微系統(tǒng)與中規(guī)模器件的封裝技術設計

楊建生

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

微系統(tǒng)與中規(guī)模器件的封裝技術設計

楊建生

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

文章主要論述了微機電系統(tǒng)（MEMS）和微系統(tǒng)諸如微傳感器、驅(qū)動器和微流體元件的電機封裝技術、封裝等級和封裝技術相關的問題。首先陳述并討論了典型的MEMS產(chǎn)品諸如微壓傳感器、加速度計和微泵；微電子封裝和微系統(tǒng)封裝技術，重點闡述芯片級封裝技術和器件級封裝技術問題。芯片級封裝技術主要涉及芯片鈍化、芯片隔離和芯片壓焊；器件級封裝技術主要涉及信號轉(zhuǎn)導、絲焊和元件焊接。接著，論述了微系統(tǒng)封裝工程技術諸如封裝設計、制造、組裝和試驗。最后列舉了微系統(tǒng)封裝中的主要問題，包括封裝設計標準和方法、封裝組裝和試驗以及微/中元件的接口等。

電機封裝；MEMS；微系統(tǒng)；封裝問題；封裝等級

1 引言

近年來微系統(tǒng)工程技術因其本身發(fā)展迅速和在很多新領域的廣泛應用，取得了引人注目的發(fā)展。微系統(tǒng)包括三種主要元件：傳感器、驅(qū)動器和信號處理單元。在廣義范圍內(nèi)，微系統(tǒng)包含微機電系統(tǒng)（MEMS）、信號轉(zhuǎn)導和處理單元以及電機封裝。

很多MEMS和微系統(tǒng)涉及多種形式的微小薄型梁和隔膜結(jié)構(gòu)元件，各類元件過度的機械變形或幾何形體改變會嚴重影響各種器件的性能。因此，這些產(chǎn)品恰當?shù)臋C械設計和電機封裝技術設計將不僅保證產(chǎn)品的預設性能，而且也將使產(chǎn)品更具可靠性和在市場中更具競爭力。

電機封裝技術是實現(xiàn)微系統(tǒng)產(chǎn)品商品化的關鍵因素，封裝微壓傳感器的成本范圍占整個微壓傳感器成本的20%到95%。微電機傳感器的物理尺寸因其最終的封裝尺寸變小而變小。如果封裝技術不充分，微型化的大部分優(yōu)點就難以顯現(xiàn)，高成本和大封裝尺寸成為發(fā)揮微系統(tǒng)產(chǎn)品市場潛力的主要障礙。

電機封裝技術標準和設計方法論的缺乏是目前微系統(tǒng)封裝技術不完善的主要原因。其一，機械工程師參與MEMS工藝技術研發(fā)較晚，因此微系統(tǒng)產(chǎn)品的機械設計常常被忽視，大量研究工作主要集中于制造工藝和在微電子學中采用的現(xiàn)存各種材料的應用。其二，由于微系統(tǒng)和MEMS行業(yè)被認為是“高風險、高付出、高回報”行業(yè)，與產(chǎn)品設計和封裝技術有關的大量信息被生產(chǎn)這些產(chǎn)品的公司嚴加保密。

2 典型的MEMS產(chǎn)品

圖1示出了在典型的微壓傳感器、加速度計和微泵中的主要元件。圖1（a）測量工作方法媒介的壓力，加壓媒介使粘附于約束基底的薄型隔膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)。隔膜典型狀況下是一種從硅晶圓片上切下來的方塊（芯片），該芯片尺寸變化范圍從幾微米到1mm。隔膜片的上面與加壓媒介不接觸，有通過涂敷P或N型硅片注入的壓敏電阻器。通常在隔膜片的四角附近的中跨距處注入四個壓敏電阻器，這些壓敏電阻器擔當微型傳感器的作用，把加壓媒介引起的隔膜片中的機械應力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧母淖?。從硅芯片到互連進行引線鍵合，把后面的信號傳遞到外部電路。

感知元件由硅芯片、約束基底、傳感器、引線鍵合以及被裝配到由塑料或金屬制成的圓桶狀盒中的互連組成。微型加速度計由如圖1（b）所示的方法構(gòu)成。在質(zhì)量-彈簧振動系統(tǒng)中，懸臂梁或方形隔膜片的功用是作為彈簧，把尺寸大小為幾毫米的芯片，粘附到約束基底，再依次粘附到金屬封殼，接著把封殼粘到加速度測量要求的電機上。微加速度計不同的設計就是把薄型梁粘到兩端的兩個系繩上，系繩起著彈簧的作用。通過壓敏電阻或在振動梁或隔膜片中注入壓電晶體，把微型加速度計中振動質(zhì)量的振幅和頻率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘??；蛘咄ㄟ^粘附到系繩上再粘到振動梁的電極中電容的變化，在微壓傳感器中把這些信號傳遞到外部電路。

圖1（c）示出了微泵通過在泵腔中形成真空壓力使液體流過薄型P或N涂敷硅隔膜閥。真空動力由靜電力誘導的薄型硅隔膜上抬產(chǎn)生，此類具有方形幾何狀的微泵，使用芯片尺寸為4mm×4mm×25μm（厚度），恰當?shù)某槲δ芤蕾囉谄骷行倔w的受控偏轉(zhuǎn)。

3 微電子學與微系統(tǒng)封裝技術

大部分MEMS和微系統(tǒng)工藝技術起源于微電子學，微電子學的大部分微組裝技術可用于制造微系統(tǒng)元件。微電子學封裝工藝技術也能用于微系統(tǒng)封裝，但微系統(tǒng)封裝技術比微電子封裝復雜得多。微電子封裝的目的就是提供機械支持、電連接和對集成電路受到的機械和環(huán)境諸方面的侵襲進行保護，也涉及到除去由硅芯片上IC產(chǎn)生的過度的熱。微系統(tǒng)封裝的目的，除了完成微電子封裝必須要完成的所有功能之外，還要把裸露的微小管芯或驅(qū)動元件直接與工作媒介相連接，這通常要求芯片材料能夠適應惡劣的環(huán)境。并且?guī)缀跛械奈⑾到y(tǒng)封裝均涉及復雜的微小三維（3D）結(jié)構(gòu)，因此，微系統(tǒng)封裝比微電子封裝更具挑戰(zhàn)性。

電子封裝通常可分為四級：第一級為芯片和模塊級，在此封裝中把硅芯片上的集成電路封裝到模塊里；第二級為“卡”級封裝，把各種模塊封裝到功能“卡”上；第三級為“板”級封裝，把各種“卡”裝配到“板”上；第四級為“系統(tǒng)”級封裝，把各種板裝配形成系統(tǒng)。

MEMS封裝技術可分為三級，即芯片級、器件級和系統(tǒng)級。芯片級封裝技術涉及到微小易碎的感知和驅(qū)動元件的鈍化和隔離，在很多情況下，也包括芯片和引線鍵合技術，其目的是保護芯片或其他核心元件避免塑性變形或破裂，保護系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換電路對部分元件提供必要的電和機械隔離等；器件封裝級涉及電源、信號轉(zhuǎn)導及互連技術，包含適當?shù)男盘栒{(diào)節(jié)和處理，該級封裝的最大挑戰(zhàn)是接口問題；系統(tǒng)級封裝技術把MEMS器件與主要的信號控制電路融于一體，是對芯片和核心元件以及主要的信號處理電路的封裝，以滿足客戶的應用要求。

4 芯片級封裝

芯片級封裝技術主要任務為：芯片鈍化、芯片隔離和芯片壓焊。

4.1 芯片鈍化

微系統(tǒng)中的芯片通常需要與惡劣的工作媒介直接接觸，因此為了確保器件的長期功效，對這些微小易損的芯片的恰當保護是非常關鍵的。有幾種方法可保護芯片免受有毒的媒介物的影響。

（1）在裸露的芯片表面上淀積一薄層有機材料，諸如聚對亞苯基二甲基，進行低壓化學汽相淀積（LPCVD），按照2μm或3μm厚度的次序可完成這些薄層的淀積。這種形式鈍化的副作用，就是對精確的感知或驅(qū)動功能來說增加層會使芯片變得太硬。

（2）用軟材料諸如圖2所示的硅膠涂敷芯片表面，硅膠隨時間變硬是芯片鈍化的主要問題。

（3）采用如圖3所示的埋置型覆蓋，覆蓋材料如塑料可應用于有必需通道的芯片上，引線鍵合通過激光融除打通。

（4）通過表面鈍化，圖4示出了通過表面微機電技術保護芯片的有效方法。薄層的普通犧牲層材料諸如磷硅酸鹽玻璃（PSG）或二氧化硅首先淀積到芯片表面上，接著淀積別的材料諸如多晶硅，然后再蝕刻保護材料，在芯片和用于粘附的保護多晶硅之間留個空腔，諸如傳感器和引線鍵合之間，LPCVD是用于淀積的常用工藝。

4.2 芯片隔離

芯片是圖1所示的微器件的關鍵部分。引入這些芯片發(fā)生形變及產(chǎn)生的應力，免受由別的因素導致的干擾，例如壓力傳感器隔膜片中理想的應力應為通過增壓媒介產(chǎn)生的應力，而不是由別的因素諸如芯片與約束基底之間熱膨脹系數(shù)不匹配等。同樣，通過微加速度計測量加速或減速時，該器件應設計為免受所有諸如加速度計自身的共鳴振動或熱效應對元器件的影響。

芯片隔離可通過有最佳幾何形狀以及具有適當芯片粘附的機械設計來得到。例如，圖1（c）所示的硅芯片彎曲中更多的彎曲，可通過增大如圖5所示的芯片高度而獲得，以便更好地調(diào)節(jié)芯片與基底之間熱膨脹系數(shù)的差異。對芯片而言，通過引入如圖5所示的一個熱片，也是通常提供額外柔性的方法。粘片采用軟材料諸如硅樹脂橡膠，也可提高芯片隔離狀況。

4.3 芯片壓焊

把芯片壓焊到約束基底有很多種方法，陽極壓焊是焊接硅和玻璃晶片的普通方法，此工藝要求在溫度為450℃～900℃狀況下，把高達1 000V的直流電壓應用于雙層材料。使用此工藝把硅芯片壓焊到玻璃基底，既可靠又密封。把低共熔合金（Sn60Pb40）應用于芯片壓焊，此工藝要求首先把壓焊表面用厚度為不到1μm的貴金屬電鍍，雖然低共熔壓焊結(jié)果既可靠又密封，但是在部分應用中證明對芯片隔離太硬。芯片壓焊的另一種材料是環(huán)氧樹脂，此方法對芯片隔離提供更多柔性，但環(huán)氧樹脂具有嚴重的老化問題，并且易受濕度和化學侵襲影響。最好的芯片隔離壓焊材料為硅樹脂橡膠，它提供熔接密封，缺點是沒有抗拉強度。

5 器件級封裝

器件級封裝主要包括：信號轉(zhuǎn)導、引線鍵合和元件焊接。

5.1 信號轉(zhuǎn)導

信號轉(zhuǎn)導和信號傳輸是微器件的關鍵部分，信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)的選擇、制造和控制要求在器件生產(chǎn)前進行仔細的設計，圖6示出了適用于微系統(tǒng)的各種轉(zhuǎn)導體系。恰當?shù)碾姌螂娐分T如惠斯頓電路橋要求信號轉(zhuǎn)換和信號調(diào)節(jié)，由感知材料的化學磁滯或諸如溫度和濕度造成的環(huán)境影響而導致的各種誤差，通常需要輔助電路進行補償。

5.2 引線鍵合

芯片中由傳感器生成的各種信號需要與如圖1（a）和（b）所示的互連連接，采用傳統(tǒng)的引線鍵合技術可達到此目的，對微電子學而言，包括諸如熱壓縮、超聲波和熱超聲壓焊技術。

5.3 元件焊接

在微器件中連接各種元件沒有固定的標準技術，適合的技術包括：采用環(huán)氧樹脂和膠粘劑的粘附，在高溫狀況下諸如硅材料的熱融合壓焊，在微電子學中通常采用的物理和化學汽相淀積技術。在使封裝堅固使用的金屬套管連接各種小部件中采用錫焊及焊接技術。

6 微系統(tǒng)封裝工程

微系統(tǒng)封裝技術四個主要的工程技術：封裝設計、制造、裝配和測試技術。

6.1 封裝設計

微系統(tǒng)的工程技術設計在很多方面不同于傳統(tǒng)的機器設計，它要求把電機、機械材料、機械制造工藝（物理和化學）的原理和理論以及制造能力和組裝的設計融合起來。可靠且節(jié)省成本的微系統(tǒng)封裝的設計要求應用所有以前提到的工藝技術原理。重要的封裝設計包括：制造技術、系統(tǒng)裝配、電通路、芯片及引線鍵合的成本，環(huán)境影響是封裝設計中的關鍵因素。最佳的材料選擇對封裝總成本具有重要作用。涉及封裝技術設計分析的復雜的幾何形體和負載及接口條件，已形成僅用于此目的的實用工具——有限元法（FEM）。

6.2 封裝制造

前面陳述的芯片鈍化及隔離技術已得到業(yè)界的研究和推廣應用，封裝中各種元件的焊接仍然是一個主要的難題。

6.3 封裝組裝

對封裝工程師而言，把微小尺寸元件進行封裝組裝是極具挑戰(zhàn)性的，為了實現(xiàn)批量生產(chǎn)，已研發(fā)出微規(guī)模元件自組裝的幾種技術。然而，這些技術還處于研發(fā)的早期階段，僅限于組裝微元件的簡單幾何體的配制。把微型及中規(guī)模元件組裝到集成系統(tǒng)還需要適當?shù)墓ば蚝凸ぞ?，需更進一步進行探討。

6.4 性能試驗

依據(jù)器件功能，微系統(tǒng)封裝測試技術涉及對工作媒介電、光、磁泄露的密封試驗，在應用范圍內(nèi)也需要對封裝功能可靠性及牢固性進行測試。

7 微系統(tǒng)封裝技術中的主要問題

近年來MEMS及微系統(tǒng)的商業(yè)化已得到了快速發(fā)展，產(chǎn)品封裝技術的突出問題受到業(yè)界和研究機構(gòu)的高度重視。

7.1 封裝技術設計標準與方法

微型/中規(guī)模器件業(yè)是增長最快的行業(yè)，除了汽車行業(yè)使用的一些類型的壓力和慣性傳感器之外，大多數(shù)MEMS和微系統(tǒng)產(chǎn)品構(gòu)建于批量生產(chǎn)。標準化的設計方法實際上還未制定，然而，如果業(yè)界和研究機構(gòu)能夠合作共同研究幾套在通用微器件諸如傳感器、驅(qū)動器和微流體裝置基本元件的設計標準，將是很有幫助的。一個急待解決的問題就是裝配微器件的幾何偏差，做好這些產(chǎn)品制造和封裝材料的標準化將對業(yè)界極具價值。存在需要加強研究的領域，“薄膜結(jié)構(gòu)”包括在有限元法中使用的薄膜材料的構(gòu)成關系，以及微結(jié)構(gòu)的別的強度分析。處理極復雜的有內(nèi)在影響的問題的方法和公差，是從元器件中需要研究的微型制造工藝推斷出來的。另一領域是微器件的信號轉(zhuǎn)導，涉及傳感器選擇、信號傳輸速度、信號調(diào)節(jié)及處理的諸多問題需要解決。

7.2 封裝組裝

壓焊是微系統(tǒng)組裝的關鍵問題，需研究可靠的“微型焊接”技術，免受殘余物的影響，在本文中論述的目前的壓焊理論有嚴重缺陷，引線鍵合技術是需要進一步研討的領域。從圖1可具體地看出，引線鍵合在封裝中占去了太多的空間，選擇的絲焊技術將重點促成封裝的微型化。諸如微組裝機器人工具需要進行研發(fā)以適應微/中型封裝技術組裝，這些工具必須足夠智能化以便應對封裝中微型元器件?？紤]研發(fā)適應智能化的微末端控制器作為通向微機器人的中間步驟。

7.3 測試

設計微器件以便實現(xiàn)具有精度和靈敏度的功能，在要求幾乎沒有誤差的系統(tǒng)諸如航空航天、汽車安全和生物醫(yī)學等領域常常使用這些微器件。性能測試方面對產(chǎn)品的可靠性和堅固性的測試是非常關鍵的，與此有關的問題為：用于特定器件及應用的測試程序和用于測試的恰當?shù)牟呗耘c方法。為了解決這兩方面的問題，需要做大量的研討工作。

7.4 微/中型元器件接口

目前把微型芯片封裝到相同規(guī)模的器件中是不可想象的，微器件如果不是厘米級，將可能是毫米級的中規(guī)模器件，尺寸有重大區(qū)別的元器件的接口在制造和組裝中呈現(xiàn)很多問題。因此制造和組裝中接口的現(xiàn)實設計方法成為重要的研究領域。

8 結(jié)論

采用與微/中規(guī)模元器件有效集成的封裝技術已成為MEMS和微系統(tǒng)工藝技術的關鍵問題，也是產(chǎn)品微型化的重要因素。本文概括了MEMS及微系統(tǒng)的電機封裝技術，并論述了與該封裝技術相關的問題。

21世紀面臨的一些問題日益受到MEMS市場的影響。例如，MEMS傳感器正在用于能源領域，幫助尋找和開發(fā)新的能源。地震檢波器用于勘探石油和天然氣，慣性傳感器用于隨鉆測量，通過改善工業(yè)流程、高效住宅取暖和精確計費系統(tǒng)來充分利用當前的能源。MEMS也在幫助解決其他社會問題，如老齡化和肥胖，還可以提供針對老人的侵入性較小的監(jiān)控方式，實現(xiàn)成本適當?shù)?、連續(xù)性的診斷，以更好和更舒適地給藥。MEMS已進入我們的生活，從技術、醫(yī)藥到健康無所不在，基于MEMS封裝技術的產(chǎn)品應用前景廣闊。

［1］T. R. Hsu. Design, Manufacturing and Packaging of Microsystems. Boston, MA, McGraw, Hill, 2001.

［2］張海霞，趙小林，等譯.微機電系統(tǒng)設計與加工[M]. 機械工業(yè)出版社，2009，4.

［3］田文超. 微機電系統(tǒng)（MEMS）原理、設計和分析[M].西安電子科技大學出版社，2009，5.

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Packaging Design of Microsystems and Meso-scale Devices

YANG Jian-sheng
（Tianshui Huatian Technology Co., Ltd., Tianshui741000,China）

This paper will present an overview on electromechanical packaging of microelectromechanical systems （MEMS) and Microsystems such as microsensors, actuators, and fluidics. Technical problems, packaging levels and major issues related to packaging design will also be presented and discussed. Technical problems and packaging levels mainly include die level packaging and device level packaging. Die passivation, die isolation and die bonding are stated in die level packaging, signal transduction, wire bonding and component bonding are discussed in device level packaging. Moreover, the major issues such as packaging design standards and methodology, package assembly, testing, and interface of Micro/Mesocomponents are finally explained in the article.

electromechanical packaging; MEMS; microsystems; packaging issues; packaging levels

TN305.94

A

1681-1070（2011）05-0005-05

2011-03-29

楊建生（1964—），男，甘肅秦安人，本科，現(xiàn)為天水華天科技股份有限公司工程師，主要從事半導體集成電路科技情報信息工作和項目管理工作。

封裝、組裝與測試