第九章 MEMS封装技术ppt课件.ppt

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1、第十章：MEMS封装技术,10.1 概述10.2 MEMS芯片级装配技术10.3 MEMS芯片级封装技术 10.3.1 薄膜封装 10.3.2 微帽封装10.4 MEMS器件级封装技术 10.4.1 划片 10.4.2 拾取和定位 10.4.3 引线框架和基片材料 10.4.4 芯片贴片 10.4.5 互连 10.4.6 密封和钝化 10.4.7 管壳,10.1 概述,微机电系统(micro electro mechanical system)简称MEMS，是集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。 它将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，涉

2、及微电子学、机械设计、自动控制、材料学、光学、力学、生物学、声学、和电磁学等多种工程技术和学科，是一门多学科的综合技术。 MEMS研究的主要内容包括微型传感器、微型执行器、和各类微系统，现已成为世界各国投入大量资金研究的热点。,10.1.1 MEMS定义,目前，全世界有数千家个单位研制生产MEMS器件，已研究出数百种商用化产品，其中微传感器占大部分。 当前，MEMS技术已逐步从实验室研究走向市场，全球MEMS市场需求达到400亿美元，而其带动的相关产品的产值将以千亿元计，下图为一些典型的MEMS器件。,典型MEMS器件,热驱动MEMS 开关,静电驱动MEMS 开关,10.1.2 MEMS封装特

3、点,MEMS封装与微电子封装密切相关，早期的MEMS封装基本上沿用了传统微电子封装的工艺和技术；但是，由于MEMS器件使用的广泛性、特殊性和复杂性，它的封装形式和微电子封装有着很大的差别。 对于微电子来说，封装的功能是对芯片和引线等内部结构提供支持和保护，使之不受到外部环境的干扰和腐蚀破坏，芯片与外界是通过管脚实现电信号交互。其封装技术与制作工艺相对独立，具有统一的封装形式。,对于MEMS封装，除了要具备以上功能以外，封装还需要给器件提供必要的工作环境，大部分MEMS器件都包含有可动的元件，在封装时必须留有活动空间。 由于MEMS的多样性，各类产品的使用范围和应用环境存在不小的差异，其封装也没

4、有一个统一的形式，应根据具体的使用情况选择适当的封装，其对封装的功能性要求则比IC封装多。,一个典型的MEMS微系统封装不仅包含了IC电路，还包含了工作传感器、执行器、生物、流体、化学、光学、磁学和射频MEMS微器件。 对于微传感器和微执行器，除电信号外，芯片还有其他物理信息要与外界连接，如光、声、力、磁等，这样便要求一方面要气密封，另一方面又不能全密封的情况，加大了封装的难度。 由于这些输入输出的界面往往对MEMS器件的特性有较大的影响。因此，IC开发的传统封装技术只能应用于少数的MEMS产品。,典型MEMS 微系统封装示例,此外，与微电子标准化的芯片制造工艺不同，MEMS器件由于其空间拓展

5、到三维，不同的器件制作工艺也多种多样，封装技术还必须与相应的制作工艺兼容。 在MEMS产品中，MEMS封装包括：完成器件后的划片、检测和后测试、封装结构和形式，以及由封装引起的机械性能变化、化学玷污、热匹配、真空或密闭气氛对器件可靠性、重复性的影响。 封装必须从器件研究一开始就应该考虑，并且一定要与具体工艺相结合。因此，MEMS对封装的需求是多方面的，如下图所示。,MEMS 封装的需求,正是MEMS器件这些特殊的要求，大大增加了封装的难度和成本，封装成为MEMS发展的瓶颈，严重制约着MEMS技术的迅速发展和广发应用。 一般的MEMS封装比集成电路封装昂贵得多，同时在MEMS产品的制造过程中，封

6、装往往只能单个进行而不能大批量同时生产，因此封装在MEMS产品的总成本中一般占据70-80%，部分产品甚至高达90%。 目前，这一问题已经引起了世界各国的极大关注，从经济核算考虑，也应非常重视封装问题。,从系统的角度看，MEMS封装包括芯片级装配（或称亚零级封装）、芯片级封装（或称零级封装） 、器件级封装（或称一零级封装） 、板级封装（或称二级封装)、母版级封装（或称三级封装） 。 由于板级以上的封装很大程度上可以沿用IC封装技术，因此本章主要讨论前面三个类型，即MEMS芯片级装配、芯片级封装和器件级封装。,10.1.3 MEMS封装的种类,10.2 MEMS芯片级装配技术,MEMS芯片级装配

7、是一种新颖而有效的微系统集成方法，其主要功能是芯片封装之前，在同一衬底上实现不同的MEMS、IC器件的机械连接和信号互连。 在装配前，微系统中的每种MEMS器件以及IC均可独立设计，通过材料和工艺优化，达到各自的最优性能。 在完成各部件加工后，通过微装配技术将各MEMS器件和IC定位于衬底相应的功能区，并完成机械和电学的互连，形成功能更为复杂的微系统。 芯片级装配不仅完全消除了器件加工工艺不兼容对系统性能的影响，而且整个系统完全模块化，有利于来自不同领域设计人员之间的协同。,10.2.1 概述,由于MEMS器件尺寸微小，对微装配的精度要求达到了微米、亚微米级，甚至达到纳米级，这对装配工艺设计、

8、连接方式、装配设备、操作环境、对准方式以及操作方法都提出了非常严格的要求。 对于MEMS器件，在整个装配过程中可动结构的处理是一个重要的问题；拾取和放置过程中压力的变化，以及微尺度下的表面效应，如静电力、范德华力和表面张力的影响，都可能会导致MEMS可动结构的损伤和粘附问题。目前，很多研究致力于在液体环境下使用自组装的方法实现芯片集成。 自20世纪末，微装配技术已逐渐发展成为MEMS封装与集成的一个重要研究领域，直接影响微系统的可靠性、功能和成本。,10.2.2 自组装技术,自组装技术是通过可控制的氢键、范德华力、亲疏水作用、表面张力、外部电场和磁场来制作所需的器件结构，实现特定功能，并可通过

9、外力和几何限制改变自组装结果。 自组装技术是一种并行加工，定位精度高，据报道可达0.2m，旋转错位小于0.3度，且粘结点无需覆盖整个表面，部件和粘附层厚度设计灵活。 但是，其方向性(z方向)，即高度方向的对准精度仍然无法有效保证，并且实现电学互连需要使用非常特殊的低温焊料。,自组装技术具体工艺流程如下： (1)在硅衬底上采用剥离的方法完成金的图形化，金表面为芯片装配的结合点； (2)对结合点表面进行疏水处理，使之活化； 具体的操作是先在金表面吸附一层疏水的单分子自组装膜(SAM)，再通过电化学还原反应使非活化区域上的SAM解吸附而失效，表面具有SAM的金图形区域即成了活化的结合点。 (3)在衬

10、底表面涂覆一层润滑剂，在衬底浸入水中后，润滑剂会在已激活的结合点表面聚集成液滴，成为芯片装配的驱动力； (4)待装配的芯片进入水中后，芯片上疏水的一面就会与活化的结合点结合，并在表面张力的作用下，与衬底形成自对准，而润滑剂被加热后可以将部件永久固定在衬底上； (5)通过特殊低温合金材料电镀，实现装配部件和衬底之间的电学连接。,多批自组装流程图,自组装结果,LED与衬底的电学装配集成,10.3 MEMS芯片级封装技术,MEMS芯片级封装主要功能是为MEMS器件提供必要的微机械结构支撑、保护、隔离和与其他系统的电气连接，以提高芯片的机械强度和抗外界冲击的能力，确保系统在相应的环境中更好地发挥其功能

11、。 该类封装通常是在圆片级实现，所以又称为圆片级封装(wafer level package) 。圆片级封装一次可以同时封装许多个微传感器和执行器，提高了MEMS前后道工序协作的效益，是目前MEMS封装研究中的热点。,10.3.1 概述,MEMS圆片级封装,MEMS圆片级气密性封装目前有两种主要的实现方式：薄膜封装和基于圆片键合的微帽封装。,10.3.2 MEMS圆片级气密性封装方式,MEMS圆片级气密性封装两种方式,薄膜封装是基于牺牲层腐蚀技术，其步骤如下： (1)在器件完成之后，在需要保护的部分上覆盖一层较厚的牺牲层； (2)生长一层低应力氮化硅等薄膜作为封装外壳，并进行光刻形成腐蚀通道或

12、小孔； (3)腐蚀液通过腐蚀通道或小孔去除牺牲层，这样就在器件上方形成一个空腔； (4)最后用薄膜淀积或者机械的方法将腐蚀通道封闭，就完成了结构的气密封装。,1.薄膜封装,薄膜封装所使用的工艺完全在超净间内实现，与大多数MEMS工艺尤其是表面微机械加工工艺完全兼容，可以与器件加工一并进行工艺集成，所占据的芯片面积相对较小，但是工艺的实现尚存在若干问题： (1)牺牲层材料的选择 考虑到后续密闭工艺的困难，腐蚀通道比较小，通常至少有一维的尺度小于1m；如果使用普通的PSG常规设计，其牺牲层释放的过程往往长达数天，长时间的释放可能会损坏芯片上的MEMS器件和电路结构。,(2)薄膜的厚度 外部环境对M

13、EMS敏感元件来说都是非常苛刻，薄膜封装要有承受器件工作或者后续加工中各种环境影响的能力，比如机械的(应力、摆动、冲击等)、化学的(气体、湿度、腐蚀介质等)、物理的(温度、压力、加速度等)，这就要求薄膜必须有一定的厚度。而使用传统的LPCVD的方法淀积的薄膜不可能做得很厚，通常只能达到几个微米，造成封装的强度不够。 (3)封口技术 使用薄膜淀积的方法封口不容易形成台阶覆盖，但腐蚀通道必须设计得非常小(通常只有几百纳米)；腐蚀通道越小，封口越容易，但是牺牲层腐蚀时间将数十倍地增加；较大的腐蚀通道需要使用激光焊接，超声焊接，热阻焊或者锡焊球加以封闭，这些方法必须使用专用的设备，而且只能手工逐个加工

14、，失去了圆片级封装的优势。,微帽封装是在圆片键合技术的基础上发展起来的，带有微器件的圆片与另一块经腐蚀带有空腔的圆片经过键合。 该键合方式在微器件上产生一个带有密封空腔的保护体，使得微器件处于密闭或真空环境中。使用体材料键合可以有效地保证晶片的清洁和结构免受污染，同时也可以避免划片时器件遭到损坏。 圆片键合技术实现微封装的关键，目前大致可以分为三类：硅片直接键合、阳极键合和中间层辅助键合。,2.微帽封装,又称硅片熔融键合(silicon fusion bonding)，这种技术不用粘合剂，在800-10000C，经过若干小时将两片抛光的硅片键合起来，其键合强度随温度升高而增强，界面气密性和稳定

15、性非常好。 要使键合良好，硅片表面需先经特殊处理以保证非常平整，没有任何颗粒，并且氧化层要尽量薄。 通常，经过多道工序加工的MEMS硅片表面粗糙度无法满足其要求，而且直接键合使用的高温也会对电路和MEMS器件带来损坏。所以，硅片直接键合大多用于制作SOI圆片而不用于直接封装MEMS硅片。,(1)硅片直接键合(silicon direct bonding),硅片熔融键合,又称静电键合，这种技术将玻璃与金属或硅等半导体键合起来，不用任何粘合剂，键合界面气密性和稳定性很好。一般的键合条件：硅片接阳极，玻璃接阴极，温度为300-4000C，偏压500-1000V。 要形成良好的键合，硅片和玻璃的表面粗

16、糙度要尽可能小，表面颗粒尽可能少，并且两种圆片的材料热膨胀系数相近，硅片上氧化层需要小于0.2m。 这种技术可以在真空下进行，是当前比较流行的一种封装方式。,(2)阳极键合(anodic bonding),中间层辅助键合是近年来研究的一个热点，它基本上不依赖于衬底的材料，可以方便的实现不同材料圆片的粘接。按中间层使用的材料不同，可以分为以下三种： 1)共晶键合 其代表为金硅键合，它利用金硅共晶点低的特点，以金作为中间层实现圆片间的键合，具有较好的气密性和强度。金硅合金的共晶点为3630C，此时硅与金的原子个数比约为20%：80%。 要形成良好的键合，一方面必须尽量减小硅片表面氧化层的厚度，另一

17、方面还需要调整金的厚度，优化键合参数，提高工艺的重复性，避免在界面形成金硅化合物颗粒,(3)中间层辅助键合(intermediate layer bonding),2)不导电材料键合 中间层可以是苯丙环丁稀(BCB)、聚酰亚胺(polyimide)、SU-8胶、甚至AZ系列厚胶。优点是温度低，与MEMS和CMOS工艺完全兼容，成本低，不需要复杂的设备，实现简单；缺点是无法提供气密性封装，键合的稳定性一般，并且给封装后的各步工艺带来了很多限制。3)焊接键合 这种方法使用合适的合金焊料作为中间层，焊料在共晶熔点熔融并回流，同时在表面张力作用下形成自对准，经过迅速冷却后完成键合。 合金焊料不仅具有优

18、良的气密性，而且还具有很低的电阻率，可以形成良好的电学互连；合金焊料材料选择多，与CMOS电路兼容。但是这种方法用于MEMS封装尚未成熟，其工艺窗口比较小，组分不容易控制。,10.4 MEMS器件级封装技术,MEMS器件级封装技术沿用了IC一级封装的部分工艺，大致也可分划分为划片、贴片、互连、保护等几个步骤，如下图所示，下面将分别介绍：,MEMS器件级封装基本步骤,划片是器件封装的第一个步骤，它将圆片分离成单个芯片，在切割之前，要将圆片安放在外形框架上。 通常圆片放置在聚酯薄膜上，圆片与薄膜之间用粘接剂进行粘合，保证硅片在划片过程中保持在薄膜上，同时其粘接剂强度也不能太高，保证在后续的拾取操作

19、中可以容易地进行分离。对于具有可动结构的MEMS器件，这一点尤为重要。,1.划片,拾取和贴片通常是利用可编程的精密机械，用机械手臂拾取芯片，将其移动到基板或框架上的一个定点，以正确的方式贴放于正确的位置。 贴片的关键因素是正确地拾取组件、定位的精度和重复性，贴片的力度、停留的时间和生产量。 拾取元件一般是采用真空负压的吸嘴吸住元件，割离的芯片被取出，转正面向上并贴在基板上。,2.拾取和贴片,MEMS芯片支撑结构的材料和形式多种多样，MEMS芯片可以安装在金属引线框架、陶瓷底座、硅基或者其他类型的材料制作的管座上。 引线框架作为芯片的载体，是一种借助于键合金丝实现芯片内部电气引出端与外引线的电气

20、连接、形成电气回路的关键结构构件，同时引线框架也起到一定的安装固定机械的作用，是芯片封装的一种主要结构材料。 大部分的半导体IC中采用引线框架方式，很多MEMS芯片也安装在引线框架上。,3.引线框架,MEMS器件与封装结合沿用了IC芯片裸片与封装结合的技术，为MEMS微结构在封装基座上提供高质量的机械粘接，确保MEMS芯片不会在封装基座上产生相对移动，同时还能够忍耐高温、低温、潮湿、冲击和振动等恶劣环境条件。 粘接材料的选择不仅要考虑到MEMS芯片与封装基座间的热膨胀系数匹配问题，另一个需要考虑的因素是粘接材料对MEMS器件某些基本参数的影响。,4.芯片粘合,目前，常见的MEMS一级互连技术有:引线键合、倒装焊、载带自动焊和高密度互连技术。,5.互连,6.密封和钝化,密封是MEMS器件封装中需要重点考虑的对象；一些不用接触到外界环境而进行参量的传感器就应当考虑所有结构完全密封；另一些需要与外界有接触的传感器就更要具有良好的封装，既能保护内部结构，又要使得与外界接触的探头能很好的工作，就必须对器件进行钝化。,对于MEMS封装，不同的器件需要不同的开口的外壳用来传递光、热、力等物理信息，使得MEMS封装可靠性与封装管壳使用的材料有关。 从管壳采用的封装材料分类，MEMS的封装也可以分为陶瓷封装、塑料封装和金属封装三类。,7.管壳,