慣性微系統(tǒng)正在朝著三維封裝集成架構(gòu)發(fā)展

摘要：隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的器件圓片級(jí)封裝技術(shù)、垂直互連轉(zhuǎn)接板技術(shù)、新鍵合工藝技術(shù)等技術(shù)研究的出現(xiàn)，慣性微系統(tǒng)正在朝著三維封裝集成架構(gòu)發(fā)展，以滿足微電子技術(shù)更高集成度、更小體積、更低功耗、更低成本的發(fā)展需求。介紹了MEMS慣性器件和MEMS慣性微系統(tǒng)三維集成技術(shù)，硅通孔（Through Silicon Via，TSV）三維互連技術(shù)和倒裝芯片技術(shù)為慣性MEMS微系統(tǒng)三維集成一體化提供了設(shè)計(jì)空間，有效地降低了慣性MEMS三維集成模塊的體積、質(zhì)量，提高了集成度，符合未來(lái)慣性MEMS三維集成多功能融合趨勢(shì)的需求。

0引言

微小型系統(tǒng)（微納衛(wèi)星、微小型飛行器、微小型地面機(jī)器人及微小型水下航行器等）及低成本制導(dǎo)武器（批量大、成本低、制導(dǎo)精度較高的各類靈巧彈藥、精確制導(dǎo)炸彈和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈）等是未來(lái)軍事高科技的重要發(fā)展方向之一，也是取得未來(lái)高技術(shù)條件下戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的重要手段。微小型導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)是新一代微小型系統(tǒng)發(fā)展及低成本制導(dǎo)武器的核心技術(shù)，也是制約其廣泛應(yīng)用的主要瓶頸之一。硅基MEMS微慣性器件及結(jié)合微系統(tǒng)集成制造技術(shù)制作的微慣性測(cè)量單元（Micro InertialMeasurement Unit，MIMU）具有體積小、成本低、精度較高且便于大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，是微小型導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)的共性核心技術(shù)。在精確制導(dǎo)化武器裝備及民用領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用需求，是當(dāng)前的國(guó)際研究熱點(diǎn)。

近年來(lái)，三維集成技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了系統(tǒng)微封裝集成技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域正由芯片向集成度、復(fù)雜度更高的系統(tǒng)級(jí)三維集成方向發(fā)展。采用三維集成制造技術(shù)，令每個(gè)功能模塊占據(jù)一層芯片通過(guò)高密度TSV將其集成，可將由不同工藝制造的混合型芯片集成于一個(gè)系統(tǒng)中。這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)包含了邏輯、存儲(chǔ)、光學(xué)、電學(xué)、射頻系統(tǒng)，以及MEMS傳感器等多個(gè)在封裝內(nèi)集成的模塊。MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)于MEMS慣性器件的全硅化、器件的圓片級(jí)真空/氣密封裝、電路專用化（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），初步實(shí)現(xiàn)了慣性器件的片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）集成，以及慣導(dǎo)系統(tǒng)級(jí)封裝（System in Package，SiP）集成。

在未來(lái)，MEMS集成慣導(dǎo)系統(tǒng)在微納衛(wèi)星、月球車、火星車、運(yùn)載火箭及小型戰(zhàn)術(shù)武器中的應(yīng)用，對(duì)MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)的集成度、功耗、體積、抗輻照性能及可批量制造性等提出了更高的要求，MEMS封裝技術(shù)正在從2.5D向3D方向發(fā)展。

1國(guó)內(nèi)外研究的水平和發(fā)展趨勢(shì)

據(jù)美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）分析，工作時(shí)間超過(guò)10s的武器平臺(tái)的導(dǎo)航制導(dǎo)目前均得到了全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的輔助，甚至還包括工作時(shí)間為1h~24h的單兵個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)。在實(shí)際使用過(guò)程中，GPS極可能被嚴(yán)重干擾或完全阻塞，而使得由GPS輔助的導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法完成工作任務(wù)。這些現(xiàn)狀，均要求在未來(lái)的武器平臺(tái)中，使用一種全自主的、不依賴任何外部輔助手段的高集成度微型慣性導(dǎo)航/制導(dǎo)系統(tǒng)。根據(jù)這些分析，DARPA已經(jīng)啟動(dòng)了一系列高集成度導(dǎo)航制導(dǎo)微系統(tǒng)研究計(jì)劃，而微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的集成制造技術(shù)是其中極為重要的研究方向。其中的關(guān)鍵，在于如何利用先進(jìn)的集成制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)慣性器件與集成電路（Integrated Circuits，ICs）等的小體積、低成本、大批量生產(chǎn)。此外，慣性器件的正交集成已成為了MEMS封裝集成發(fā)展的瓶頸。

圖1 MEMS封裝集成發(fā)展路線圖

（1）MEMS慣性傳感器集成技術(shù)

MEMS慣性器件必須與集成電路結(jié)合才能有效工作，集成電路用于實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器與外界之間的通信，起到信號(hào)調(diào)節(jié)功能，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大濾波和信息處理電路等。因此，絕大多數(shù)商用MEMS慣性產(chǎn)品（加速度計(jì)、陀螺儀）和IC組件被集成或封裝在一起，以實(shí)現(xiàn)更短的信號(hào)路徑長(zhǎng)度、更小的寄生電容、更低的互連電阻、更小的封裝尺寸/體積。MEMS和IC組件的集成和封裝可通過(guò)多種可能的方法實(shí)現(xiàn)，對(duì)其的技術(shù)選擇很大程度上取決于設(shè)備、應(yīng)用領(lǐng)域和商業(yè)要求。

基于制造技術(shù)的發(fā)展，為滿足移動(dòng)電子設(shè)備和高端芯片的需求，存儲(chǔ)、CPU及MEMS等器件模塊正在朝著三維架構(gòu)方向發(fā)展，成為了“超越摩爾”技術(shù)的重要技術(shù)領(lǐng)域，如圖1所示。為了滿足MEMS慣性器件對(duì)小型化、輕質(zhì)化、高性能、高可靠性的需求，國(guó)際MEMS慣性領(lǐng)域中的領(lǐng)先企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等（如德國(guó)Bosch公司、美國(guó)mCube公司、德國(guó)弗朗恩霍夫研究所等）均對(duì)慣性MEMS三維集成技術(shù)開(kāi)展了一系列研究。MEMS慣性器件與IC組件的封裝集成，實(shí)現(xiàn)了從多芯片模組（Muli-chip Modules，MCM）到SiP技術(shù)、SoC技術(shù)再到圓片級(jí)芯片封裝（Wafer Level Chip Scale Package，WLCSP）技術(shù)、三維堆疊集成技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試的板級(jí)集成，向基于晶圓級(jí)單片的系統(tǒng)級(jí)芯片解決方案集成技術(shù)，以及三維異構(gòu)集成技術(shù)的發(fā)展，如圖2所示。

圖2 MEMS慣性傳感器集成技術(shù)

就國(guó)際上己經(jīng)公開(kāi)的慣性MEMS三維集成技術(shù)而言，其大致可被劃分為3種，如圖3所示：1）慣性MEMS芯片與MEMS專用ASIC芯片層疊，利用引線鍵合方式實(shí)現(xiàn)2顆芯片之間的電氣連接。2）在制造過(guò)程中，慣性MEMS圓片與MEMS專用集成電路IC圓片兩者鍵合，實(shí)現(xiàn)芯片層疊與電氣連接。通常采用一種橫向電極引出的封裝集成技術(shù)方案，直接使用ASIC中的金屬引線作為跨越封裝內(nèi)外的電學(xué)引出導(dǎo)線。3）基于TSV技術(shù)的慣性MEMS三維集成（如WLCSP技術(shù)）成為了MEMS微系統(tǒng)尺寸減小、集成度提高的有效技術(shù)手段，使得MEMS微系統(tǒng)的3D硅通孔互聯(lián)技術(shù)取得了產(chǎn)品化的突破。以上3種三維集成方式，實(shí)現(xiàn)了慣性MEMS芯片到芯片（Chip to Chip，C2C）、芯片到晶圓（Chip to Wafer，C2W）及晶圓到晶圓（Wafer to Wafer，W2W）的堆疊集成，實(shí)現(xiàn)了慣性器件的商業(yè)/軍事應(yīng)用。

圖3 慣性MEMS三維集成技術(shù)

（2）MEMS慣性微系統(tǒng)集成技術(shù)

美國(guó)國(guó)防部在20世紀(jì)90年代末率先采用異構(gòu)集成技術(shù)，將微電子器件、MEMS器件整合集成在一起，開(kāi)發(fā)出了集成微系統(tǒng)的新概念。它的核心是按武器裝備功能發(fā)展的需求，將多種先進(jìn)元器件通過(guò)異構(gòu)集成技術(shù)，以三維集成的結(jié)構(gòu)形式大幅度降低導(dǎo)航系統(tǒng)的體積、功耗，使其易于批量化制造，尤其可滿足新型戰(zhàn)術(shù)武器的需求。MEMS的多軸傳感器經(jīng)歷了傳統(tǒng)集成方式、立體集成方式和平面集成方式后，正朝著微系統(tǒng)集成的方向發(fā)展，如圖4所示。

圖4 慣性微系統(tǒng)集成技術(shù)

2010年，美國(guó)加州大學(xué)Irvine分校報(bào)道了Draper實(shí)驗(yàn)室的折疊芯片結(jié)構(gòu)慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU），該研究給出了六面體結(jié)構(gòu)和金字塔結(jié)構(gòu)2種技術(shù)方案，如圖5所示。獨(dú)立的傳感器采用絕緣襯底上的硅晶圓（Silicon on Insulator，SOI）工藝技術(shù)制備，6軸慣性儀表分布于立方體的六面，通過(guò)柔性連接板實(shí)現(xiàn)單片集成，同時(shí)形成了用于固定折疊結(jié)構(gòu)的閂鎖結(jié)構(gòu)，得到了3維IMU微系統(tǒng)，其體積小于1cm3。出于對(duì)六面體結(jié)構(gòu)機(jī)械穩(wěn)定性的考慮，同時(shí)研究了采用樹(shù)脂和焊料加固折疊金字塔的效果。經(jīng)測(cè)試，前者的傳感器軸變動(dòng)在4mrad之內(nèi)，后者改進(jìn)到了0.2mrad之內(nèi)。該方案實(shí)現(xiàn)了6軸IMU的單片集成，但該集成方案限制了MEMS的儀表加工制備工藝，同時(shí)多傳感器單片集成的成品率也較低。

圖5 集成可折疊六軸IMU示意圖

德國(guó)弗勞恩霍夫研究所在2014年國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議——IEEE電子元器件和技術(shù)會(huì)議中報(bào)道了基于TSV轉(zhuǎn)接板的慣性MEMS三維集成技術(shù)概念，該項(xiàng)目得到了歐盟政府部門的支持，其核心思想是利用TSV轉(zhuǎn)接板作為公共襯底平臺(tái)，如圖6所示。TSV硅轉(zhuǎn)接板是指含有TSV互連的硅圓片，其上下表面制作了重新布線層，利用微凸點(diǎn)在TSV轉(zhuǎn)接板上組裝慣性MEMS芯片及MEMS專用IC芯片。

圖6 基于TSV硅轉(zhuǎn)接板集成技術(shù)

基于TSV轉(zhuǎn)接板的慣性MEMS三維集成技術(shù)可以發(fā)揮TSV轉(zhuǎn)接板在熱膨脹系數(shù)失配、線寬匹配等方面的優(yōu)勢(shì)，釋放了傳統(tǒng)慣性MEMS三維集成技術(shù)對(duì)MEMS專用IC在可選工藝制程方面的束縛，為慣性MEMS芯片的低應(yīng)力組裝提供了設(shè)計(jì)空間，允許其集成更多功能芯片，具有開(kāi)放性的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)，如圖7所示。目前，制造技術(shù)已經(jīng)能夠滿足一般的應(yīng)用要求，但是相比與三維集成制造相關(guān)的三維集成設(shè)計(jì)方法、器件可靠性、散熱、多功能材料和器件集成等方面的需求，仍存在一定的差距。圍繞這些問(wèn)題，三維集成技術(shù)將在模型模擬、設(shè)計(jì)方法、可靠性評(píng)估和改進(jìn)、系統(tǒng)可測(cè)試性信號(hào)設(shè)計(jì)、散熱優(yōu)化和提高效率，以及三維集成制造能力、良率和成本控制等方面，進(jìn)行深入研究。

圖7 基于TSV硅轉(zhuǎn)接板的復(fù)雜微系統(tǒng)集成技術(shù)

（3）TSV垂直互連技術(shù)

由于慣性MEMS芯片的厚度一般在300μm以上，為了匹配慣性MEMS芯片與TSV轉(zhuǎn)接板的機(jī)槭強(qiáng)度，TSV轉(zhuǎn)接板的厚度通常需要大于或等于200μm。同時(shí)，由于銅TSV互連與周圍硅襯底的熱膨脹系數(shù)失配，銅TSV的互連直徑通常被控制為小于或等于20μm，TSV互連的深寬比大于或等于10，這對(duì)目前的TSV技術(shù)是個(gè)較大的挑戰(zhàn)。為了克服傳統(tǒng)銅TSV轉(zhuǎn)接板在慣性MEMS芯片三維集成應(yīng)用過(guò)程中的上述問(wèn)題，國(guó)際MEMS領(lǐng)域中的領(lǐng)先企業(yè)（ADI公司、Bosch公司、mCube公司、Silex公司、Fairchild公司等）均對(duì)MEMS三維集成技術(shù)開(kāi)展了一些研究。

Silex公司在2008年推出了標(biāo)準(zhǔn)硅通孔工藝，其通孔采用絕緣填埋技術(shù)，用重?fù)诫s低阻硅作為電極導(dǎo)體，導(dǎo)通電阻在1D量級(jí)，如圖8（a）所示。隨后，該公司提出了一種基于玻璃熔融回流的硅通孔技術(shù)，如圖8（b）所示。其技術(shù)特點(diǎn)是在硅片上刻蝕以形成單晶硅TSV硅柱陣列，并在四周刻蝕以形成隔離環(huán)，利用陽(yáng)極鍵合在刻蝕面鍵合玻璃片，在高溫退火爐中加熱至玻璃熔融，在真空作用下將其回流至隔離環(huán)內(nèi)。經(jīng)過(guò)后續(xù)的硅減薄、玻璃減薄、化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical and Mechanical Polishing，CMP）等工藝流程的處理，最終形成硅轉(zhuǎn)接板。該技術(shù)有效地增加了絕緣介質(zhì)層的厚度，有效減少了各引腳之間的寄生電容。但是，該工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大，玻璃回填深寬比有限。以上2種技術(shù)方案均采用了硅互連通孔（Silicon Via，Sil-via）實(shí)現(xiàn)垂直互連。2012年，借助該技術(shù)Silex公司實(shí)現(xiàn)了2.5D硅轉(zhuǎn)接板的研制，其中BGA植球用TSV的孔徑為50μm，間隔為150μm。同樣使用低阻硅實(shí)現(xiàn)垂直互連的轉(zhuǎn)接板方案有穿玻璃通孔（Through Glass Via，TGV）技術(shù)，如圖8（c）所示。該技術(shù)同樣采用玻璃熔融工藝，其特點(diǎn)是在玻璃晶圓內(nèi)與刻蝕有硅柱的硅晶圓鍵合，將其高溫加熱至玻璃熔融，使得硅柱填埋入玻璃晶圓內(nèi)。該工藝難度相對(duì)較小，轉(zhuǎn)接板厚度可達(dá)200μm及以上。但是，采用該技術(shù)制備的轉(zhuǎn)接板的基底材料為玻璃，無(wú)法解決硅-玻璃之間熱膨脹系數(shù)差異的問(wèn)題。Schott Hermes采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MEMS-ICs的WLCSP集成。

為滿足不同器件的集成需求，瑞典ACC Microtec公司和Silex公司開(kāi)發(fā)了金屬通孔（Metal Via，Met-Via）技術(shù)，如圖8（d）所示。其特點(diǎn)在于與常規(guī)TSV相比，該技術(shù)可以在厚度為300μm~800μm的硅片上制作轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)接板剛度大，尤其適合對(duì)應(yīng)力敏感的MEMS傳感器的三維集成。然而，該技術(shù)采用銅電鍍制作TSV電極引出子，和普通金屬化TSV技術(shù)一樣存在長(zhǎng)期可靠性的問(wèn)題。

圖8 TSV垂直互連技術(shù)

（4）倒裝芯片（Flip Chip，F(xiàn)C）技術(shù)

倒裝芯片是一種已被廣泛應(yīng)用的封裝技術(shù)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與芯片的對(duì)準(zhǔn)和鍵合。倒裝芯片的互連方式主要包括了熱超聲、回流焊和熱壓3種鍵合工藝，分別對(duì)應(yīng)金球凸點(diǎn)、錫球凸點(diǎn)和銅柱凸點(diǎn)3種凸點(diǎn)制作工藝。相比于引線鍵合，該技術(shù)互聯(lián)線短，互連產(chǎn)生的電容、電阻、電感小，所占基板面積小，安裝密度高。倒裝芯片通常無(wú)塑封，芯片背面可被有效冷卻，提高了其散熱能力，更適合多I/O數(shù)的芯片使用。改進(jìn)的散熱能力促進(jìn)了倒轉(zhuǎn)芯片技術(shù)的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)高密度和低成本的封裝集成。

圓片級(jí)倒裝焊料的凸點(diǎn)可分為C4（Controlled-collapse Chip Connection）和C2（Chip Connection）2種，如圖9所示。基于C4的倒裝技術(shù)的應(yīng)用已超過(guò)了50年，表面張力的作用使得C4在回流過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)。但是，由于芯片引腳數(shù)急劇增加，引腳間距減小，回流焊可能會(huì)使相鄰的焊料C4凸點(diǎn)短路。因此，在應(yīng)用C4技術(shù)時(shí)，凸點(diǎn)間距一般不得小于50μm。C2則更適合于更精細(xì)的間距的芯片鍵合。由于銅的高導(dǎo)熱性和低電阻率，C2較C4的電、熱性能均更好。C2倒裝鍵合般包括回流焊和熱壓鍵合2種方式。

圖9 圓片級(jí)倒裝焊凸點(diǎn)技術(shù)：C4凸點(diǎn)和C2凸點(diǎn)

基于倒裝芯片技術(shù)，臺(tái)積電公司（TSMC）提出了芯片-晶圓-基底（Chip on Wafer on Substrate，CoWoS）集成工藝，并與Xilinx公司合作實(shí)現(xiàn)了FPGA的芯片集成。集成基底為厚度100μm的硅轉(zhuǎn)接板，TSV的通孔直徑10μm，有4層再布線層，布線間距為0.4μm，集成現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）單芯片凸點(diǎn)數(shù)超過(guò)了5000個(gè)微凸點(diǎn)間距僅為45μm，如圖10所示。

圖10 FPGA的倒裝集成

基于FC技術(shù)、TSV技術(shù)和轉(zhuǎn)接板技術(shù)，AMD實(shí)現(xiàn)了圖像處理器（Graphics Processing Unit，GPU）的三維集成，如圖11所示。在TSV轉(zhuǎn)接板上集成1個(gè)GPU圖像傳感器、2個(gè)高帶寬存儲(chǔ)器（HighBandwidth Memory，HBM2），GPU和HBM間的互連通過(guò)TSV轉(zhuǎn)接板上的多層再布線層（Redistribution Layer，RDL）解決，其他引腳經(jīng)TSV硅轉(zhuǎn)接板一次扇出，再經(jīng)過(guò)有機(jī)基板的球柵陣列（Ball Grid Array，BGA）輸出。

圖11 GPU三維封裝集成

2展望與思考

從國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的MEMS及微系統(tǒng)集成研究成果可以發(fā)現(xiàn)，集成工藝設(shè)計(jì)對(duì)MEMS器件的整體性能至關(guān)重要，MEMS三維集成技術(shù)研究是該領(lǐng)域研究中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)于提升MEMS微系統(tǒng)研究水平、推動(dòng)MEMS應(yīng)用、完善慣性MEMS器件產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展具有重要意義。

MEMS垂直互連技術(shù)通過(guò)提供垂直貫穿轉(zhuǎn)接板，為MEMS芯片、信號(hào)處理/解算電路、控制芯片、電源芯片等立體化集成提供了便利，允許集成元器件由采用不同工藝制造的功能芯片集成于TSV轉(zhuǎn)接板襯底上，開(kāi)放性好，符合未來(lái)慣性維集成多功能融合趨勢(shì)的需求。綜合考慮基于TSV的慣性MEMS三維集成技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)，以及國(guó)內(nèi)慣性MEMS器件及TSV互連技術(shù)研究布局與特點(diǎn)，基于TSV轉(zhuǎn)接板的慣性MEMS三維集成技術(shù)將是國(guó)內(nèi)開(kāi)展慣性MEMS維集成研究的優(yōu)選切入點(diǎn)。該技術(shù)有效減少了MEMS三維集成模塊的體積/質(zhì)量，提高了集成度可以有效降低慣性MEMS三維集成模塊的體積質(zhì)量、熱應(yīng)力水平等，將成為未來(lái)慣性MEMS三維集成TSV互連技術(shù)發(fā)展的重要方向。