微系統三維（3D）封裝技術

楊建生

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000)

1 引言

微系統是一種微型化的材料諸如硅、金屬和塑料的陣列。與標準的集成電路器件不同，它包含動態元器件諸如泵或膜，這些元件主要是應付與外部環境有關的形變。需要對微系統進行封裝，使其在最極端環境中具有可靠性。

如同集成電路封裝一樣，微系統封裝的主要作用之一就是為微系統提供結構穩定性。成功的封裝設計要求對封裝材料問題、器件性能及其可靠性方面的知識細節的理解。對低成本、高容積的微系統器件產品而言，實際中已使用標準的IC封裝設備、工藝和材料諸如劃片、粘片、壓焊、塑封、打印及切筋成形等。

殘余應力和雜散力是傳感器封裝中不穩定性和參數漂移的主要原因，應力常常隨著溫度改變，因此設計的傳感器要考慮到在熱改變環境中運作的狀況。對壓力傳感器應有對壓力響應的溫度依賴性。

設計的微傳感器應具有在液態或高濕度環境中的功能，濕度滲透的結果會導致頻繁的失效。當選擇濕度保護密封劑時，密封劑的粘附性與滲透性一樣重要。材料接口間粘附性的損失導致內部應力狀況的改變。這會產生塑料裂紋，以及在材料接口上方剝離快速蔓延。剝離為濕度進入提供了簡單通道。

微系統封裝與IC封裝之間的根本差異之一在于微系統通常與其所處環境之間相互影響。這與IC封裝不惜一切代價把濕氣排除在外的目的相沖突。微系統額外的約束就是其必須保護其內部材料和使其免受環境影響，以免發生不理想的反應或環境的污染。這對應用于生物醫學、藥品食品處理行業的傳感器是特別重要的。

三維（3D）封裝潛在地考慮微型化及獲得高集成化的條件，文中給出了3D IC封裝的關鍵背景，這構成了詳細的3D微系統封裝技術，特別是探討了三個不同疊層結構應用于把微電機膜泵與傳感器芯片結合的微系統的研發，作為流體分析系統的一部分，陳述的重點在于封裝本身的可靠性問題。

2 3D封裝技術樣品

目前，傳統封裝技術諸如塑料方形扁平封裝（PQFP）和薄型方形扁平封裝（TQFP）沒有效益空間，傳統封裝技術（單芯片封裝）容量有效，空間無效（芯片容積與封裝容積的比率小于1%），由于高IC到IC元器件線路長度降低了這些封裝的性能。對更高管腳數的需要將應變置于傳統封裝之中，電信號再分布和機械穩定性或保護，是批量和空間的最大消耗者。然而，隨著球柵陣列封裝（BGA）和芯片規模封裝（CSP）的研發，封裝技術將變得更有效，封裝面積僅僅大于芯片面積。

二維（2D）封裝技術不適合于在航空航天應用中要求高密度的高級封裝技術，為了克服此限制，采用MCM技術（多芯片模塊）或遵循一些3D封裝技術的計劃是必需的。在3D封裝中疊層程序必須在垂直方向上分隔和調整芯片。存在很多不同的疊層形式：其一，嵌入式方法，通常把較小的芯片壓焊到一起漸進地疊層；其二，折疊技術法，把單個芯片安裝到柔性基板上并折疊到3D形體中。折疊技術法適用于微系統封裝，因為折疊技術法潛在地考慮到在單個單元中把電子和機械元器件集成化和組合化。

3D疊層技術已獲得航天應用的有效的高密度，該技術把芯片安裝在FR4基板上，疊層并隨后密封。圖1示出了此3D垂直多芯片模塊（MCM-D）封裝技術得到64GB/I的存儲密度。模塊用塑料密封質量低，為航天應用的理想產品。MCM-V結構的功能性和可靠性已得到充分證明，應用于質量存儲器。

圖1 三維MCM-V疊層存儲器模塊

3 三維微系統封裝技術

研討與不同的技術諸如微電子學、光學、化學傳感器、壓力傳感器集成化有關的微系統集成，主要包括基于各種材料的硅融入3D微系統之中。一些應用，例如環境監測系統的操作就是熱方面激活微電機硅膜泵，設計通過泵的運動提供流體給化學傳感器分析。整個微系統包含完全集成于單個塑料密封的3D MCM-V信號處理和電源模塊。為了確保器件有效工作，微系統封裝的塑料密封器件是關鍵，潛在考慮其廣泛應用于IC封裝行業的低成本的標準制造工藝。雖然塑料密封通常與高容積封裝有關，但是并非所有的系統都需要高容積封裝。微泵結構如圖2所示，它包括產生熱的微電機硅膜，背部壓力通過驅動器提供，使膜發生扭曲，如圖中虛線部分所示。驅動器由置于包含三個閥門的鋁基板上的金屬電阻器構成，中間閥門的功能是保持微泵腔內部內外壓力的平衡，其余閥門控制流體的流入和流出。膜的變形造成通過一個方向流出閥排出流體，通過重復使膜變形和閥門的打開和關閉，流體與進行化學分析的化學傳感器芯片接觸，對微泵的熱驅動模擬和閥門的動態特性進行描述。在化學傳感器模塊的下方疊層安置功率和信號處理模塊。

圖2 熱驅動泵模塊結構圖

3.1 微泵模塊裝配

微泵模塊主要由兩個主要元件構成，第一個元件為圖2所示的通過有三個閥門的氧化鋁基板的驅動器，第二個元件為包含用于閥門的一層薄膜和兩個“孔”的大容量微電機硅基板。制造的膜的不同尺寸為4cm×4cm、3cm×3cm、2cm×2cm，厚度40μm。通過刻蝕基于KOH溶液切割硅晶圓片使扣上膜的風險最小化，微泵模塊由芯片載體支持，硅及FR4是適用的載體材料，選擇大容量微電機硅作為主要的載體材料，由于較低的TCE與芯片匹配，因此刻蝕“腔”及硅外部的微泵密封元件是可能的。

制造如圖3所示的兩種不同的硅載體基板，上層基板包含微泵測量腔，下層基板為設計承載多個傳感器、功率、信號處理芯片和其他集成電路的標準基板。兩個基板的外形尺寸為48cm×1.8cm，有允許基板模塊垂直疊層的校準洞，采用鉆石鋸把結構降到最終尺寸的切割窗口或槽。

圖3 有矩形切割槽及對準孔的一體化微機械硅載體基板

圖4示出了在準備好的密封模塑中顯示出兩個裝配的元件，微泵和傳感器芯片的微泵模塊的疊層結構。整個結構在80℃時用低應力塑料密封劑模塑，在140℃時固化，接著把溫度降到室溫。固化后，使用鉆石鋸切下封裝達到其最終尺寸，在邊上近似于10mm硅基板和密封劑之間TCE不匹配，與基板尺寸（4.8cm）有關聯，在結構中確保構建殘余應力。

采用掃描電子顯微鏡（SAM）分析裝配的部件，尋找由于密封之后構建應力出現的剝離和裂紋現象。圖5為引導孔附近基板密封劑剝離的SAM圖像。圖6示出了通過在裂紋附近包含三個基板的封裝拋光斷面圖。發生裂紋的硅載體基板是清晰可見的，實施微系統密封的三維有限元分析，使硅基板中發生裂紋現象的風險最小化。

3.2 裝配應力的模擬

當用塑料密封時，由于結構從模塑溫度冷卻到室溫，封裝內部各種不同材料的機械特性之間不匹配，結構易受壓縮應力約束。塑料的TCE近似于硅的5倍（塑料的TCE為15×10-6/℃，硅的TCE為3.24×10-6/℃）。因此，在硅中聚集大量壓縮應力，塑料中聚集張力在塑料和硅基板之間的接口處形成剝離的剪切應力。

圖4 包括基于硅墊片法的單個泵及傳感器模塊疊層的3D裝配圖

圖5 對準/引導孔周圍基板密封劑剝離現象的SAM圖像

圖6 密封的三個基板塊在硅基板中的裂紋斷面圖

圖7示出了在硅基板中有矩形切割窗或槽的疊層芯片裝配的四分之一對稱的有限元模型圖。最初槽的形狀是方形的，如圖3所示，有限元模擬表明剪切應力集中在槽末端的硅載體中。135N/mm2劃片期間，劃片刀穿過應力高度集中區域，使其發生如圖6所示的裂紋現象的可能性大增。

圖8示出了改變后的槽設計。工程判斷實際上把槽末端的高應力區域從劃片區域移走是有益的；有限元設計研究的結果在硅基板中鋸點（如圖9所示點A）處的應力集中。圖9采用發生裂紋問題的有限元分析，概要地表明了芯片、基板和不同槽的構造的相對位置。考慮有不同長度臂（從0.0mm到2.5mm）和不同寬度（0.5mm及1.0mm）范圍的“T”形槽，槽的定位相對于芯片邊緣從1.0mm到1.5mm變化。另外，臂的末端認為是尖利的，或直或彎。

圖7 引導孔和矩形切割窗的3D模塊1/4有限元模型

圖8 修改后的T型槽設計1/4有限元固態模型

圖9 使切割槽設計最佳化的有限元研究

有限元模擬表明，在槽的末端剪切應力的等級與先前的（135N/mm2）一樣高，然而沿著劃片刀的路徑，剪切應力下降到78N/mm2，也就是說，為矩形槽設計中剪切應力數值的60%，此關系如圖10所示，表明A點處剪切應力與臂長的關系，顯示在臂長大于1mm處應力顯著下降。雖然“T”形槽設計的缺點之一是高應力區域的數目成倍增加，但是劃片期間有此設計的基板發生裂紋現象的可能性大大降低。模擬表明如果臂長為1.0mm或大于1.0mm，在劃片區域就無應力集中現象。模擬結果也顯示出槽的寬度和與芯片邊緣的相對位置都是不重要的，合并改變后的槽設計的硅載體未發生裂紋現象。

圖10 隨著臂長增加在“A”點剪切應力減少

因為膜的厚度為40μm，存在扣上的風險，采用有限元技術模擬密封情況下微泵膜中壓縮應力的等級。模擬表明，膜不會扣上，隨后通過試驗測量產生一個因數，再鑒別氧化鋁基板作為形成膜應力的主要因素，因為氧化鋁基板既有剛性，TCE又是硅TCE的兩倍（E=300GDa，TCE=7×10-6/℃）。模擬結果分析表明，用硅基板或硼硅酸耐熱玻璃（TCE約為4×10-6/℃）基板替代氧化鋁基板，將把膜應力降到氧化鋁基板膜應力的1/3。應力下降的等級將允許膜厚度下降到25μm。膜需要盡可能地薄，以便使需要激活泵的功率量最小化，因此，降低應用功率等級使熱移除工作更簡易。

3.3 低應力封裝替代法

雖然有限元設計研究有助于消除載體基板中的硅裂紋，但是圖5中的剝離和圖6的硅裂紋證明整個封裝體存在顯著的應力。用FR4材料替代硅基板將顯著降低此問題，雖然以增加單個芯片上的應力作為代價。采用較軟的粘片材料有助于緩解芯片應力的增加。封裝體中高應力等級促使替代裝配計劃的研究，方案1為板上芯片法，如圖11所示，依據封裝體和墊片，整體從FR4裝配疊層系統。

首先，粘附單個芯片（125℃，20min）于PCB板，把焊盤在芯片上引線鍵合到板上軌跡；接著，把PCB墊片膠粘到此組裝的頂部。墊片中央空的部分適于PCB板上周圍區域粘附芯片，圍繞芯片的結合腔用環氧樹脂填充，在實際中此為標準的“硬”環氧樹脂密封劑，但是有關此結構的應力模擬研究的建議是使用“軟”的球狀頂部材料。為了構建如圖11所示的3D結構，把大量的板和墊片單元疊層到頂部。接下來就是采用鉆石切割輪把此結構降到最終尺寸，鋸掉邊緣使PCB圍墻包含疊層芯片。切割表面背部拋光以便提供方塊所有面上光滑的表面。

圖11 基于PCB板和PCB墊片的3D封裝結構圖

封裝工藝的最后一步就是使此疊層的外部表面徹底金屬化。通過鍍銅（2μm）/鎳（1μm）/金（0.1μm）完成拋光。采用激光成形在疊層裝配的相關表面上寫上要求的內層連接，使用研發的無電鍍池淀積銅和鎳層，而淀積金拋光采用適于商業化的浸鍍法。

裝配期間與此方法有關的主要困難之一就是控制疊層板和墊片的垂直對準，后來發現來自供貨方的PCB產品的質量和成本之間存在折中，與每一個基板上軌跡的一致對準及相同尺寸板和墊片的可再現性有關。后面的要點是關鍵的，作為在3D裝配中各種等級之間的互連，有效地垂直多芯片模塊（MCM-V）依靠激光書寫布圖于無電鍍外部表面。

如圖12和圖13所示，這些問題在PLCC封裝法中已被消除，此方法的依據就是采用每個封裝中受自然腔體影響的有內嵌的疊層系統的標準PLCC元器件。對準問題和相同尺寸板的可再現性是板和墊片法中的限制因素，采用適于商業化的標準尺寸PLCC比傳統制作板和墊片元件的工藝更便宜，特別是一旦軌跡未對準問題消除的話，涉及到的各種偏差意味著更高的成本，致使裝配和老化階段保持各部件的位置是非常困難的。

圖12示出了標準的PLCC，PLCC為包含有腔體和構建PCB型材料墻的芯片載體，芯片位于載體中心的模漿上，采用引線鍵合形成互連，引線鍵合的弧高必須低于圍墻的高度以避免受下一等級芯片載體影響而損壞，不需要垂直方向分離單個芯片的膠墊片，因為可置于芯片腔體是封裝結構的一部分，不僅降低工藝步驟的數量，也會產生更好的密封和封裝完整性。

圖12 （a）裸PLCC元件；（b）安裝了芯片的PLCC；（c）包含傳感器芯片和注射針的PLCC

圖13 基于PLCC方法的3D封裝結構

用球形頂部材料填充腔體，對大范圍的密封材料進行適合性評定，推薦使用軟材料。事實表明使用低溫固化球形頂部材料能更進一步使相關的各種應力最小化。適合的膠為在室溫狀況下可固化的膠。除了頂部的微泵和傳感器芯片之外，對別的微系統的所有元器件來說，裝配工藝是重復的。

3.4 微泵和傳感器芯片封裝

傳感器芯片是用傳統方式把芯片粘到芯片載體并進行引線鍵合到板上，鑒于保護這些引線鍵合的目的，和前面提到的一樣在芯片四周滴涂同樣的硅膠，密封焊盤并進行引線鍵合，但是把中心傳感器區域留出不滴涂硅膠。

把圖2所示的微泵模塊粘到另一個PLCC，通過導電環氧樹脂膠粘劑（125℃，20min）粘到元器件氧化鋁加熱器的側面。接著把PLCC反轉粘到承載傳感器芯片的PLCC，通過使用同樣的膠粘劑在3D裝配中把MCM元件粘到一起。此工藝一是為氧化鋁加熱器提供電接觸；二是使硅微泵面朝“上面”，向下接到傳感器芯片；三是消除了在疊層頂部表面上需要的蓋子。

通過泵和傳感器芯片間的聚硅氧烷方形環墊圈，完成感覺室結構。聚硅氧烷的厚度決定膜下面泵室的容積。它也起著防止流體泄漏的密封作用。在把芯片載體用膠粘到一起之前把其定位。鑒定聚硅氧烷為最適合的材料。采用有機膜光刻淀積諸如在應用中已證明的聚硅氧烷，應用于血液氣體傳感器，在化學和物理方面為穩定的硅橡膠，其隨溫度彈性模量（1.1kPa/℃）的變化小，既有很高的可壓縮性又有非常好的柔性，對此應用是很理想的。

通過在芯片載體中鉆孔（直徑1.6mm），在適當的位置放置入口和出口系統，把泵部件粘到上面。這些孔必須與氧化鋁薄片中的孔排成一列，精確定位以依次引導硅微泵中的微閥門。把流體提供給泵，通過如圖14所示的管子移動，使用的管子外直徑為1.6mm，管子材料部分為棉布型，使用在125℃固化2h的環氧樹脂定位。壓力傳感器需要有一個參考壓力進入端口，通過下列步驟獲得。傳感器芯片由壓焊到1mm厚玻璃芯片的300μm厚的硅芯片組成。后者具有600μm寬的槽，一旦把此芯片粘附到芯片載體，在芯片載體的側面鉆孔，通過此孔放置注射針到玻璃中的槽，在圖14所示的載體入口點采用環氧樹脂密封定位注射針。簡單的試驗表明此系統可承受至少3Atm的壓力。為了生產出最終的疊層，用于此裝配的膠粘劑根據下列標準選擇：（1）良好的壓焊性，在-55℃～+125℃之間1000個溫度循環之后無剝離現象發生，保持時間10min；（2）純凈等級；（3）操作自如；（4）安全性；（5）耐電鍍化學物品；（6）銅/鎳/金電鍍金屬化的粘附性。采用夾緊裝置固化此粘附期間（100℃，1h），保持PLCC定位，維持疊層載體的對準，同時提供必需的夾緊壓力，保證一致，避免完成固化之后每個等級之間的自由接合。較先前板及墊片法更進一步的改進就是省去了劃片工序。

圖14 顯示出入口/出口管及注射針的三維PLCC封裝模塊

3.5 互連

對PCB板和PLCC方法而言，方形塊的外表面電鍍一層化學鍍銅，接著化學淀積一層鎳。在方塊相應的表面上用氟化氬準分子激光書寫要求的互連圖案。圖14示出了除參考壓力入口端之外，有入口和出口定位管的兩個3D裝配實物照片。左邊的樣品已用銅/鎳/金電鍍，在樣品的一個側面已有激光布圖。

4 結束語

文章論述了在塑料3D MCM-V封裝中合并硅微泵封裝的微系統組裝。密封之后，在基板中存在相當多的殘余應力，引起剝離和裂紋現象。采用有限元法改進芯片載體基板的設計，從長方形體到“T”形體改變切割窗口的形體，從而極大地降低了殘余應力的等級，改變后的基板未發生裂紋現象。重點討論了適于微系統的替代低應力和低成本的3D封裝技術方案。在PCB板和墊片封裝形體中幾乎沒有殘余應力，因為不存在TCE不匹配。采用塑料無引線芯片載體（PLCC）比普通的塑料封裝芯片應力較少，在PLCC方法中工藝步驟數量的減少降低了3D模塊裝配的時間。因此，在疊層中生產每個單元，各部件不經受粘附固化步驟生成的中間應力。

PLCC方法不需要劃片工序，整體消除了任何相關的各種應力，通過使用軟球形頂部材料，更進一步得到了應力隔離方面的改善。此方法提供了良好構建的保護和可靠性，以便整個組裝涉及一個封裝內部的混合和匹配的能力。

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