MEMS传感器的封装.pdf

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1、电子工业专用设备Equipment for Electronic Produacts Manufacturing EPE新技术研究（总第 13 6 期） May . 200628MEMS 传感器的封装沈广平 , 秦明（东南大学 MEMS 教育部重点实验室， 南京 210096 ）摘 要 ： 首先通过对 MEMS 封装所面临的挑战进行分析， 提出了 MEMS 封装所需要考虑的一些问题。 然后从芯片级、 晶片级和系统级三个方面详细介绍了倒装焊、 BGA 、 WLP 、 MCM 和 3D 封装等先进的封装技术， 并给出了一些应用这些封装方式对 MEMS 系统封装的实例。 最后对 MEMS和 MEMS

2、 封装的走向进行了展望， 并对全集成 MEMS 系统的封装进行了一些探讨。关键词 ： 芯片级封装 (CSP) ； 倒装焊 ； 模块式 MEMS 封装 ； MEMS 系统封装中图分类号 ： TP212 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1004-4507(2006)05-0028-08The Packaging of MEMS SensorSHEN Guang-ping, QIN Ming( The Key Laboratory of MEMS of Education Ministry, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China)

3、Abstract: In this paper, the challenge which is faced in MEMS packaging is analyzed firstly, and someissues that should be considered in the MEMS packaging are given. Secondly, the advanced packagingtechnology such as Flip-chip, BGA, WLP, MCM and 3D packages are introduced in chip level, waferlevel

4、and system level. Some package examples are presented. At last, the trends of MEMS and MEMSpackaging are prospected, and the integrated MEMS system packaging is discussed.Keywords: CSP(Chip scale package); FC(Flip chip); MOMEMS; MEMS system packaging收稿日期 ： 2006-2-12作者简介 ： 沈广平 (1984-) ， 男， 江苏南京人， 200

5、0 年获东南大学学士学位 , 现为东南大学 MEMS 教育部重点实验室博士研究生 , 主要从事 CMOSMEMS 集成流量传感器的研究。1 引 言MEMS作为 21 世纪的前沿高科技 , 在产业化道路上已经发展了 20 多年。 今天， MEMS 产品由于其具有大批量生产、 低成本和高性能等特点， 已经有了很大的市场。 早期的封装技术大多数是借用半导体集成 IC 领域中现成的封装工艺。 MEMS产品中，由于各类产品的使用范围和应用环境的差异 , 其封装也没有一个统一的形式 1 , 应根据具体的使用情况选择适当的封装。 同时 , 在 MEMS产品的制造过程中 ,封装只能单个进行而不能大批量同时生产

6、 , 因此封装在 MEMS 产品的总费用中占据 70% 80% ， 封装技术已成为 MEMS 生产中的瓶颈。 CSP 和 WLP 封装是 MEMS 进行批量生产和微型化的主要途径。Equipment for Electronic Produacts ManufacturingEPE电子工业专用设备 新技术研究（总第 13 6 期）M ay .2006 292 MEMS 封装的挑战 2 4目 前的 MEMS封装技术大都是由集成电路封装技术发展和演变而来， 但是由于其应用环境的复杂性， 使其与集成电路封装相比又有很大的特殊性 5 ， 不能简单将集成电路封装直接去封装 MEMS器件。与 IC 封装类

7、似， MEMS 封装主要实现 3 个功能 ： 机械支撑、 环境保护和电气连接 6 。2.1 机械支撑MEMS芯片有的带有腔体， 有的带有悬梁， 这些微机械结构的尺寸很小， 强度极低， 容易因机械接触而损坏和因暴露而沾污， 特别是单面加工的器件， 是在很薄的薄膜上批量加工的， 结构的强度就更低， 它能承受的机械强度远远小于 IC 芯片，对封装的机械性能提出了更高要求。2.2 环境保护MEMS 封装一方面需要对微结构、 电路和电气连接进行保护， 确保系统的稳定性和可靠性 ； 另一方面有必须对传感器芯片提供一个或多个环境接口， 使其能充分感知待测物理量的变化。 从信号界面来说， MEMS 的输入信号

8、界面复杂， 可能为光信号 （光电探测器）、 磁信号 （磁敏器件），还有机械力的大小 （压力传感器）、 温度的高低（温度传感器）、 气体的成分 （敏感气体探测器）等， 这种复杂的信号界面给封装带来很大的难度。2.3 电气连接 7电气连接不仅指 MEMS器件与上一级系统之间的信号连接 （包括提供通往芯片的电源和接地连接）， 而且包括 MEMS 器件内部的信号通路连接。当 MEMS器件与电路集成时， 就需要考虑系统的信号分配和功率分配。除此之外， 在实际的 MEMS 封装中， 还必须考虑下面一些因素。 首先， 封装必须给传感器带来的应力要尽可能小， 材料的热膨胀系数 （ CTE ） 必须与硅的热膨胀

9、系数相近或稍大。 由于材料的不匹配， 很容易导致界面应力， 从而使芯片发生破裂或者分层。 对于应力传感器， 在设计时就必须考虑封装引起的应力给器件性能的影响。 其次， 对于一般的 MEMS 结构和电路封装， 散热是必须要给予充分重视的， 高温下器件失效的可能性会大大增加。 而对于热流量计和红外传感器， 适当的热隔离会提高传感器的灵敏度。 再次， 对于一些特殊的传感器和执行器， 需要对封装的气密性进行考虑。 封装的气密性和漏气对于提高压力传感器的精度和使用寿命是至关重要的。 而对于一些有可动部件的传感器，进行真空封装可以避免振动结构的空气阻尼， 提高使用寿命。 最后， 由于 MEMS 传感器的输

10、出信号都是微纳量级的， 所以必须考虑封装给器件带来的寄生效应。3 先进的 MEMS 封装技术 8 10传统的 MEMS封装主要有金属封装， 陶瓷封装和塑料封装三种形式。 金属封装和陶瓷封装由于其导热性能好， 气密性好等优点在一些单个器件的封装中经常使用。 铸模塑料由于密封性能不够好， 而限制了塑料封装在某些对密封性能要求较高的领域的应用。 目前， 吸气剂方面的研究成果则给了塑料封装在 MEMS方面应用的新契机。 吸气剂可以用来去除 MEMS器件内部的湿气以及其他一些会影响器件可靠性的微粒， 使用适量的吸气剂和塑料封装技术就可能获得准密封的封装效果， 从而在降低封装成本的同时保证了 MEMS 器

11、件的可靠性。最近几年， MEMS 封装技术取得了很大进展 ,出现了众多的 MEMS封装技术。 大多数研究都集中在特殊应用的不同封装工艺上， 但也开发了一些较通用、 较完善的封装设计。 尽管要区分出不同封装方法之间的细微差别十分困难， 但通常可将其分为 3 个基本的封装层次 ： (1) 芯片级封装 ； (2) 圆片级封装 ； (3) 系统级封装 11 。3.1 芯片级封装随着集成 IC电路的 MEMS系统的发展， MEMS芯片的面积越来越大， 管脚越来越多， 使得原有的封装形式不再适合。 芯片尺寸封装 CSP（ ChipScale Package） 的出现， 使长期以来芯片小而封电子工业专用设备

12、Equipment for Electronic Produacts Manufacturing EPE新技术研究（总第 13 6 期） May . 200630装大的矛盾终于得到解决。芯片尺寸封装是指芯片封装面积不大于其芯片面积的 120% ， 或其芯片封装每边不大于 1 mm 的产品。 CSP 的种类很多， 有柔性封装 CSP(FPBGA) 、 刚性基板 CSP(CSTP) 、 引线框架 CSP(LOC 型 CSP) 、 栅阵引线型 CSP(LGA 型 CSP) 和微小模塑型 CSP 等。 不同的 CSP 结构， 其技术也不尽相同， 但都是基于两个根本技术 ： 倒装焊 (FCB)和球栅阵列

13、 (BGA) 。3.1.1 倒装焊技术 12,13倒装芯片技术源于 IBM 的 C4 技术 ( ControlledCollapse Chip Connection), 是一种将晶片直接与基板相互连接的先进封装技术。 在封装过程中， 芯片以面朝下的方式让芯片上的结合点透过金属导体与基板的结合点相互连接的封装技术。 和传统的引线键合技术相比， 使用倒装芯片技术后， 引脚可以放在芯片正下方的任何地方， 而不是只能排列在其四周， 这样就能使得引线电感变小、 串扰变弱、 信号传输时间缩短， 从而提高电性能 ；同时， 由于倒装芯片技术可以将芯片直接覆盖在基板上， 从而能够大幅缩小封装的尺寸， 实现芯片尺

14、寸封装 ( CSP) 。倒装焊技术有 3 种电气连接方法 ： 焊球凸点法( Solder bump) 、 热压焊法 ( 和热超声焊法 )( 见图 1 ) 、导电胶粘接法 ( 见图 2 ) 。 无论哪一种电气连接方式，凸点的制作是非常关键的。 凸点根据组分的不同分为软凸点 ( 焊料金属 ) 和硬凸点 ( Au或 Cu) ， 根据形状分为球状凸点和柱状凸点。 柱状凸点可以实现小节距， 并且间隙可调。 14,15 焊球凸点法是 IC 中最常用的 FC 技术， 工艺成熟， 成本低。 其采用软凸点，回流 ( Reflow) 焊实现凸点焊接， 最后用 Underfill工艺进行填充。 热压焊法 ( 和热超

15、声焊法 ) 采用硬凸点，通过加热加压或超声的方法焊接， 最后也采用Underfill工艺进行填充， 缓解热应力失配。 导电胶粘接法包括两种 ： 各向异性导电胶和各向同性导电胶。 各向异性导电胶施加在整个空隙之间， 只在垂直方向导电， 可以实现小节距工艺 ( Fine pitch) 。 各向同性导电胶只加在接触点空隙之间， 一般采用含银颗粒的环氧树脂浆液。倒装焊的凸点具有高精度的自对准 ， 并且可以通过控制凸点高度来调整芯片与基板间隙。 采用AuSn的柔性凸点还可以用来补偿凸点高度的不一致性。 热压焊法的凸点材料为 Au， 其制作工艺可以用来实现隔离环， 流体通道 ， 热沉等 ， 如果结合光刻可

16、以用来制作一些特殊的 MEMS 结构。 值得注意的是倒装焊技术需要底部填充物来完全填充芯片间隙 ， 但对 MEMS 器件来说， 填满间隙会影响活动部件的运动， 从而在一定程度上限制了其在MEMS 中的应用。3.1.2 球栅阵列技术球栅阵列封装 (BGA) 是利用球状焊盘作为连接点进行表面安装的芯片封装技术。 BGA 通过穿过底板的电通孔 （ Through hole ） 和底面的电互联图形，将底板上的节距很小的焊点再分布 （ Redistribute ）到底板底面节距较大 （约几百微米量级） 的焊球阵列上。 与 TSOP 相比， BGA 最大的进步是从四周引脚变为面阵列引脚， 从而可以大大提高

17、其封装密度。 这种封装的特点是结构紧凑、 多引脚和低的感应参数。BGA封装包括 PBGA( Plastic BGA) 基板、 CBGA图 1 热超声焊示意图加热加压超声振动热超声焊法含银颗粒的环氧树脂各向异性导电胶各向同性导电胶结构衬底结构衬底聚合物图 2 导电胶粘接法镀镍的聚合物小球Equipment for Electronic Produacts ManufacturingEPE电子工业专用设备 新技术研究（总第 13 6 期）M ay .2006 31环氧树脂Underfill 芯片 注塑外壳焊球 刚性薄板图 4 FCBGA 示意图二焊一焊 注塑化合物引线框银粘接剂金丝焊接图形焊球 热

18、通道通孔接地图 3 PBGA 示意图Chip第一层聚合物第二层 聚合物第二层金属芯片第一层金属图 5 面阵列 WLP 的焊盘再分布焊盘( Ceramic BGA) 基板和 TBGA( Tape BGA) 基板。 PBGA底板为 2-4 层有机材料构成的多层硬质板， 即 Lami-nate rigid Substrate( 见图 3 ) 。 芯片和载体底板 ( Carriersubstrate) 的电连接方式可以是 wire bonding， 也可以是 FC。 CBGA采用陶瓷基板， 芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片 （ Flip Chip） 的安装方式 ( 见图 4 ) 。 陶瓷封装可实

19、现芯片的真空气密封装要求，留有空腔， 不妨碍 MEMS 器件可动结构的工作。TBGA 是载带自动焊接技术的延伸， 利用载带互连实现芯片到焊料球和基板的连接。 陶瓷封装的 BGA和塑料封装的 BGA并不是真正意义上的芯片尺寸封装。 微球栅阵列 BGA是真正的芯片尺寸封装 , 它采用薄的柔性基板作为衬底 , 低应力的弹性体作为模片固定。 安装时， 模片面朝下并且电路的焊盘与衬底相连接进行键合。 键合后， 引线用环氧材料密封进行保护 , 焊锡球附着在衬底上的焊盘上形成矩形阵列 ,模片的背面裸露以利于散热。3.2 圆片级封装 16 20圆片级封装 WLP（ Wafer Level Package） 是

20、一种全新的封装思想， 和传统的工艺将封装的各个步骤分开来加工不同， WLP 用传统的 IC 工艺一次性完成后道几乎所有的步骤， 包括装片、 电连接、封装、 测试、 老化， 所有过程均在圆片加工过程中完成， 之后再划片， 划完的单个芯片即是已经封装好的成品 ； 然后利用该芯片成品上的焊球阵列， 倒装焊到 PCB 板上实现组装。 WLP 的封装面积与芯片面积比为 1 ： 1 ， 而且标准工艺封装成本低， 便于圆片级测试和老化。实现圆片级封装的方法很多， 主要有再分布WLP、 包封 WLP 和柔性载带 WL P， 其中再分布WLP 应用最为广泛 （见图）。 再分布 WLP 的核心工艺是利用二级钝化层

21、 （薄膜聚合物） 和金属层将芯片的周边布局的焊盘重新分布成面阵列布局。 常用的介质层材料是 BCB 和聚酰亚胺 （ PI），常用的再分布金属连线材料为铝和铜。图是一种典型的再分布工艺， 最终形成的焊料凸点呈面阵列布局。 该工艺中， 采用 BCB 作为再分布的介质层， Cu 作为再分布连线金属。 采用溅射法淀积凸点的底部金属层 ( UBM) ， 丝网印刷法淀积焊膏并回流， 其中底部金属层工艺对于减小金属间化合反应和提高互连可靠性来说十分关键。包封 WLP 技术的关键工艺为键合， 包括硅直接键合、 阳极键合、 共晶键合和熔融玻璃键合等。在 Shellcase 的工艺中， 芯片包封在玻璃板中， 通过

22、玻璃表面凸点实现外界互连， 该技术采用与再分布工艺类似的材料和技术将芯片的周边焊盘扩展到划片槽的位置。 圆片的正面键合到玻璃板上， 对圆片背面进行研磨或抛光， 减薄到 100 m ， 是整个封装的最终厚度在 0.3 0.5 mm 。 然后将圆片的背面与玻璃进行键合。 对这种玻璃芯片玻璃的结构进行划片， 露出划片槽处的扩展焊盘。 对圆电子工业专用设备Equipment for Electronic Produacts Manufacturing EPE新技术研究（总第 13 6 期） May . 200632片表面进行金属化， 刻蚀出图形用于淀积焊球阵列。 淀积 U B M ， 刻出图形， 淀积

23、凸点， 回流，测试并切片分割。柔性载带 WLP技术将常规的柔性载带合引线键合工艺结合起来， 采用柔性铜箔聚酰亚胺载带进行周边焊盘的再分布， 通过引线键合实现 IC周边焊盘与载带焊盘的互连。对于 MEMS光器件来说， 封装必须在保证芯片能够充分接触到光线的前提下进行。 SCHOTT提出OPTO-WLP的解决方法 ： 芯片正面与光线接触， 而背面应用 BGA等封装方法安装到 PWB上。 OPTO-WLP的主要工艺步骤如图 7 所示， 其核心工艺为利用通孔再分布和键合， 是 WLP封装原理的一种典型应用。3.3 系统级封装利用标准的 IC 工艺和 MEMS 后处理工艺， 在单芯片上实现简单的 MEM

24、S 系统即 SoC( System onC h i p) 是可行的。 但是在单芯片上实现复杂的MEMS系统， 往往因为工艺的兼容性和成本问题变得不可行。 为了要达到高度整合的目的， 同时保持系统应有的功能及可接受的成本， Sy ste m-I n-Package( SIP) 被提出来， 成为系统单芯片之外的另一种选择。 目前， 主要有日本业界所领导的 S I P( System-in-Package) 与美国乔治亚理工学院 ( GeorgiaInstitute of Technology) 大力提倡的 SOP( System-on-Package) 。 SIP 利用多层薄膜封装与组装技术， 来

25、达成 3D 集成电路堆栈， 或是含集成电路的封装堆栈， 而整合成系统。 美国乔治亚理工学院率先从事 S O P 的研究， 以创造最精巧多功的结合系统( convergent systems) 为目的。 本文中两者不予区分， 统称为 S I P。 实现 S I P 的方法很多， 主要包括多芯片组件技术和 3D 封装两大技术。3.3.1 多芯片组件技术 21,22多芯片组件 MCM 与多芯片封装 MCP 一般不予区分， 两者的主要区别在于， MCP 是安装的 IC 及各种元器件， 而 MCM 是以安装多个芯片为主。 多芯片组件 MCM技术是将 MEMS芯片和信号处理芯片封装在一个管壳内， 以减小整

26、个器件的体积， 适应小型化的要求， 还可以缩短信号从 MEMS芯片到驱动器或执行器的距离， 减小信号衰减和外界干扰的影响， 是 MEMS 封装的一个重要趋势。基板是 MCM技术中的关键单元， 提供了新品的机械支撑， 芯片间的信号互连以及芯片组件与下一级系统单元的互连接口。 根据基板材料不同， MCM有 3 种基 本类型 ： (1) 基于多层有机层压板结构的MCM-L， (2) 基于多层共烧陶瓷技术的 MCM-C， (3)基于多层薄膜结构的 MCM-D。 MCM-L 是从常规PWB 技术发展而来， 但与 PWB 相比， 它改进了材圆片（ W 或 W/O 钝化）聚合物层（光刻 5 mBCB 层）金

27、属化（电镀 5 mCu ）阻焊膜（光刻 10 mBCB 层） UBM（ TiW/Cu/Ni/Au ） 凸点（印刷制版 PbSn ）图 6 典型的再分布工艺划片标准硅片 玻璃键合 背面减薄 通孔制造划片 接触阵列 互连图 7 OPTO-WLP 的主要工艺步骤Equipment for Electronic Produacts ManufacturingEPE电子工业专用设备 新技术研究（总第 13 6 期）M ay .2006 33参考电容 金属框传感器开口4.9 mm24 mm传感器图 8 CMOS 电容式化学传感器料和工艺， 提高了光刻技术的分辨率， 加强了工艺控制， 因此可以加工更小的特征

28、尺寸， 实现更高的元器件对准精度。 MCM-C 的核心技术为共烧陶瓷工艺， 包括高温共烧陶瓷 （ HTCC） 和低温共烧陶瓷 （ LTCC）。 所谓 LTCC 技术， 就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带， 在生瓷带上利用激光打孔、 微孔注浆、 精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形， 并将多个无源元件埋入其中， 然后叠压在一起， 在 900 下烧结， 制成三维电路网络的无源集成组件， 也可制成内置无源元件的三维电路基板， 在其表面可以贴装 IC和有源器件， 制成无源 / 有源集成的功能模块。 MCM-D在 3 种 MCM技术中电路密度最高， 但工艺最多，成本最高。 在 MCM

29、-D 中， 用薄膜淀积法依次淀积金属层和介质层， 再用光刻法刻出图形。对于包含 MEMS 器件的 MCM 封装来说， 需要考虑释放结构与封装的先后次序以及封装材料与释放工艺的兼容性问题。 大多数的 MEMS器件都需要释放牺牲层形成三维结构， 但是释放以后的结构都是易碎的， 然后利用大规模生产的标准封装工艺进行封装成品率很低。 采用先进行封装后释放结构的方法， 需要考虑在释放结构过程中对电路以及封装材料的保护。3.3.2 三维 （ 3D ） 封装各类 SMD 的日益微小型化， 引线特征尺寸减小， 实质上是为实现 x、 y 平面 （ 2D ） 上微电子组装的高密度化 ； 而三维 （ 3D ） 封装

30、技术则是在2D 的基础上， 进一步向 z 方向， 即向空间发展的微电子组装高密度化。 实现 3D 封装， 不但使电子产品的组装密度更高， 也使其功能更多， 传输速度更高， 功耗更低， 性能更好， 而可靠性也更高。3D 封装主要有 3 种类型 ： 埋置型 3D 、 有源基板型3D 和叠层型 3D 。 埋层型主要指在基板内或多层布线介质中埋置 IC 或无源器件， 最上层在贴装 SMD来实现立体封装。 以硅圆片规模集成 （ W S I） 作为有源基板， 然后在上面实现多层布线， 最上层贴装 SMD， 构成立体封装， 这种结构形式称为有源基板型。 叠层型指在 2D 封装的基础上， 将每一层封装上下叠装

31、互连起来， 或直接将两个芯片面对面 “对接” 起来或背对背封装起来， 从而实现立体封装。4 MEMS 系统的封装 23由于 IC 制造技术的发展， 采用与标准的 IC 制造技术相兼容的 MEMS 结构越来越多。 同时， 随着 CMOS技术的不断成熟， 使得将预放和 A/D等信号调理电路和微传感器可以和做在一个芯片上成为可能， 形成真正的 S o C。通常与标准的 IC 电路制造技术相兼容的 MEMS制造方法有 3 种 ： 一种是 pre-CMOS， 在标准工艺之前采用 MEMS工艺 （包括表面加工和体加工） 对芯片进行处理 ； 一种是 pre-CMOS， 在标准工艺之后采用 MEMS 工艺对芯

32、片进行处理 ； 还有一种是intermediate processing， 在标准工艺过程中插入一些 M E M S 工艺步骤。 目前应用最广泛的是 p r e -CMOS， 比较成熟的产品有压力传感器， 热流量传感器和化学传感器等。 24 264.1 采用倒装焊封装的电容式化学传感器下面以瑞士苏黎世大学物理电子实验室制作的电容式化学传感器为例， 说明全集成 MEMS系统的封装。 图 8 是该芯片的 SEM 照片， 包括 3 个叉指状敏感电容， 3 个参考电容， 一个多路选择器和一个调制器。 其中， 叉指状电容是利用 CMOS工艺中的金属层制作的， 敏感电容表面有聚合物薄膜作为化学敏感元件，

33、而参考电容则没有。 传感器将两个电容之差通过片上调制器转换成数字输出信号。电子工业专用设备Equipment for Electronic Produacts Manufacturing EPE新技术研究（总第 13 6 期） May . 200634电容式传感器采用倒装焊封装， 传感器芯片通过倒装焊在一个化学惰性的陶瓷衬底上。 通过封装， 必须确保使得敏感电容与待测气体相接触， 同时使得参考电容和片上电路与待测气体相隔离。 如图 9 所示， 采用一个金属框架可以使敏感电容与待测气体保持充分接触， 而且这个金属框架与倒装工艺制作凸点工艺完全兼容。 凸点高度决定了芯片与衬底直接的距离。 而普通电

34、镀形成的 Au 凸点一般有最大 10 的高度不均匀性， 在与基板倒装互连时， 为了使所有凸点都能很好连接， 必然加大焊接压力， 使较高的凸点过分变形。 在实际应用中，采用了柔性凸点。 凸点制作工艺中最为关键的是UBM（ under-bump metallization） 的制作， 采用TiW作为粘附层和阻挡层。 在进行基板和芯片互连的同时， 形成金属框架将参考电容和片上电路隔离。 最后， 在芯片和基板之间填充环氧树脂， 形成 underfill。4.2 采用 BGA 封装的红外传感器图 10 为 100 像素热红外传感器， 面积为 3.3 mm 3.3 mm 。 通过电镀一层 25 m 厚的金

35、线， 将薄膜分隔成 10 10 的阵列， 对相邻的像素进行热隔离。红外辐射被薄膜吸收， 对像素进行加热， 温度的变化通过由多晶硅和铝条组成的热电偶转换成电压输出。 热电偶的电压输出利用多路选择器进行选址， 然后由一个低噪声放大器进行放大输出。红外传感器的封装必须要保护芯片不受机械损伤， 并且能够屏蔽远红外干扰。 解决的办法为利陶瓷电路参考电容密封框微传感器CMOS 芯片开口Underfill环氧树脂图 9 传感器倒装焊示意图硅滤波器封装树脂薄塑料衬底焊球图 11 封装后的红外传感器正面和背面薄膜 像素1 mm低噪声运放 多路复用器图 10 红外传感器的 SEM 照片用非流动等温凝固的方法在芯片

36、上直接安装一个高通的红外滤波器。 贴有滤波器的芯片进一步利用标准的 PBGA 工艺进行封装， 电路和引线都利用覆顶式液状材料进行包封 （见图 11 ）。Equipment for Electronic Produacts ManufacturingEPE电子工业专用设备 新技术研究（总第 13 6 期）M ay .2006 35凸点Cu 金属化覆盖硅片玻璃键合压力传感器铜管图 12 压力传感器的剖面图abcd图 13 WLP 封装的主要工艺步骤4.3 采用 WLP 封装的压力传感器新加坡国立大学报道的一种用 WLP 封装的基于压阻原理的压力传感器。 该传感器芯片面积为 4 mm 4 mm, 采

37、用 4 k的 压阻组成惠斯通电桥测量压力变化。 其剖面图如图 12 所示。 传感器芯片为 100 mm（ 4 英寸） 的 N 型双面抛光 SO I 片， 利用湿法腐蚀出空腔。 正面为一个 450 m 厚的 100 mm （ 4 英寸）硅片， 利用 40 的 KOH 和异丙醇 IPA 在 80 腐蚀到120 m ， 然后利用 LPCVD 在硅片两面都淀积一层低应力氮化硅。 利用熔融玻璃将传感器芯片和正面芯片键合， 然后利用等离子刻蚀出通孔。 底部为一个 450 m 厚的 100 mm （ 4 英寸） 硅片， 利用LPCVD 淀积一层 250 nm 的低应力氮化硅， 然后利用各向异性刻蚀出通气孔并

38、与传感器芯片键合。 最后制作凸点， 进行引线互连。5 结 论MEMS是 21 世纪最有发展前途的产业。 目前，MEMS器件已经开始实用化， MEMS设计开始走向系统化。 集成 MEMS 系统的实现方式主要有两种 ：一种是系统级芯片 SOC( system on chip), 另一种是SIP( system in a chip) 。 利用 SOC 集成 MEMS 的优势很明显 ： 具有最小的尺寸、 最短的内部连接长度、 最佳电气特性、 最高输出 / 输入接点密度、 最小功耗。 SIP 虽然整合程度不如 SOC 高， 但是其可以在同一基板上集成不同的芯片， 从而无需考虑电路与 MEMS器件材料和工

39、艺的兼容性， 降低了设计和制作的难度。 两种实现方式各有利弊， 也可以互为补充， 都是 MEMS 发展的重要趋势。要实现 MEMS 的产业化， 封装必须跟上 MEMS产品设计的步伐， 在设计器件的时候就开始考虑封装。 目前的 MEMS 封装技术大都是由集成电路封装技术发展和演变而来， 但是特殊的信号界面、 外壳要求、 三维结构和可靠性要求决定了 MEMS 封装的难点所在， 需要重点研究。 德国 Fraunhofer IZM 提出了模块式 MEMS(MOMEMS) 的概念。 MOMEMS使用标准化的外部接口， 从而 MEMS 器件能使用统一的、 标准化的封装批量生产， 降低了成本， 缩短了进入市

40、场的时间。 模块式 MEMS 封装设计的思路 也许是 MEMS 封装的一个重要突破口。参考文献 ：1 李秀清， 周继红 .MEMS 封装技术现状与发展趋势 J.半导体情报， 2001,10:1-4.2 Chad B.ONeal,Ajay P.Malshe,Sushila B.Singh, and W.D.B rown.Challenges in the Packaging of MEMSC.1999International Symposium on Advanced Packaging Materials:41-47.3 Rao.R.Tummala 著， 黄庆安， 唐洁影译 . 微系统封装基

41、础 M. 南京 ： 东南大学出版社， 2005.4 Biye Wang. Considerations for MEMS PackagingC.Proceeding of HDP2004:160-164.5 C.T.Hsieh, Jyh-Ming Ting,Charles Yang,C.K.Chung.Theintroduction of MEMS packagingC.2002 Intl Symposium on Electronic Materials and Packaging:300-307.（下转第 59 页）Equipment for Electronic Produacts Ma

42、nufacturingEPE电子工业专用设备 工艺与设备（总第 13 6 期）M ay .2006 59UV irradiation can decrease the adhesive strength of film-dicing tape and increase the adhesive strength of die-filmsimultaneously. At the same time, UV light can harden thefilm which might be beneficial to WLDAF dicing process.Plenty of experiment

43、s based on UV irradiation need to bedone to prove the function of UV. The situation becomesmore complicate whend e s i g n i n g t h eexperiment plan totarget UV and previousthree process challengesdiscussed in section3.1-3.3. It will be a critical to defineFig 6 The scheme of UV Irradiationeach pro

44、cesss input and output parameters, and thenintegrated them together, which may require compromisebetween them.4 SummaryBasically new challenges of WLDAF can be solvedby fully understanding the relationship between WLDAFlamination, UV irradiation, dicing, die attach and evenpackage reliability. The i

45、nteraction between the parametersof each process needs to be understood before finding outfeasible integrated optimization recipe for each process.6 Brian Stark. MEMS Reliability Assurance Guide-lines forSpace ApplicationsDB/OL. http:/parts.jpl.nasa.gov/docs/JPL%20PUB%2099-1.pdf,2002-3-19.7 Rajeshun

46、i Ramesham Ph.D and Reza Ghafkian Ph.D.Challenges in Interconnection and Packaging of Microelectromechanical Systems(MEMS)C.2000 Electronic Componentsand Technology Conference.8 王海宁， 王水弟， 蔡坚， 贾松良 . 先进的 MEMS 封装技术 J.Semiconductor Technology,2005,28(6):7-10.9 Herbert Reichl and Volker Grosser. Overview

47、 and devel-opment trends in the field of MEMS packaging. Micro-Electro Mechanical SystemsC.2001:1-5.10 李金， 郑小林， 张文献， 陈默 .MEMS 封装技术研究进展 J. 微纳电子技术， 2004,(1):26-30.11 中国电子学会生产技术学会分会丛书编委会 . 微电子封装技术 M. 合肥 ： 中国科学技术大学出版社 ,2003.12 Jacinta Meilhon, Molly Skinner,Bret Trimmer,Guy Burgess, Daniel Berry,Haluk B

48、alkan, Scott Barrett.Flip ChipOverview:Current Solutions and Future TrendsZ.13 Katarina Boustedt, Katrin Persson,Deg Stranneby.Flip Chip as an Enabler of MEMS PackagingC.2002 ElectronicComponents and Technology Conference.14 Tie Wang,Francisca Tung,Louis Foo and Vivek Dutta. Studies on A Novel Flip-

49、Chip InterconnectStructure-Pillar BumpC.2001 Electronic Compone-nts and Technology Conference.15 Takashi Miyazaki, Rieka Yoshino, Keiichino Kata.NewFlip Chip Technology Using Gold Bumped Chip-with Pre-coated Adhesive ResinJ.NEC&Develop ,2003,44(3):225 -230.16 Wei H.Koh.Advanced area array packaging-from CSP toWLPC.ICEPT,2003:121-