先进的MEMS封装技术.pdf

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1、7Semiconductor Technology Vol.28 No.6June 20031 引言微机电系统 （ MEMS ） 是微电子学与微机械学相互融合的产物， 它将集成电路制造工艺中的硅微细加工技术和机械工业中的微机械加工技术结合起来， 制造出机、 电一体甚至光、 机、 电一体的新器件。 经过十几年的发展， MEMS 芯片已经相当成熟 , 但是很多芯片却没有作为产品得到实际应用， 其主要原因是没有解决封装问题。 事实上只有已封装的 MEMS 器件才能成为产品， 才能投入使用， 否则只能停留在实验室阶段。 目前， 国内MEMS 封装技术明显落后于 MEMS 芯片研究， 必须重视和积极发展

2、 MEMS 封装技术， 尽快开发低成本、 高性能的封装方法， 否则它将成为制约 MEMS发展的瓶颈。2 MEMS 封装的特殊性导致 MEMS 封装技术落后的原因主要有两个 ：一是过去国内对它不够重视 ； 二是 MEMS 封装难度较大。 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的， 但是与集成电路封装相比却有很大的特殊性， 不能简单将集成电路封装直接去封装 MEMS 器件。 这些特殊性正是 MEMS 封装的难点所在。2.1 信号界面普通集成电路的信号界面较单一， 通常只有电信号， 所以一般情况下， 芯片本身都被密封在封装体里， 封装的作用主要就是保护芯片和完成电气互连。

3、而 MEMS 的输入信号界面复杂， 它的输入信号有电信号， 根据芯片作用的不同， 也有光信号（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。先进的 MEMS封装技术王海宁， 王水弟， 蔡坚， 贾松良（清华大学微电子所， 北京 100084 ）摘要 ： 从特殊的信号界面、 立体结构、 外壳、 钝化和可靠性五个方面总结了 MEMS 封装的特殊性。介绍了几种当前先进的 MEMS 封装技术 ： 倒装焊 MEMS 、 多芯片 (MCP) 和模块式封装 (MOMEMS)

4、。 最后强调， 必须加强 MEMS 封装的研究。关键词 ： MEMS 封装 ； 倒装焊 ； 模块式封装中图分类号 ： TN305.94 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1003-353X(2003)06-0007-04Advanced packaging technology for MEMSWANG Hai-ning ， WANG Shui-di ， CAI Jian ， JIA Song-liang（ Institute of Microelectronics ， Tsinghua University ， Beijing 100084 ， China ）Abstract: Some p

5、articularities for MEMS packaging ： special signal interfaces, 3D-structureconfigurations, requirements of cases, passivation and reliability are summarized in this paper.Additionally, several advanced packaging techniques for MEMS: flip chip for MEMS packaging,multichip package and module MEMS are

6、introduced. The research and development of MEMSpackaging should be strengthened.Key words: MEMS packaging ； flip chip ； MOMEMS专题报道DOI:10.13290/ki.bdtjs.2003.06.0048 半导体技术第 28 卷第 6 期二三年六月2.2 外壳要求因为大多数 MEMS 器件的外壳上需要有非电信号的通路， 所以它不能简单地把 MEMS 芯片密封在封装体里， 必须留有同外界直接相连的通路， 用来传递光、 热、 力等物理信息。 对这种 MEMS 封装，不同的器

7、件需要不同开口的外壳。 除此以外， 外壳材料本身也有要求， 像磁敏 MEMS 器件， 虽然可以密封在管壳里， 但是它要求外壳必须是非导磁材料， 常见的用铁镍合金作为引线框架的管壳就不能使用 ； 像微麦克风 MEMS 器件则要求外壳既有开口， 可以接受外界的声音， 又能屏蔽电磁干扰信号， 以避免其对微弱的麦克风输出信号的干扰， 所以普通的塑料封装就不适用。2.3 立体结构IC 芯片是用平面工艺完成的， 加工好的芯片本身是一个 “实心体”。 除了空封的金属、 陶瓷管壳封装外， 对于塑封的集成电路， 即使引线键合时有几十、 几百根引线是悬空的， 但是经过塑料包封后， 管芯、 引线和引线框架都被环氧树

8、脂固化成一个整体。 而 MEMS 芯片则完全不同， 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可能远远小于 IC 芯片。2.4 钝化要求封装的一个重要作用就是保护芯片， 而很多情况下需要腔体开口的 MEMS 封装就面临一个如何保护芯片的问题， 外界环境因素对器件的作用更为明显。 有的 MEMS 器件甚至要直接用于腐蚀性环境，如用于医学的 MEMS 器件， 可能要进入人体这个酸性环境， 它就需要特殊的保护以抗酸性腐蚀 ； 有的气敏 MEMS

9、 ， 既需要做到让敏感气体进入， 还要阻止有害气体的侵蚀 ； 飞机上的动态参数记录仪（黑匣子） 则要求能经得住海水的浸泡等。 这些都对芯片的钝化提出了特殊的要求。2.5 可靠性要求随着科技的发展， MEMS 器件的使用范围越来越广， 对它的要求也越来越高， 尤其是可靠性问题， 比如军事和航天应用中的导弹、 卫星携带设备， 可靠性差将带来严重的后果。 即使在民用方面， MEMS 器件的可靠性也可能引发严重的问题， 如普通小轿车上使用的安全气囊压力传感器， 必须十分可靠， 又如埋入人体内代替心脏功能的微泵， 都需要极高的可靠性， 这给封装提出了更高的要求。正因为 MEMS 的封装比集成电路更为复杂

10、， 成本也更高， 在整个 MEMS 器件的成本中有的达到70% 以上 1 。 除此以外， 必须在芯片设计阶段同时考虑其封装问题， 如果在 MEMS 芯片做好后再考虑如何封装， 必将加大成本， 甚至不能达到预期目标。3 先进的 MEMS 封装随着人们对 MEMS 封装的日益重视， 新型的封装技术不断出现， 其中较有代表性的是采用倒装焊技术的 MEMS 封装、 多芯片封装 （ MCP ） 和模块式封装。3.1 倒装焊技术倒装焊技术是 90 年代发展起来的一种新的芯片和基板连接技术。 所谓倒装焊就是在芯片有源面的铝压焊块上做凸焊点， 然后将芯片倒扣， 直接与基板连接的技术， 它能实现圆片级芯片尺寸封

11、装（ WLP-CSP ）。 正是由于与基板直接相连， 倒装焊实现了封装的小型化、 轻便化， 可缩小封装后器件的体积和重量。 由于焊球阵列 （ BGA ） 的凸点可以布满整个管芯， 所以增加了 I/O 互连密度 ； 由于 “连线” 的缩短， 引线电感变小、 串扰变弱、信号传输时间缩短等， 使电性能得到了提高。 因此， 倒装焊技术比引线键合技术更为先进， 具有很大的发展潜力。鉴于倒装焊技术本身的一系列优点， 它已成为MEMS 封装中有吸引力的选择。 采用倒装焊的MEMS 封装在国外已经成为一个热点， 相当多的大学与研究所 （包括一些微电子公司） 已开展这方面的工作， 如针对倒装焊回流过程中焊料表面

12、氧化物的处理提出了各自的解决方法， 还有的公司考虑将SBB （ Stud Bump Bonding ） 技术应用于 MEMS 封装等 2 。专题报道9Semiconductor Technology Vol.28 No.6June 2003芬兰 VTT 公司的电容式麦克风也采用了倒装焊封装 3 ， 如图 2 所示。 这种封装将微麦克风芯片用导电胶倒装焊在基板上， 再用金丝键合连接基板上的导电层和外壳管脚以引出信号， 管帽是中间带孔的 TO-5, 声波从小孔进入到微麦克风芯片表面。 这里着重要考虑的问题是怎样使封装引入的附加应力减到最小， 需要考虑导电胶和硅及基板的热匹配问题 3 。生产的加速度

13、传感器的封装 4 , 它将控制电路和MEMS 芯片装在一个基板上， 然后再封装在一个管壳里。 显然， 将已经组装在基板上的多个芯片封装在一个管壳里要比把几个小芯片分别封装在管壳里更容易， 这样就提高了封装的可靠性和封装密度，还可以提高生产效率， 有利于批量生产。考虑到倒装焊技术的一系列优势， 可以用这项技术完成 MEMS 芯片和基板的互连。 已经有人用板上倒装芯片 (FCOB) 技术封装压力传感器 5 ， 将传感器和激励电路用倒装焊封在同一块挠性基板上， 整个封装的结构如图 4 所示。因为倒装焊是芯片正面朝下， 这样就很适合于光电器件的封装。 面朝下的 MEMS 芯片可以方便地选择需要接收的光

14、源 , 而免受其他光源的影响。Cincinnati 大学的光电 MEMS 器件采用了倒装焊封装 2 ， 如图 1 所示。图 1 美国 Cincinnati 大学的光 MEMS 器件封装3.2 多芯片封装多芯片封装 （ MCP ） 是将 MEMS 芯片和信号处理芯片封装在一个管壳内， 以减小整个器件的体积， 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 封装的另一发展趋势。 采用一块陶瓷或玻璃的基板， 用引线键合或倒装芯片技术将传感器或控制芯片安装在一起， 再把基板封装起来， 完成 MEMS 封装。 图 3 是山西科泰公

15、司图 2 采用倒装焊封装的微麦克风图 3 加速度传感器的多芯片封装 4我们设计了一种微麦克风的封装。 微麦克风需要把音频机械振动信号变成电信号， 再将微弱的电信号送到放大器的输入端。 为了减小信号串扰和引线电感， 必须缩短麦克风与放大器之间的引线， 把微麦克风 MEMS 芯片和放大电路封装在一个管壳里， 微麦克风芯片和放大电路的互连采用倒装焊的形式， 同时减小了封装体积， 以支持微麦克风的特殊用途， 如助听器等， 并利用金丝键合将信号引到外壳管脚。3.3 模块式 MEMS图 4 用板上倒装芯片技术封装的压力传感器 5专题报道10 半导体技术第 28 卷第 6 期二三年六月MEMS 封装成本较高

16、的一个重要原因是没有统一标准。 不同的 MEMS 器件封装有很大差别， 未能形成系列化、 标准化， 这不仅使 MEMS 产品价格上升， 也使其进入市场前的研发时间加长。 为了克服这些缺点， 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， 从而降低了成本， 缩短了进入市场的时间。MOMEMS 设计依赖不同的微加工和精密工程技术。 对于不同具体结构的 MEMS 芯片从封装后功能的实现进行考虑设计， 同时封装可以向三维空间自由扩展， 形成模块。 MOMEMS

17、的 “外壳” 不仅能完成不同功能， 而且可以保证尽可能高的封装密度。不同的外部接口对应于不同的应用领域， 也可以按其结构和所用技术划分接口， 一般分为光学接口、 流体接口和电学接口 9 。 接口数据由总线系统进行传输， 如图 5 所示。技术已成为制约我国 MEMS 产品进入市场的瓶颈，需要大力开展 MEMS 封装技术的研究与开发。 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的， 但是特殊的信号界面、 外壳要求、立体结构、 钝化要求和可靠性要求决定了 MEMS 封装的难点所在， 是需要重点研究的。本文介绍了几种国外比较成熟的先进封装技术。 由于 MEMS 封装已经引起人们的

18、重视， 除了上面介绍的以外， 还有很多先进的封装方法， 研究低成本高性能的封装方法已经成为 MEMS 领域一个重要的课题。参考文献 ：1 HERBERT R ， VOLKER C. Overview and develop-ment trends in the field of MEMS packagingA. Mi-cro Electro Mechanical SystemsC, 2001. MEMS2001. The 14th IEEE International Conference, 2001.2 BOUSTEDT K, PERSSON K, STRANNEBY D. Flipchip

19、 as an enabler for MEMS packagingA. 2002 Elec-tronic Components and Technology Conference Elec-tronic Components and Technology ConferenceC,2002, Proceedings, 52nd , 2002 .3 OUTI R, ALTTI T, JOUKO V. Packaging inducedstresses in a packaged micro mechanical microphoneA, 1998 International Symposium o

20、n AdvancedPackaging MaterialsC.4 微纳电子技术， 山西科泰微技术有限公司， 后插 1.5 GUO W X, et al. A pressure sensor using flip-chip onlow-cost flexible substrate. 2001 Electronic Compo-nents and Technology Conference.6 MALSHE A P, et al . Challenges in the packaging ofMEMS. International Microelectronics And PackagingSo

21、ciety.7 李秀清， 周继红 .MEMS 封装技术现状与发展趋势 J.半导体情报， 38 (5).8 毅力 . MEMS 的微封装初探 . 电子工业专用设备， 1997,2.9 SCHUENEMANN M ， et al . MEMS modular packagingand interfaces. 2000 Electronic Components and Tech-nology Conference.( 收稿日期 ： 20021220)作者简介 ：王海宁 （ 1978- ） 女， 吉林人， 硕士研究生， 2001 年获天津大学微电子专业学士学位。图 5 MOMEMS 的总线系统4 结论封装是器件基本组成部分之一， 只有已封装的MEMS 器件才能成为实用的产品， 才能投入使用。随着 MEMS 芯片的研究日益成熟， 相对落后的封装专题报道