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MEMS工艺——微系统装配与集成石云波3920397(O)shiyunbo@nuc.edu.cn主要内容封装的概念分类主要技术封装材料一、概念大多数MEMS和微系统中都含有一些尺寸在微米级的精确的元件这些元件如果不能被很好的封装就很容易出现故障或结构损坏封装所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的插槽与其他器件相连接。它起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM。微电子封装的目的是进行机械保护和电连接，保护精密的集成电路避免由于机械和环境方面的侵害，并且去除集成电路产生的热。封装所起的另外一个主要作用是保证在器件的内外之间和各组成部分之间的能源的传递和信号的变换集成电路的封装集成电路封装不仅起到集成电路芯片内键合点与外部进行电气连接的作用，也为集成电路芯片提供了一个稳定可靠的工作环境，对集成电路芯片起到机械或环境保护的作用，从而使集成电路芯片能够发挥正常的功能，并保证其具有高稳定性和可靠性。封装应具有较强的机械性能、良好的电气性能、散热性能和化学稳定性。集成电路封装示意图一般的，电子系统封装等级分为四个层次：芯片—模块层次是卡级阶段将卡组装成板不同的插板组装成系统第一级和第二级的微电子封装技术前两级封装的可靠性问题芯片或钝化芯片与芯片附着层、垫片之间的分离，和塑料老化连接处因疲劳失效焊接点疲劳断裂印制电路板翘曲。微系统封装主要设计要求：在主件的制造、装配、封装中所需的成本所设计产品可预期的环境影响对产品封装设计中错误操作及偶然事故的充分估计。正确选择材料以保证封装的可靠性。尽量使电子引线和连接点减小MEMS封装近年来MEMS技术的迅猛发展，使人们将活动感应与微电子电路集成在一个系统乃至一个芯片上成为可能，这个突破性技术进步将大大促进系统的小型化和全功能化。在惯性MEMS领域、RFMEMS领域、光电子MEMS领域和自动化控制领域均取得了巨大的成就。在其中，MEMS封装技术起着至关重要的作用。MEMS封装的特点具有可动结构；目前的技术水平难以实现单片集成；有些MEMS器件的检测信号比较微弱，需要减小传输损耗，进行微封装；需要电、声、光、流体等多种I/O端口，而电路部分需要气密封装；需要研究封装与MEMS器件之间的应力、温度传导。气密MEMS封装能给芯片提供气密环境，减少了恶劣环境中的酸性气体、水汽、灰尘等对微机构的腐蚀和破坏。压力传感器的封装微系统封装可以分成三类一级：芯片级二级：器件级三级：系统级1.芯片级封装芯片级封装包括组装和保护微型装置中许多的细微元件芯片级封装主要目标：保护芯片或其他核心元件避免塑料变形或破裂保护系统信号转换的电路对这些元件提供必要的电和机械的隔离确保系统在正常操作和超载状态下的功能实现2.器件级封装器件级封装需要包含恰当的信号调节和处理器件级封装最大的挑战就是接口的问题：微型硅片和核心元件的界面与其它封装好的部分的尺寸大不相同这些微型元件在环境中的接口界面，尤其是考虑到诸如温度、压力、工作场合以及接触媒介的毒性等因素3.系统级封装系统级封装主要是对芯片和核心元件单元与主要的信号处理电路封装；需要对电路进行电磁屏蔽、恰当的力和热隔离；系统级封装的接口问题主要是安装不同尺寸的元件微系统封装中的接口问题接口问题使得为器件和信号处理电路以及考虑密封工作介质和电磁场问题而选择合适的封装材料成为微系统成功设计中的一个关键问题生物医学接口光学接口机械接口电机械接口微流体学接口每一个微生物系统必须满足以下接口的需要：在整个使用周期中能抵抗化学侵蚀。当其作为生物传感器时允许同生物材料混合。用作如起博器的仪器导管时必须对周围生物细胞环境没有损害和伤害。不能引起不合乎要求的化学反应生物医学接口光学接口光学MEMS需要：适合于光束的接收和反射的通道；适合于光束的接收和反射的恰当涂覆的表层；在器件使用期，保证涂覆表面的质量；暴露的表面能够抵抗外部杂质的污染使封装内部避免潮湿，环境的湿度可以导致精细的微型光机械元件的粘附机械接口机械接口涉及到MEMS中可动部分的设计问题，需同它们的驱动机构连接起来；不恰当的处理接口会造成微元器件的故障和损坏电机械接口电的绝缘、接地和屏蔽是这类MEMS微系统的典型问题。这些问题在低电压级的系统中表现的更为明显微流体学接口微流体的密封和通道的接触壁与流体之间的接口是与接口相关联的两个主要的封装问题三、封装技术1、芯片准备2、表面键合3、引线键合4、密封1、芯片准备使用一个完整的硅晶片只生产一个芯片或者使用一个晶片制作一个装置，这在MEMS和微系统中是很少见的2、表面键合微系统元件的键合是在微系统封装中最具有挑战性的问题；微系统工业对发展新的，更有效的键合技术和工艺进行了顽强的努力键合技术形成复杂的三维微机械结构，需要增加结构材料的厚度。为了满足这种需要和允许制造过程中增加数十微米至数百微米厚的结构层，另一方面为了对微系统进行保护，研究出了键合技术。这种技术不用胶和粘法剂材料层就能融合到一起，形成很强的键。键合技术有两种：一种叫做阳极键合，另一种叫做直接键合。1）、静电键合静电键合又称场助键合或阳极键合，静电键合技术可将玻璃与金属、合金或半导体键合在一起。它不同于任何粘结剂粘合，键合界面有良好的气密性和长期稳定性。阳极键合主要用于硅—玻璃键合，对微机电系统器件进行封装。静电键合的原理硅与玻璃的键合可在大气或真空环境下完成。键合温度为180～500C，接近于玻璃的退火点，但在玻璃的熔点（500～900C）以下。将要键合的玻璃抛光面与硅片抛光面面对面地接触，玻璃的另一面接负极，整个装置由加热板控制，硅和加热板也是阳极。当在极间施加电压（200～1000V，视玻璃厚度而定）时，玻璃中的Na+离子向负极方向漂移，在紧邻硅片的玻璃表面形成宽度约为几um的耗尽层。由于耗尽层带负电荷，硅片带正电荷，所以硅片和玻璃之间存在较大的静电吸引力，使二者之间形成牢固的化学键。硅与玻璃的阳极键合过程在键合温度（180～500C）下，紧密接触的玻璃与硅界面上将发生化学反应，形成牢固的化学键，促成玻璃与硅在界面上实现固相键合，键合界面区变成黑灰色。键合强度可达到玻璃或硅自身的强度量值，甚至更高。在阳极键合过程中，加上电压，即刻有一电流脉冲产生；稍后，电流几乎降为0，表明此时键合已经完成。所以可通过观察外电路中电流的变化，判断键合是否已经完成。静电键合中，静电引力起着非常重要的作用。例如，键合完成样品冷却到室温后，耗尽层中的电荷不会完全消失，残存的电荷在硅中诱生出镜象正电荷，它们之间的静电力有1MPa左右。可见较小的残余电荷仍能产生可观的键合力。另外，在比较高的温度下，紧密接触的硅/玻璃界面会发生化学反应，形成牢固的化学键，如Si-O-Si键等。如果硅接电源负极，则不能形成键合，这就是“阳极键合”名称的由来。2）硅硅阳极键合硅与硅的互连，也能用阳极键合，但在2硅之间须加入中间层。常用的中间层材料为硼硅酸玻璃（7740＃）。键合过程先把要键合的硅片表面抛光，并在其中1个硅片表面上淀积一层后2～4um的7740玻璃膜。阴极就接在覆盖7740玻璃膜的硅片上，阳极接在另一硅片上。这里，玻璃还起绝缘作用，使电流不能通过结合面。阳极键合在SOI中的应用3）、硅硅直接键合两硅片通过高温处理可直接键合在一起，中间不需要任何的粘结剂，也不需要外加电场，工艺简单，这种技术称为热键合技术、硅直接键合(SDB)技术，也称硅熔融键合(SFB)技术。这种技术是将硅晶片加热至1000C，使其处于熔融状态，分子力导致两硅片键合在一起。优点：1、可以获得Si-Si键合界面，实现材料的热膨胀系数、弹性系数等的最佳匹配，得到一体化的结构。2、键合强度可以达到或绝缘体自身的强度量值，且气密性好。3、利于提高产品的长期稳定性和温度稳定性。热键合工艺键合工艺基本步骤如下：(1)将两抛光硅片(氧化或未氧化)先经含OH-的溶液浸泡处(2)在室温下将两硅片面对面贴在一起；(3)将贴合好的硅片，在O2或N2环境中经数小时高温处理后形成了良好的键合。键合过程与热键合工艺的相关因素(1)用表面处理过的硅片进行键合要比原始硅片要容易得多；(2)温度对键合时键合界面产生的孔洞数量、孔洞的尺寸有影而这种孔洞在900～1100C高温下处理几小时后消失；(3)键合强度随温度的升高而增加；(4)对硅表面要求有较好的平整度，以避免形成孔洞。Si-Si或SiO2-SiO2直接键合的关键是在硅表面的活化处理、表面光洁度、平整度以及在工艺过程中的清洁度。硅硅键合表面缺点：Si-Si和SiO2-SiO2直接键合需在高温（700～1100C）下才能完成，而高温处理过程难以控制，且不便操作；因此，能否在较低温度或常温下实现Si-Si直接键合，就成为人们关注的一项工艺。这项工艺的关键是，选用何种物质对被键合的表面进行活化处理。试验证明：惰性气体（如氩气Ar）与硅表面上的原子不发生反应，但却能激活硅表面。在真空环境下，采用Ar离子束对已预处理过的硅表面进行腐蚀，并使表面清洁化，经过这样的处理的一对硅表面，在室温、真空条件下，便能实现牢固的键合。其键合强度与高温下直接键合的强度等同。键合的过程先对要键合的一对硅片进行表面处理和清洗；把清洗好的硅片放入键合设备中，真空腔内的残余气体压力不得大于2×10－6Pa；Ar气源对硅表面腐蚀期间的电压为1.2Kv，Ar等离子电流为20mA，Ar离子的如射角为45，射向硅表面的Ar压力为0.1Pa，腐蚀时间约为1分钟，腐蚀深度约为4nm；经Ar腐蚀、去污及清洁后的一对硅片在外加约为1MPa压力的作用下，即可完成室温条件下实现牢固的硅硅键合。Ar腐蚀和键合的全过程都在真空条件下完成。硅－硅直接键合的应用4）、玻璃封接键合材料：用于封接的玻璃多为粉状，通常为玻璃料。由多种不同特征的金属氧化物组合而成，不同比例的组成成分，热膨胀系数不同。形态：非晶态玻璃釉，为热塑性材料；静态玻璃釉，为热固性材料若在其中添加有机粘合剂，便形成糊状体，且易用丝网印制法形成所需的封接图案，称其为封接玻璃和钎料玻璃。玻璃封接工艺将纯度高、含钠低及超精细的玻璃粉悬浮于匀质的酒精溶液中，并设法采用丝网印制、喷镀、淀积或挤压等技术，将其置于一对被键合的界面间实现封接。封接温度：415～650C；施加压力7～700KPa玻璃封接装置特点：封接好的表面气密性好；有较高的机械强度。5）、金属共熔键合所谓金属共熔键合，是指在被键合的金属表面夹上一层金属材料膜，形成3层结构，然后在适当的温度和压力下实现熔接。共熔键合常用材料：金－硅，共熔温度为360～400C铝－硅，共熔温度接近600C金硅共熔金硅共熔键合常用于微电子器件的封装中，用金硅焊料将管芯烧结在管座上。金硅焊料是金硅二相系（硅含量为19at.%），熔点为363C，要比纯金或纯硅的熔点低得多。在工艺上使用时，它一般被用作中间过渡层，置于欲键合的两片之间，将它们加热到稍高于金硅共熔点的温度。在这种温度下，金硅混合物将从与其键合的硅片中夺取硅原子以达到硅在金硅二相系中的饱和状态，冷却以后就形成了良好的键合。利用这种技术可以实现硅片之间的键合。金在硅中是复合中心，能使硅中的少数载流子寿命大大降低。许多微机械加工是在低温下处理的，一般硅溶解在流动的金中，而金不会渗入到硅中，硅片中不会有金掺杂。这种硅-硅键合在退火以后，由于热不匹配会带来应力，在键合中要控制好温度。硅－金－硅共熔硅－金/硅－硅3层结构，靠金－硅层实现共熔键合硅与镀金金属共熔硅与金属底座的键合，预先在底座上蒸鍍一层金膜，利用金－硅共熔实现键合。金－硅层与金属共熔与硅－金