM）、焊球阵列（BGA）等封装中。但唯一不足的是陶瓷封装的成本较高。
一般情况下，陶瓷封装用粘接剂或焊料将一个或多个芯片安装在陶瓷底板或管座上。采用倒装焊方式与陶瓷金属图形层进行键合，可以实现良好的封装。当芯片与陶瓷键合后再作最后一道工序，对封装体进行封盖密封，同时提供合适的电气连接，封盖形状和特性由实际使用要求来决定。
结语
封装是MEMS从研究走向应用的关键一步，只有已封装的MEMS器件才能成为实用的产品。随着MEMS应用的日益广泛，MEMS芯片研究的日益成熟，低成本、高性能的封装方法已经成为MEMS领域的一个重要的研究可以。 |
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