MEMS封裝技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

1 引言
??? 當(dāng)前，國內(nèi)外半導(dǎo)體集成電路科研水平已基本具備將一些復(fù)雜的機電系統(tǒng)集成制作在芯片上的能力，幾乎整個1000億美元規(guī)模的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施都可以用來支持MEMS技術(shù)，那些被批量制造的、同時包含尺寸在納米到毫米量級的電子與機械元器件構(gòu)成的MEMS，成為國際上微電子系統(tǒng)集成發(fā)展的新方向。多門類實用的MEMS演示樣品向早期產(chǎn)品演繹，可批量生產(chǎn)的微加速度計、力敏傳感器、微陀螺儀、數(shù)字微鏡器件、光開關(guān)等的商品化日趨成熟，初步形成100億美元的市場規(guī)模，年增長率在30％以上。當(dāng)MEMS與其他技術(shù)交融時，往往還會催生一些新的MEMS器件，為微電子技術(shù)提供了非常大的市場和創(chuàng)新機遇，有可能在今后數(shù)十年內(nèi)引發(fā)一場工業(yè)革命。然而，實現(xiàn)MEMS的商品化、市場化還面臨許多挑戰(zhàn)，尚有很多產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)難題需要進行深層次的研究、解決，尤其是MEMS封裝技術(shù)的發(fā)展相對滯后，在某些方面形成封裝障礙，使得很多MEMS器件的研發(fā)仍暫時停留在實驗室階段，首先解決這一通往市場的瓶頸，促進產(chǎn)業(yè)鏈提速運轉(zhuǎn)已成為各界共識。
?
2 MEMS封裝的特點
??? MEMS技術(shù)是一門相當(dāng)?shù)湫偷亩鄬W(xué)科交叉滲透、綜合性強、時尚前沿的研發(fā)領(lǐng)域，幾乎涉及到所有自然及工程學(xué)科內(nèi)容，以單晶硅Si、Si02、SiN、SOI等為主要材料。Si機械電氣性能優(yōu)良，其強度、硬度、楊式模量與Fe相當(dāng)，密度類似A1，熱傳導(dǎo)率也與Mo和W不相上下。在制造復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)時，現(xiàn)多采用的各種成熟的表面微bD工技術(shù)以及體微機械加工技術(shù)，正向以LIGA（即深度x射線刻蝕、微電鑄成型、塑料鑄模等三個環(huán)節(jié)的德文縮寫）技術(shù)、微粉末澆鑄、即刻掩膜EFAB為代表的三維加工拓展。因而MEMS封裝具有與IC芯片封裝顯著不同的自身特殊性：
（1）專用性
??? MEMS中通常都有一些可動部分或懸空結(jié)構(gòu)、硅杯空腔、梁、溝、槽、膜片，甚至是流體部件與有機部件，基本上是靠表面效應(yīng)工作的。封裝架構(gòu)取決于MEMS器件及用途，對各種不同結(jié)構(gòu)及用途的MEMS器件，其封裝設(shè)計要因地制宜，與制造技術(shù)同步協(xié)調(diào)，專用性很強。
（2）復(fù)雜性
??? 根據(jù)應(yīng)用的不同，多數(shù)MEMS封裝外殼上需要留有同外界直接相連的非電信號通路，例如，有傳遞光、磁、熱、力、化等一種或多種信息的輸入。輸入信號界面復(fù)雜，對芯片鈍化、封裝保護提出了特殊要求。某些MEMS的封裝及其技術(shù)比MEMS還新穎，不僅技術(shù)難度大，而且對封裝環(huán)境的潔凈度要求達到100級。
（3）空間性
??? 為給MEMS可活動部分提供足夠的活動、可動空間，需要在外殼上刻蝕或留有一定的槽形及其他形狀的空間，灌封好的MEMS需要表面上的凈空，封裝時能提供一個十分有效的保護空腔。
（4）保護性
??? 在晶片上制成的MEMS在完成封裝之前，始終對環(huán)境的影響極其敏感。MEMS封裝的各操作工序、劃片、燒結(jié)、互連、密封等需要采用特殊的處理方法，提供相應(yīng)的保護措施，裝網(wǎng)格框架，防止可動部位受機械損傷。系統(tǒng)的電路部分也必須與環(huán)境隔離保護，以免影響處理電路性能，要求封裝及其材料不應(yīng)對使用環(huán)境造成不良影響。
（5）可靠性
??? MEMS使用范圍廣泛，對其封裝提出更高的可靠性要求，尤其要求確保產(chǎn)品在惡劣條件下的安全工作，免受有害環(huán)境侵蝕，氣密封裝能發(fā)散多余熱量。
（6）經(jīng)濟性
??? MEMS封裝主要采用定制式研發(fā)，現(xiàn)處于初期發(fā)展階段，離系列化、標(biāo)準化要求尚遠。其封裝在整個產(chǎn)品價格中占有40％-90％的比重，降低封裝成本是一個熱門話題。
??? 總而言之，IC封裝和MEMS封裝這兩者最大的區(qū)別在于MEMS一般要和外界接觸，而IC恰好相反，其封裝的主要作用就是保護芯片與完成電氣互連，不能直接將IC封裝移植于更復(fù)雜的MEMS。但從廣義上講，MEMS封裝形式多是建立在標(biāo)準化的IC芯片封裝架構(gòu)基礎(chǔ)上。目前的技術(shù)大多沿用成熟的微電子封裝工藝，并加以改進、演變，適應(yīng)MEMS特殊的信號界面、外殼、內(nèi)腔、可靠性、降低成本等要求。
?
3 MEMS封裝的發(fā)展
??? MEMS的發(fā)展目標(biāo)在于通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元器件與系統(tǒng)，開辟一個新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，其封裝就是確保這一目標(biāo)的實現(xiàn)，起著舉足輕重的作用。幾乎每次國際性MEMS會議都會對其封裝技術(shù)進行熱烈討論，多元化研發(fā)另辟蹊徑。各種改進后的MEMS封裝不斷涌現(xiàn)，其中較有代表性的思路是涉及物理、化學(xué)、生物、微機械、微電子的集成微傳感器及其陣列芯片系統(tǒng)，在實現(xiàn)MEMS片上系統(tǒng)后，再進行封裝；另一種是將處理電路做成專用芯片，并與MEMS組裝在同一基板上，最后進行多芯片組件MCM封裝、系統(tǒng)級封裝SIP。在商用MEMS產(chǎn)品中，封裝是最終確定其體積、可靠性、成本的關(guān)鍵技術(shù)，期待值極高。
??? MEMS封裝大致可分為圓片級、單片全集成級、MCM級、模塊級、SIP級等多個層面。圓片級給MEMS制作的前、后道工序提供了一個技術(shù)橋梁，整合資源，具有倒裝芯片封裝與芯片尺寸封裝的特點，對靈敏易碎的元件、執(zhí)行元件進行特殊鈍化保護，使其免受有害工作介質(zhì)和潮汽侵蝕，不受或少受其他無關(guān)因素的干擾，避免降低精度，完成MEMS芯片與基座（或管殼）的焊接和鍵合；單片全集成級封裝要對一個集成在同一襯底上的微結(jié)構(gòu)和微電路進行密封，使之成為一個可供應(yīng)用的完整系統(tǒng)產(chǎn)品，尺寸小，內(nèi)部互連長度短，電氣特性好，輸出／人接點密度高，是MEMS封裝發(fā)展的較理想方案；MCM級將MEMS和信號處理芯片組裝在一個外殼內(nèi)，常采用成熟的淀積薄膜型多芯片組件MCM-D、混合型多芯片組件MCM-C／D、厚膜陶瓷多芯片組件MCM-C的工藝與結(jié)構(gòu)達到高密度、高可靠性封裝，可以充分利用已有的條件和設(shè)備，分別制作MEMS的不同部分。這類封裝在小體積、多功能、高密度、提高生產(chǎn)效率方面顯出優(yōu)勢；模塊級封裝旨在為MEMS設(shè)計提供一些模塊式的外部接口，一般分為光學(xué)接口、流體接口、電學(xué)接口，接口數(shù)據(jù)則由總線系統(tǒng)傳輸，從而使MEMS能使用統(tǒng)一的、標(biāo)準化的封裝批量生產(chǎn)，減少在封裝設(shè)備上的投資，降低成本，縮短生產(chǎn)周期，并要求封裝可以向二維空間自由擴展和連接，形成模塊，完成某些功能，保證盡可能高的封裝密度；SiP稱為超集成策略，在集成異種元件方面提供了最大的靈活性，適用于射頻RF-MEMS的封裝，在目前的通信系統(tǒng)使用了大量射頻片外分立單元，無源元件（電容、電感、電阻等）占到射頻系統(tǒng)元件數(shù)目的80％-90％，占基板面積的70％-80％，這些可MEMS化來提高系統(tǒng)集成度及電學(xué)性能，但往往沒有現(xiàn)成的封裝可以利用，而SiP是一種很好的選擇，完成整個產(chǎn)品的組裝與最后封裝。
??? 在MEMS封裝技術(shù)中，倒裝芯片互連封裝以其高I／O密度、低耦合電容、小體積、高可靠性等特點而獨具特色，可將幾個不同功能的MEMS芯片通過倒裝互連組裝在同一塊基板上，構(gòu)成一個獨立的系統(tǒng)。倒裝芯片正面朝下，朝下的光電MEMS可靈活地選擇需要接收的光源，而免受其他光源的影響。研究表明，通過化學(xué)鍍沉積柔性化凸點下金屬層UBM、焊膏印刷和凸點轉(zhuǎn)移在芯片上形成凸點的這一套工藝的設(shè)備要求不高， 町作為倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)用于力敏MEMS，尤其適合各研究機構(gòu)為MEMS開發(fā)的單件小批量的倒裝芯片封裝。而使用光刻掩膜、電鍍和回流的方法形成凸點的UBM，卻適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)的MEMS壓力傳感器。采用倒裝芯片互連技術(shù)的MEMS封裝已取得多方面進展，成為研發(fā)熱點。
??? 在實際應(yīng)用中，MEMS的封裝可能是采用多種技術(shù)的結(jié)合。嚴格地講，有些封裝技術(shù)并無明顯的差異和界定，另一些卻與微電子封裝密切相關(guān)或相似，高密度封裝、大腔體管殼與氣密封裝、晶片鍵合、芯片的隔離與通道、倒裝芯片、熱學(xué)加工、柔性化凸點、準密封封裝技術(shù)等倍受關(guān)注。用于MEMS封裝的材料主要有陶瓷、金屬、鑄模塑料等數(shù)種，高可靠性產(chǎn)品的殼體大多采用陶瓷—金屬、陶瓷—玻璃、金屬—玻璃等結(jié)構(gòu)，各有特點，滿足MEMS封裝的特殊信號界面、外殼性能等要求。
?
4 MEMS封裝的應(yīng)用
??? MEMS是當(dāng)代國際矚日的重大科技探索前沿陣地之一，新研發(fā)的MEMS樣品不斷被披露出來，從敏感MEMS拓展到全光通信用光MEMS、移動通信前端的RF-MEMS、微流體系統(tǒng)等信息MEMS。光MEMS包括微鏡陣列、光開關(guān)、可變衰減器、無源互連耦合器、光交叉連接器、光分插復(fù)用器和波分復(fù)用器等，MEMS與光信號有著天然的親和力；RF-MEMS包括射頻開關(guān)、可調(diào)電容器、電感器、諧振器、濾波器、移相器、天線等關(guān)鍵元器件；微流體系統(tǒng)包括微泵、微閥、微混合器、微流體傳感器等，可對微量流體進行輸運、組分分析和分離以及壓力、流量、溫度等參數(shù)的在線測控。MEMS正處在蓬勃發(fā)展時期，產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的形成是需要鏈中各環(huán)節(jié)的共同努力和密切合作的，封裝不可缺位。
?
4.1 微加速度計
??? MEMS最成功的產(chǎn)品是微加速度計，通常由一個懸臂構(gòu)成，梁的一端固定，另一端懸掛著一個約10μg的質(zhì)量塊，由此質(zhì)量塊敏感加速度后，轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)C／V轉(zhuǎn)換、放大、相敏解調(diào)輸出。有的廠家月產(chǎn)達200萬件，研發(fā)出20余種型號產(chǎn)品，主要用于汽車安全氣囊系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)的慣性測量，國際市場年需求量在1億件以上。在市場上較其他類MEMS取得商業(yè)化快速進展的原因是更適宜采用標(biāo)準的IC封裝，提供一個相應(yīng)的微機械保護環(huán)境，無需開發(fā)特殊的外殼結(jié)構(gòu)，從XL50圓型陶瓷封裝演進到XL276型8腳陶瓷雙列直插式、XL202型14腳陶瓷表面貼裝式封裝，目前逐漸被更小的XL202E型8引腳陶瓷表面貼裝所取代，可耐高溫和強烈的機械振動、酸堿腐蝕。Low-G系列產(chǎn)品采用流行的方形平面無引腳QFN-16封裝，有的采用16腳雙列直插式或單列直插式塑料封裝。采用MCM技術(shù)通常能在一個MEMS封裝中納入更復(fù)雜的信號調(diào)節(jié)功能芯片。
?
4.2 微陀螺儀
??? MEMS微陀螺儀多利用振動來檢測旋轉(zhuǎn)的角速度信號，正加速研制高精度、低成本、集成化、抗高沖擊的產(chǎn)品，研究在芯片上制造光纖陀螺，小批量生產(chǎn)硅MEMS陀螺（俗稱芯片陀螺）和MEMS石英壓電速率陀螺，用于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)精確制導(dǎo)的信號補償、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行器、天線穩(wěn)定系統(tǒng)等。有采用無引線陶瓷芯片載體LCCC封裝、混合集成封裝、MCM封裝、單管殼系統(tǒng)封裝的微陀螺儀，將慣性傳感器與控制專用電路封裝為一體，要求內(nèi)部必須是真空氣密條件。
?
4.3 力敏傳感器
　　以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的微型化、多功能化、集成化、智能化的力敏傳感器獲得商業(yè)化應(yīng)用。其中，硅MEMS壓力傳感器的使用最廣泛，基本工藝流程分為力敏彈性膜片（硅杯）和組裝兩大過程，在紐裝中如何避免附加應(yīng)力的產(chǎn)生是封裝工藝的關(guān)鍵，采用靜電封接獨具特色，將力敏彈性膜片與玻璃環(huán)通過靜電封接機封接為一體，形成膜片基體，背面接受壓力結(jié)構(gòu)增加膜片的固定支撐厚度，然后鍵合內(nèi)引線、粘結(jié)、焊外引線、老化處理、零點補償、密封、靜電標(biāo)定等完成整個封裝過程：封裝技術(shù)向低溫玻璃封接、激光硅—玻璃封接發(fā)展。
?
4.4 表面貼裝麥克風(fēng)
??? 全球首款表面貼裝Si Sonic微型麥克風(fēng)的部件采用MEMS技術(shù)制造，并將其與一個CMOS電荷泵IC、兩個RF濾波電容集成在一個封裝中，組成一個表面貼裝器件。這種表面貼裝的封裝形式適合大批量自動裝配生產(chǎn)，生產(chǎn)效率極大提高，而目前采用傳統(tǒng)電容式麥克風(fēng)ECM是手工貼裝，缺乏規(guī)模經(jīng)濟性。前者總體只有ECM的一半大小，投影面積是更小的8．61mm2，有望取代一直在便攜式應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的ECM。
?
4.5 數(shù)字微鏡器件
??? 數(shù)字微鏡器件DMD（DIGITAL Micromirror DEVICE）主芯片含有超過150萬個能被精確控制、獨立轉(zhuǎn)動的微鏡，可用于光通信及數(shù)字投影裝置、背投彩電等，其成像原理是由微鏡±10°的轉(zhuǎn)動控制光信號通斷，透鏡成像并投影到屏幕上，優(yōu)勢是光效高、色彩豐富逼真、亮度易作到2000流明甚至更高、對比度2000：1、可靠性好、平均壽命約為50年，現(xiàn)銷售量超過300萬套。DMD采用帶有透明窗口的密封封裝形式，用陶瓷作為基底，玻璃作為窗口，同時使用了吸氣劑，去除可能會對器件可靠性造成危害的濕氣、氫以及其他一些物質(zhì)微粒，其封裝能夠保證器件內(nèi)干燥、密封并有一個透明的窗口確保光路的暢通。
?
4.6 MEMS光開關(guān)
??? 用MEMS技術(shù)制作的光開關(guān)是將光機械結(jié)構(gòu)、微制動器、微光元件在同一基底上集成，具有傳統(tǒng)光機械開關(guān)和波導(dǎo)開關(guān)的特點，二維和三維MEMS光開關(guān)已有商業(yè)化的產(chǎn)品面世，開展對一維的研究，多采用組件或隔離密封式、模塊形式封裝，其典型代表為MEMS-5200系列交換模塊。有些產(chǎn)品能夠接受來自數(shù)十條光纖的輸入信號，并可將其路由到其他幾百條光纖中去，采用這種產(chǎn)品的主要理由是避免花費昂貴、且難處理的大量光—電轉(zhuǎn)換和電—光轉(zhuǎn)換，要達到這一目的，就要求，于關(guān)與光纖以及其他器件之間進行幾百次甚至幾千次的連接，采用同光纖相適應(yīng)的封裝，封裝及接頭技術(shù)甚至比MEMS還新穎，并要盡可能減小溫度、濕度、振動以及其他環(huán)境因素對封裝光開關(guān)的影響。MEMS光開關(guān)市場上尚缺乏共同的封裝技術(shù)標(biāo)準，因批量小、技術(shù)難度大而價格特別昂貴，封裝工藝、封裝材料、性能測試等的不斷改進是熱點關(guān)注的話題。封裝技術(shù)還需要更大的發(fā)展，才能充分體現(xiàn)出MEMS光開關(guān)在全光網(wǎng)中可擴展地完成各種光交換的關(guān)鍵作用的特性。
?
4.7 RF-MEMS
??? RF-MEMS可彌補CMOS工藝的不足，MEMS技術(shù)制作的無源元件有益于系統(tǒng)集成度與電學(xué)性能的提高、成本降低，成為國際頂級半導(dǎo)體廠商拓展硅芯片應(yīng)用范圍的研發(fā)方向。RF-MEMS開關(guān)的實用化獲得相當(dāng)大的進展，往往沒有現(xiàn)成的封裝可以直接使用，因而需尋求解決方案，SIP首當(dāng)其沖。SIP從RF-MEMS設(shè)計階段即考慮封裝問題，無源元件的集成方式、封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計、封裝工藝流程、系統(tǒng)內(nèi)芯片間的互連、封裝材料的選擇等尤為關(guān)鍵。SIP中內(nèi)含表面安裝器件、集成式無源元件、存儲器芯片、CMOS芯片、GaAs高性能功率放大器，在基板上可用高密度互連技術(shù)制作掩埋式無源元件、傳輸線等，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低寄生效應(yīng)與損耗，提高應(yīng)用頻率范圍，縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。
?
5 結(jié)束語
??? MEMS以及微光電子機械系統(tǒng)MOEMS、納米電子機械系統(tǒng)NEMS的研發(fā)為新的技術(shù)革命提供了大量機遇。不同的MEMS要求具體相應(yīng)的封裝結(jié)構(gòu)，封裝技術(shù)的特異性高，引發(fā)出大量的封裝問題亟待解決。據(jù)國外權(quán)威統(tǒng)計公司SPC的統(tǒng)計，國內(nèi)MEMS的研究處于世界前八位，可批量生產(chǎn)MEMS力敏傳感器，研制成功MEMS光開關(guān)、RF-MEMS開關(guān)、微流體系統(tǒng)等多種原理樣品，從總體水平上看，與國外的差距主要體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化技術(shù)上。選擇一些應(yīng)用量大、面廣的MEMS及其封裝作為發(fā)展和市場切人點，形成產(chǎn)業(yè)，滿足市場需求，為發(fā)展其他MEMS打下基礎(chǔ)、摸索出規(guī)律，這樣就成功了一半。沒有一項MEMS的研發(fā)會漠視封裝技術(shù)，沒有封裝的跟進是不現(xiàn)實的。
??? 從國外發(fā)展趨勢看，MEMS的封裝類別一般都沿用已經(jīng)標(biāo)準化的IC封裝結(jié)構(gòu)形式，或者加以改進來適應(yīng)MEMS要求，力爭采用更多的現(xiàn)有IC封裝架構(gòu)實現(xiàn)MEMS的封裝。采用新型封裝結(jié)構(gòu)及其技術(shù)，建立MEMS封裝單元庫，注重成本的新封裝結(jié)構(gòu)與MEMS研發(fā)之間的進一步整合，成為另一個發(fā)展趨勢。
??? 在MEMS問題上，若就其封裝展開充分的探討，則各有各的方式，市場角逐要選擇對路產(chǎn)品，在市場引導(dǎo)下組建起MEMS的完整產(chǎn)業(yè)鏈是值得期待的。