MEMS的封装

MEMS的封装MEMS概述微机电系统（MicroelectromechanicalSystems，缩写为MEMS）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统（美国称谓）。欧洲：MST即微系统技术；日本：微机械技术（micro-machine）；MEMS制作技术日本：微机械加工方法-大机器制造小机器；德国：LIGA技术-利用X射线光刻技术通过电铸成型和塑铸成型的深层微结构方法；美国化学刻蚀对Si材料进行加工而成的MEMS器件.MEMS应用区域作为微电子学与微机械学相互融合的产物，微机械电子系统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、电成一体甚至光、机、电成一体的新器件，有着广阔的应用前景，例如现在一些新型的小轿车中，已装有多种MEMS器件，像温度传感器、压力传感器、加速度计、尾气探测器和各种控制器等。MEMSStructuresIBMMEMSDNADetectorElectrostaticRelay-UWMoreMEMSTweezersUW-MadisonAretheMicrobots”coming?Guess?MEMS封装的重要性只有经过封装的MEMS器件才能真正称其为产品，才能投入使用，否则只能称作“MEMS芯片”；目前，很多成功的MEMS芯片没有作为产品得到实际应用的主要原因就是MEMS的封装技术滞后于器件研究；MEMS封装技术的发展将直接影响到MEMS产品的进一步发展和进入市场。MEMS封装的成本MEMS封装是MEMS系统成本的60‾90%！MEMS封装基本概念MEMS的制备很多借助于IC的平面制作工艺，MEMS封装的基本技术借助于传统的IC封装技术，包括外壳/基板的材料选择、封装型式、互连技术、可靠性考虑等等。MEMS封装：–包含电、机械部件–与外界的互连–MEMS芯片的保护系统的概念MEMS封装的功能具有IC封装的基本功能–机械支撑–环境保护–电连接–散热机械支撑MEMS的本质是机械运动，所以封装和保护首先考虑的问题包括机械震动与冲击、加速度、颗粒以及避免各种物理损伤。封装引起的机械应力以及对MEMS功能的影响随应用而不同。封装外壳/基板的热膨胀系数是封装中需要重点考虑的因素。–其他材料特性如热、电、抗腐蚀等侧壁和盖板的引入环境保护及电连接非传统的密闭封装，只是“housing”以避免外界的损伤。环境腐蚀取决于MEMS中的材料Al易于腐蚀，Au难以腐蚀水汽是考虑的重点因素系统集成导致了电信号传输的问题，尤其对于RF信号。理想的零损耗是无法达到的。引线键合和倒装焊技术。散热热阻必须减小–基板、芯片粘接层、外壳–热导率和厚度–薄、良好键合MEMSMotion•悬臂梁•滑动•内接触旋转：齿轮•铰链•组合动作Sandia,UW,ADMEMS封装技术的特殊性–特殊的信号界面（包括电、光、磁、机械力、温度、……多种输入信号）–特殊的外壳要求（简单的密封已经不再适应，需要考虑不同的应用）–特殊的立体结构（非平面工艺，腔体、悬梁、薄膜、……）–特殊的芯片钝化要求–特殊的可靠性要求PackagingChallenges•MEMSdevicescanbeveryfragile–pre-packagehandlingconcerns–moreprotectionbypackage•Mostrequirehermeticpackage•MOEMS(later)requiresawindow&controlledatmosphere.•Biggestchallenge:cost-effective,highvolumepackagingThistypeofmachinecanbeusedtoselectivelyencapsulateMEMS-onelikethisisusedoninkjetcartridges.CourtesyofSpeedlineSelectiveEncapsulationInkJet“Gun”I-TABpackageMEMSbaredieMEMSMEMS封装的类型MEMS封装的三个基本考虑因素：–成本、性能和可靠性每一种MEMS器件均需要特别的封装。基本的分类（与IC封装类似）–金属封装–陶瓷封装–塑料封装–多层薄膜封装PackagingMicroRelay-Cronos(HERMETIC)Accelerometer(CAP)InkJetMEMSinTABPackage(SELECTIVE)DPLModules,TI(HERMETIC)NoStandards(HERMETIC)(HERMETIC)(HERMETIC)金属封装实现良好的散热和电磁屏蔽集成或者分立的基板、侧壁和盖板常用材料：–CuW(10/90)、CuMo(15/85)等；–Cu、Ag、Au镀层AuSn焊接电容式微麦克风的封装基板的引入陶瓷封装小重量、易于量产、低成本MEMS或者其他元件集成共烧陶瓷技术厚膜技术实现层内互连存在问题：–烧结收缩率–需要足够的陶瓷－陶瓷界面，限制布线密度–布线材料的选择受限制（W、Mo）LTCC塑料封装和多层薄膜封装低成本层压PI基板–25微米PI/薄膜金属旋涂积层（Built-up）基板技术PI相对介电常数–2.8‾3.2MEMS封装的示意图MEMS封装相关技术MEMS封装中的芯片粘接TensilestrengthShearstrengthFatiguestrengthFracturetoughness(forbrittleattachmentmaterials)CTEThermalconductivityMoistureabsorptionOutgassingCost粘片过程的应力PCB基板设计PCB基板WaferlevelMEMSPackaging组装与集成Chip-on-FlexCap-on-ChipOvermoldingMEMSIC2.Attach&bonddeviceMayrequiregelcoattoprotectthincap1.Applycaptodeviceorwafer;solder,weld,bond.3.Conventionalovermoldingfollowedbysolderballattach.Cap-on-Chip(level-0)MEMSChipCAPVacuumSealCannowbehandledlikeanordinarydie-almost!IMEC’sGlassCapforMEMSPackaging装配封装示意图前孔：进声后孔：粘合剂挥发PCB基板：FR-4金属管帽：钢EncapsulantMEMSFLIPCHIPLightPipeUnderfill应用于MEMS封装的技术Motorola’sPressureSensorMotorolaManifold-AbsolutePressure(MAP)Sensor–Afluorosiliconegelisolatesthediesurfaceandwirebondsfromtheenvironment,whileallowingthepressuretobetransferredtosensordiaphragm.国内某公司的压力传感器封装将传感器与放大电路芯片通过硅基板连接以后与外电路连通；硅基板的作用–应力缓解CapacitiveAccelerometersStationaryPolysiliconfingersBasedonADXLaccelerometers,AnalogDevices,Inc.SpringInertialMassAnchortosubstrateDisplacement铁电微麦克风的封装微麦克风金属封装从单一管芯封装到系统封装Applications:PassivestructuresInkjetPrinterNozzleMicro-MirrorClose-upbyTIonoffRef.“DigitalLightProcessingTMforHigh-Brightness,High-ResolutionApplications”LarryJ.Hornbeck,[e-mail]’smostcomplexmachine?数字投影仪MOEMSMicro-MirrorWINDOWHEATSINKCeramicWeldorsealMEMSDigitalMirrorsonesectionHERMETICGetter250,000mirrorsAgentsthatcounteractharmfulcontaminantswithinasealedpackage;thisincludessolids,liquids,gasesandcombinations.GettersWillguardandcontrolpackageenvironmentoveranextendedtime.•Particle:attractsandholds.•Moisture:desiccant.•Gas:adsorbs/chemicallyconvertstoliquidorsolid.•Combinations.•Othersarepossible.TypesofGettersWhyUseGetters?•Removeharmfulagentsfromthedeviceenvironment.•Controlatmosphereformanyyears.•Providethemaximumsecurityandreliability;highestlifeexpectance.•Protectoptics;mirrors,lenses•ReducewearMoistureParticleHydrogenHydrogenCombinationsAvailableGettersSummary:Applications•3mainclassesofMEMS–Passivestructures–Sensors–Actuators•Passivestructures–Microreservoirs(injetprinternozzle)–Micro-channels(microfluidics)•Sensors–Pressuresensors–Inertialsensors•Actuators–Digitalmicromirrors(projection)–Gears,transmissions,motors,pumps,valvesSomefutureapplications•Biologicalapplications:–Microfluidics–Lab-on-a-Chip–Micropumps–Resonantmicrobalances–MicroTotalAnalysissystems•Mobilecommunications:–Micromechanicalresonatorforresonantcircuitsandfilters•Opticalcommunications:–OpticalswitchingMicrofluidics/DNAAnalysisInthefuture,acompleteDNAsequencingsystemsshouldinclude:•Amplification(PCR)•Detection(electrophoresis)•Fluidpreparationandhandling(pumps,valves,filters,mixingandrinsing)MEMS!MEMS封装的发展趋势其他MEMS封装RF-MEMS封装–应用新型封装技术（如倒装焊）–走系统封装的路