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MEMS封裝技術(shù)的現(xiàn)狀

　　MEMS封裝的難點(diǎn)MEMS封裝的重要目的是確保系統(tǒng)在相應(yīng)的環(huán)境中更好的發(fā)揮其功能。為了達(dá)到這一點(diǎn)，封裝形式應(yīng)保證其良好的機(jī)械性與熱傳遞性能、優(yōu)良的電器聯(lián)結(jié)性能和長期工作的穩(wěn)定性，只有這樣，才能保證MEMS的正常應(yīng)用。目前的MEMS封裝技術(shù)大都是由微電子(集成電路)封裝技術(shù)發(fā)展演變而來，但是和微電子封裝又有著很大的差別。微電子封裝已經(jīng)有明確的封裝規(guī)范，而MEMS因?yàn)槭褂玫奶厥庑院蛷?fù)雜性，使它的封裝不能簡單地套用微電子封裝技術(shù)。因此，MEMS的封裝成為MEMS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)難點(diǎn)。復(fù)雜的信號(hào)界面MEMS的輸入信號(hào)界面十分復(fù)雜，根據(jù)應(yīng)用的不同會(huì)有力(壓力傳感器)、光(光電探測器)、磁(磁敏元件)、熱(溫度傳感器)、化(敏感氣體探測器)等一種甚至多種信號(hào)的輸入，會(huì)給封裝帶來很大的難度。三維結(jié)構(gòu)MEMS芯片毫米到微米極的三維微結(jié)構(gòu)，有的帶有腔體，有的帶有懸梁，有的帶有深槽、有的是微鏡等可動(dòng)結(jié)構(gòu)，尺寸小、強(qiáng)度低，很容易因?yàn)榻佑|造成損壞或是因暴露而被玷污。特殊的外殼要求MEMS芯片的外殼需要留有開口用來感受外界的光、熱、力等物理信號(hào)。不同的用途，就要采用不同的外殼材料和外殼形狀。MEMS封裝技術(shù)3D封裝 由于工程中MEMS具有復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，且在現(xiàn)今高密度組裝、小型化、輕型化和薄型化的趨勢(shì)下，對(duì)于有限的面積，封裝工藝必然在2D基礎(chǔ)上向Z方向發(fā)展，這就是3D封裝。3D封裝形式主要有三個(gè)：  埋置型。將MEMS元器件埋置在基板多層布線內(nèi)或埋置、制作在基板內(nèi)部。  有源基板型。指用硅圓片IC做基板，先將圓片用一般半導(dǎo)體IC制作方法作一次元器件集成，做成有源基板，然后再實(shí)施多層布線，頂層仍安裝各種其他芯片和元器件，從而實(shí)現(xiàn)3D封裝。這種封裝方式用于較復(fù)雜及附加電路較多的MEMS傳感器的3D封裝中。 疊層式。把兩個(gè)或多個(gè)裸片或封裝芯片在垂直于芯片的方向上互連成3D結(jié)構(gòu)。推廣開來，可將已經(jīng)過單面或雙面組裝的MCM疊裝在一起，然后進(jìn)行上、下多層互連，或者將多個(gè)圓片疊在一起形成3D結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行互連以完成3D封裝。 倒裝焊技術(shù)倒裝焊（FCB）是將芯片的正面朝下，并與封裝基板鍵合的一種封裝方式。焊接時(shí)在芯片有源面的鋁壓焊塊上做出凸起的焊點(diǎn)，然后將芯片倒扣，直接與基板連接。由于芯片與基板直接相連，倒裝焊實(shí)現(xiàn)了封裝的小型化、輕便化，縮小了封裝后器件的體積和重量。由于凸點(diǎn)可以布滿整個(gè)管芯，所以有效增加了I/O互連密度。因連線縮短，引線電感減小，串?dāng)_變?nèi)?，信?hào)傳輸時(shí)間縮短，所以電性能大為改善。鑒于其本身的一系列優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為MEMS封裝中頗有吸引力的一種選擇。 從幾何層面上看，倒裝芯片面向下組裝，為光信號(hào)提供了直線通路，故非常適合光MEMS器件的設(shè)計(jì)和封裝。同時(shí)由物理層面上看，倒裝芯片給 MEMS器件提供了熱力載體。此外，因?yàn)榈寡b焊對(duì)芯片與基板具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，所以非常適用于 MEMS器件的熱設(shè)計(jì)中。 多芯片組件技術(shù)多芯片組件（MCM）是電子封裝技術(shù)的一大突破，屬于系統(tǒng)級(jí)封裝。MCM是指一個(gè)封裝體中包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的芯片，它們通過基板互連起來，共同構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的封裝形式。MCM為組件中的各個(gè)芯片（構(gòu)件）提供信號(hào)互連、I/O管理、熱控制、機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)等。MCM提供了一種誘人的集成和封裝MEMS器件的途徑，它具有在同一襯底上支持多種芯片的能力，而不需要改變MEMS和電路的制造工藝，其性能可以優(yōu)化而無需做出妥協(xié)。事實(shí)上，基于MCM技術(shù)的MEMS封裝不但完全能夠替代傳統(tǒng)的單芯片封裝結(jié)構(gòu)，而且明顯提高了MEMS器件的性能和可靠性。 單芯片封裝技術(shù)單芯片封裝（SCP）屬于器件級(jí)封裝的范疇。所謂單芯片封裝，指在一塊芯片上制作保護(hù)層，將易損壞的元器件和電路屏蔽起來，避免環(huán)境對(duì)其造成不利的影響，并制作有源傳感器／制動(dòng)器的通路，實(shí)現(xiàn)與外部的電接觸，以滿足器件對(duì)電、機(jī)械、熱和化學(xué)等方面的技術(shù)要求。 圓片級(jí)封裝技術(shù)圓片級(jí)封裝的主要目的是保護(hù)芯片或其他核心元器件，避免塑性變形或破裂，保護(hù)系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，對(duì)部分元器件提供必要的電和機(jī)械隔離等。許多MEMS器件需要進(jìn)行晶片鍵合，制作出電極及緊湊的腔體。另外，晶片鍵合還完成了一級(jí)封裝。在硅-玻璃陽極鍵合法中，通常將硅片放置在薄玻璃襯底的頂部，在高溫和外加電場的影響下，玻璃中的鈉離子遷移硅-玻璃邊界處產(chǎn)生靜電場，靜電場的吸引力在分界面生成非常堅(jiān)固的連接。在極間施加電壓200～1000V（視玻璃厚度而定），鍵合溫度180～500℃，玻璃鍵合強(qiáng)度可達(dá)到玻璃或者硅本身強(qiáng)度量級(jí)甚至更高。硅-硅互連可以利用陽極鍵合來實(shí)現(xiàn)，但需要中間夾層，在其中一個(gè)拋光硅片上沉積2～4μm 7740#玻璃膜，電流密度保持為10 A/m2，溫度穩(wěn)定在450～550℃，即可實(shí)現(xiàn)良好的連接，鍵合強(qiáng)度同樣可以達(dá)到硅或者絕緣體自身的強(qiáng)度量級(jí)，而且氣密性能良好。封裝材質(zhì)不同的MEMS器件對(duì)封裝材料的要求也不同，目前用于MEMS封裝的主要材料有陶瓷、塑料和金屬等。概括地說，MEMS對(duì)封裝材料有如下要求： 封裝材料的電導(dǎo)率要低，以降低電信號(hào)的傳送干擾； 傳熱性要好，對(duì)某些應(yīng)用需要散熱，而另一些應(yīng)用（如熱傳感器）則要求與外界溫度保持一致； 密封性要好，對(duì)一些微機(jī)械結(jié)構(gòu)來說，空氣中的某些氣體成分對(duì)其有腐蝕作用，且雜質(zhì)也會(huì)影響MEMS的正常工作，因而此時(shí)要求封裝材料有良好的密封性能，以保證器件的高可靠性。金屬基復(fù)合材料封裝在電子封裝包括MEMS封裝領(lǐng)域，得到最廣泛應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料當(dāng)屬Al/Si Cp。與其他的封裝材料相比，金屬基復(fù)合材料有下列優(yōu)點(diǎn)：  通過改變?cè)鰪?qiáng)體的種類、排列方式或改變基體的合金成分，或改變熱處理工藝等，來實(shí)現(xiàn)材料的物理性能設(shè)計(jì)。改變或調(diào)整基體成分將在兩方面影響材料的性能：一是對(duì)基體本身熱物理的影響，二是對(duì)基體與增強(qiáng)體界面結(jié)合狀況的影響。通過改變熱處理工藝，同樣通過改變基體與增強(qiáng)體的界面結(jié)合狀況，進(jìn)而影響材料的熱性能。  該類材料熱膨脹系數(shù)較低，既能做到與電子元器件材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，又具有高導(dǎo)熱性和低密度。 材料制備靈活，生產(chǎn)費(fèi)用不高，價(jià)格正在不斷地降低塑料封裝材料 在同樣的封裝效果下，塑料封裝的低成本優(yōu)勢(shì)非常明顯。但是，塑料封裝不能實(shí)現(xiàn)氣密性封裝。塑料封裝采用的兩種封裝方法是預(yù)成型和后成型。預(yù)成型是指塑料殼體在MEMS芯片安裝到引線框架前制成；而在后成型塑料封裝中，塑料殼體在MEMS芯片安裝到引線框架后形成，這會(huì)造成MEMS芯片和鍵合引線遭受惡劣制模環(huán)境的影響。 塑料封裝中90%以上使用環(huán)氧樹脂或經(jīng)過硫化處理的環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂除成本低的優(yōu)勢(shì)外，還具有成型工藝簡單、適合于大規(guī)模生產(chǎn)、可靠性與金屬或陶瓷材料相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)。另外，經(jīng)過硫化處理的環(huán)氧樹脂還具有較快的固化速度、較低的固化溫度和吸濕性、較高的抗?jié)裥院湍蜔嵝缘忍攸c(diǎn)。陶瓷封裝材料 陶瓷是硬脆性材料，具有很高的楊氏模量。作為一種封裝材料，陶瓷有良好的可靠性、可塑性且易密封。此外，陶瓷具有較高的絕緣性能和優(yōu)異的高頻特性，其線性膨脹系數(shù)與電子元器件的非常相近，化學(xué)性能穩(wěn)定且熱導(dǎo)率高，被廣泛用于多芯片組件（MCM）、焊球陣列（BGA）等封裝中。但唯一不足的是陶瓷封裝的成本較高。一般情況下，陶瓷封裝用粘接劑或焊料將一個(gè)或多個(gè)芯片安裝在陶瓷底板或管座上。采用倒裝焊方式與陶瓷金屬圖形層進(jìn)行鍵合，可以實(shí)現(xiàn)良好的封裝。當(dāng)芯片與陶瓷鍵合后再作最后一道工序，對(duì)封裝體進(jìn)行封蓋密封，同時(shí)提供合適的電氣連接，封蓋形狀和特性由實(shí)際使用要求來決定。結(jié)語封裝是MEMS從研究走向應(yīng)用的關(guān)鍵一步，只有已封裝的MEMS器件才能成為實(shí)用的產(chǎn)品。隨著MEMS應(yīng)用的日益廣泛，MEMS芯片研究的日益成熟，低成本、高性能的封裝方法已經(jīng)成為MEMS領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究可以。