MEMS封装技术

凌慧珠2019140374概述MEMS芯片级装配技术MEMS芯片级封装技术薄膜封装微帽封装MEMS器件级封装技术划片拾取和定位引线框架和基片材料芯片贴片互连密封和钝化管壳概述微机电系统(microelectromechanicalsystem)简称MEMS，是集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。它将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，涉及微电子学、机械设计、自动控制、材料学、光学、力学、生物学、声学、和电磁学等多种工程技术和学科，是一门多学科的综合技术。MEMS研究的主要内容包括微型传感器、微型执行器、和各类微系统，现已成为世界各国投入大量资金研究的热点。MEMS定义目前，全世界有数千家个单位研制生产MEMS器件，已研究出数百种商用化产品，其中微传感器占大部分。当前，MEMS技术已逐步从实验室研究走向市场，全球MEMS市场需求达到400亿美元，而其带动的相关产品的产值将以千亿元计，下图为一些典型的MEMS器件。典型MEMS器件热驱动MEMS开关静电驱动MEMS开关MEMS封装特点MEMS封装与微电子封装密切相关，早期的MEMS封装基本上沿用了传统微电子封装的工艺和技术；但是，由于MEMS器件使用的广泛性、特殊性和复杂性，它的封装形式和微电子封装有着很大的差别。对于微电子来说，封装的功能是对芯片和引线等内部结构提供支持和保护，使之不受到外部环境的干扰和腐蚀破坏，芯片与外界是通过管脚实现电信号交互。其封装技术与制作工艺相对独立，具有统一的封装形式。对于MEMS封装，除了要具备以上功能以外，封装还需要给器件提供必要的工作环境，大部分MEMS器件都包含有可动的元件，在封装时必须留有活动空间。由于MEMS的多样性，各类产品的使用范围和应用环境存在不小的差异，其封装也没有一个统一的形式，应根据具体的使用情况选择适当的封装，其对封装的功能性要求则比IC封装多。一个典型的MEMS微系统封装不仅包含了IC电路，还包含了工作传感器、执行器、生物、流体、化学、光学、磁学和射频MEMS微器件。对于微传感器和微执行器，除电信号外，芯片还有其他物理信息要与外界连接，如光、声、力、磁等，这样便要求一方面要气密封，另一方面又不能全密封的情况，加大了封装的难度。由于这些输入输出的界面往往对MEMS器件的特性有较大的影响。因此，IC开发的传统封装技术只能应用于少数的MEMS产品。典型MEMS微系统封装示例此外，与微电子标准化的芯片制造工艺不同，MEMS器件由于其空间拓展到三维，不同的器件制作工艺也多种多样，封装技术还必须与相应的制作工艺兼容。在MEMS产品中，MEMS封装包括：完成器件后的划片、检测和后测试、封装结构和形式，以及由封装引起的机械性能变化、化学玷污、热匹配、真空或密闭气氛对器件可靠性、重复性的影响。封装必须从器件研究一开始就应该考虑，并且一定要与具体工艺相结合。因此，MEMS对封装的需求是多方面的，如下图所示。MEMS封装的需求正是MEMS器件这些特殊的要求，大大增加了封装的难度和成本，封装成为MEMS发展的瓶颈，严重制约着MEMS技术的迅速发展和广发应用。一般的MEMS封装比集成电路封装昂贵得多，同时在MEMS产品的制造过程中，封装往往只能单个进行而不能大批量同时生产，因此封装在MEMS产品的总成本中一般占据70-80%，部分产品甚至高达90%。目前，这一问题已经引起了世界各国的极大关注，从经济核算考虑，也应非常重视封装问题。从系统的角度看，MEMS封装包括芯片级装配（或称亚零级封装）、芯片级封装（或称零级封装）、器件级封装（或称一零级封装）、板级封装（或称二级封装)、母版级封装（或称三级封装）。由于板级以上的封装很大程度上可以沿用IC封装技术，因此本章主要讨论前面三个类型，即MEMS芯片级装配、芯片级封装和器件级封装。MEMS封装的种类MEMS芯片级装配技术MEMS芯片级装配是一种新颖而有效的微系统集成方法，其主要功能是芯片封装之前，在同一衬底上实现不同的MEMS、IC器件的机械连接和信号互连。在装配前，微系统中的每种MEMS器件以及IC均可独立设计，通过材料和工艺优化，达到各自的最优性能。在完成各部件加工后，通过微装配技术将各MEMS器件和IC定位于衬底相应的功能区，并完成机械和电学的互连，形成功能更为复杂的微系统。芯片级装配不仅完全消除了器件加工工艺不兼容对系统性能的影响，而且整个系统完全模块化，有利于来自不同领域设计人员之间的协同。概述由于MEMS器件尺寸微小，对微装配的精度要求达到了微米、亚微米级，甚至达到纳米级，这对装配工艺设计、连接方式、装配设备、操作环境、对准方式以及操作方法都提出了非常严格的要求。对于MEMS器件，在整个装配过程中可动结构的处理是一个重要的问题；拾取和放置过程中压力的变化，以及微尺度下的表面效应，如静电力、范德华力和表面张力的影响，都可能会导致MEMS可动结构的损伤和粘附问题。目前，很多研究致力于在液体环境下使用自组装的方法实现芯片集成。自20世纪末，微装配技术已逐渐发展成为MEMS封装与集成的一个重要研究领域，直接影响微系统的可靠性、功能和成本。自组装技术自组装技术是通过可控制的氢键、范德华力、亲疏水作用、表面张力、外部电场和磁场来制作所需的器件结构，实现特定功能，并可通过外力和几何限制改变自组装结果。自组装技术是一种并行加工，定位精度高，据报道可达0.2μm，旋转错位小于0.3度，且粘结点无需覆盖整个表面，部件和粘附层厚度设计灵活。但是，其方向性(z方向)，即高度方向的对准精度仍然无法有效保证，并且实现电学互连需要使用非常特殊的低温焊料。自组装技术具体工艺流程如下：(1)在硅衬底上采用剥离的方法完成金的图形化，金表面为芯片装配的结合点；(2)对结合点表面进行疏水处理，使之活化；具体的操作是先在金表面吸附一层疏水的单分子自组装膜(SAM)，再通过电化学还原反应使非活化区域上的SAM解吸附而失效，表面具有SAM的金图形区域即成了活化的结合点。(3)在衬底表面涂覆一层润滑剂，在衬底浸入水中后，润滑剂会在已激活的结合点表面聚集成液滴，成为芯片装配的驱动力；(4)待装配的芯片进入水中后，芯片上疏水的一面就会与活化的结合点结合，并在表面张力的作用下，与衬底形成自对准，而润滑剂被加热后可以将部件永久固定在衬底上；(5)通过特殊低温合金材料电镀，实现装配部件和衬底之间的电学连接。多批自组装流程图自组装结果LED与衬底的电学装配集成MEMS芯片级封装技术MEMS芯片级封装主要功能是为MEMS器件提供必要的微机械结构支撑、保护、隔离和与其他系统的电气连接，以提高芯片的机械强度和抗外界冲击的能力，确保系统在相应的环境中更好地发挥其功能。该类封装通常是在圆片级实现，所以又称为圆片级封装(waferlevelpackage)。圆片级封装一次可以同时封装许多个微传感器和执行器，提高了MEMS前后道工序协作的效益，是目前MEMS封装研究中的热点。概述MEMS圆片级封装MEMS圆片级气密性封装目前有两种主要的实现方式：薄膜封装和基于圆片键合的微帽封装。MEMS圆片级气密性封装方式MEMS圆片级气密性封装两种方式薄膜封装是基于牺牲层腐蚀技术，其步骤如下：(1)在器件完成之后，在需要保护的部分上覆盖一层较厚的牺牲层；(2)生长一层低应力氮化硅等薄膜作为封装外壳，并进行光刻形成腐蚀通道或小孔；(3)腐蚀液通过腐蚀通道或小孔去除牺牲层，这样就在器件上方形成一个空腔；(4)最后用薄膜淀积或者机械的方法将腐蚀通道封闭，就完成了结构的气密封装。1.薄膜封装薄膜封装所使用的工艺完全在超净间内实现，与大多数MEMS工艺尤其是表面微机械加工工艺完全兼容，可以与器件加工一并进行工艺集成，所占据的芯片面积相对较小，但是工艺的实现尚存在若干问题：(1)牺牲层材料的选择考虑到后续密闭工艺的困难，腐蚀通道比较小，通常至少有一维的尺度小于1μm；如果使用普通的PSG常规设计，其牺牲层释放的过程往往长达数天，长时间的释放可能会损坏芯片上的MEMS器件和电路结构。(2)薄膜的厚度外部环境对MEMS敏感元件来说都是非常苛刻，薄膜封装要有承受器件工作或者后续加工中各种环境影响的能力，比如机械的(应力、摆动、冲击等)、化学的(气体、湿度、腐蚀介质等)、物理的(温度、压力、加速度等)，这就要求薄膜必须有一定的厚度。而使用传统的LPCVD的方法淀积的薄膜不可能做得很厚，通常只能达到几个微米，造成封装的强度不够。(3)封口技术使用薄膜淀积的方法封口不容易形成台阶覆盖，但腐蚀通道必须设计得非常小(通常只有几百纳米)；腐蚀通道越小，封口越容易，但是牺牲层腐蚀时间将数十倍地增加；较大的腐蚀通道需要使用激光焊接，超声焊接，热阻焊或者锡焊球加以封闭，这些方法必须使用专用的设备，而且只能手工逐个加工，失去了圆片级封装的优势。微帽封装是在圆片键合技术的基础上发展起来的，带有微器件的圆片与另一块经腐蚀带有空腔的圆片经过键合。该键合方式在微器件上产生一个带有密封空腔的保护体，使得微器件处于密闭或真空环境中。使用体材料键合可以有效地保证晶片的清洁和结构免受污染，同时也可以避免划片时器件遭到损坏。圆片键合技术实现微封装的关键，目前大致可以分为三类：硅片直接键合、阳极键合和中间层辅助键合。2.微帽封装又称硅片熔融键合(siliconfusionbonding)，这种技术不用粘合剂，在800-10000C，经过若干小时将两片抛光的硅片键合起来，其键合强度随温度升高而增强，界面气密性和稳定性非常好。要使键合良好，硅片表面需先经特殊处理以保证非常平整，没有任何颗粒，并且氧化层要尽量薄。通常，经过多道工序加工的MEMS硅片表面粗糙度无法满足其要求，而且直接键合使用的高温也会对电路和MEMS器件带来损坏。所以，硅片直接键合大多用于制作SOI圆片而不用于直接封装MEMS硅片。(1)硅片直接键合(silicondirectbonding)硅片熔融键合又称静电键合，这种技术将玻璃与金属或硅等半导体键合起来，不用任何粘合剂，键合界面气密性和稳定性很好。一般的键合条件：硅片接阳极，玻璃接阴极，温度为300-4000C，偏压500-1000V。要形成良好的键合，硅片和玻璃的表面粗糙度要尽可能小，表面颗粒尽可能少，并且两种圆片的材料热膨胀系数相近，硅片上氧化层需要小于0.2μm。这种技术可以在真空下进行，是当前比较流行的一种封装方式。(2)阳极键合(anodicbonding)中间层辅助键合是近年来研究的一个热点，它基本上不依赖于衬底的材料，可以方便的实现不同材料圆片的粘接。按中间层使用的材料不同，可以分为以下三种：1)共晶键合其代表为金硅键合，它利用金硅共晶点低的特点，以金作为中间层实现圆片间的键合，具有较好的气密性和强度。金硅合金的共晶点为3630C，此时硅与金的原子个数比约为20%：80%。要形成良好的键合，一方面必须尽量减小硅片表面氧化层的厚度，另一方面还需要调整金的厚度，优化键合参数，提高工艺的重复性，避免在界面形成金硅化合物颗粒(3)中间层辅助键合(intermediatelayerbonding)2)不导电材料键合中间层可以是苯丙环丁稀(BCB)、聚酰亚胺(polyimide)、SU-8胶、甚至AZ系列厚胶。优点是温度低，与MEMS和CMOS工艺完全兼容，成本低，不需要复杂的设备，实现简单；缺点是无法提供气密性封装，键合的稳定性一般，并且给封装后的各步工艺带来了很多限制。3)焊接键合这种方法使用合适的合金焊料作为中间层，焊料在共晶熔点熔融并回流，同时在表面张力作用下形成自对准，经过迅速冷却后完成键合。合金焊料不仅具有优良的气密性，而且还具有很低的电阻率，可以形成良好的电学互连；合金焊料材料选择多，与CMOS电路兼容。但是这种方法用于MEMS封装尚未成熟，其工艺窗口比较小，组分不容易控制。10.4MEMS器件级封装技术MEMS器件级封装技术沿用了IC一级封装的部分工艺，大致也可分划分为划片、贴片、互连、保护等几个步骤，如下图