基于圓片級陽極鍵合封裝的高gn值壓阻式微加速度計*

袁明權，孫遠程，張茜梅，武 蕊，屈明山，熊艷麗

（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽 621900）

0 引言

同大多數MEMS器件實現從實驗室階段向產業化過渡所面臨的問題一樣，高gn值壓阻式微加速度計在技術上主要的障礙之一就是封裝［1～3］。

盡管目前MEMS產品越來越多，發展越來越快，但是“封裝”問題并沒有得到研究機構足夠的重視，致使大量的產品構想陷入了困境，甚至失敗，都是因為沒有找到有效且合適的封裝方法。現今大多數MEMS產品的生產環節中，封裝往往是最昂貴的部分。封裝的發展和應用將決定一個MEMS 產品的成敗［4～6］。

高gn值壓阻式微加速度計中既有傳統IC中常見的元素—電阻，又有力學傳感器常見的梁、質量塊等可動結構［7，8］。因此，同傳統IC封裝相比，高gn值壓阻式微加速度計的封裝除滿足引線連接、隔離外部環境以避免外界氣氛對其腐蝕或破壞外，更重要的作用還包括讓外界信號能夠更真實地傳遞到敏感芯片上［9］，并提高傳感器的抗沖擊能力，能夠在惡劣的侵徹過程中具有良好性能等。因此，探索有效且合適的封裝成為高gn值壓阻式微加速度計走向應用的重要環節。

1 封裝結構設計

1．1 封裝需要考慮的關鍵因素

對于高gn值壓阻式微加速度計敏感芯片來說，密封性、小型化和批量化是重點考慮的關鍵因素。

1）密封性

如圖1所示，本研究的封裝對象是典型的懸臂梁加質量塊結構的高gn值壓阻式微加速度計敏感芯片。其核心部分是可動的，封裝過程必須對可動結構加以密封保護，防止異物進入影響梁和質量塊的自由運動。由于高gn值壓阻式微加速度計在工作時需要供電，而且測得的信號還需要輸出，這些都必須通過制作在芯片上的焊盤來實現。因此，在密封的同時還要確保焊盤不被覆蓋，否則，后續的引線鍵合工藝將無法進行。在“密封”的同時考慮“開放”，這往往就成為封裝工藝的難點之一。

圖1 高gn值壓阻式微加速度計敏感芯片結構圖Fig 1 Structure diagram of high gnpiezoresistive micro-accelerometer chip

2）小型化

研究表明:小型化是提高傳感器抗沖擊能力的有效手段，這就對封裝提出了更高的要求。由于封裝技術的落后，往往導致最終失去了器件和系統微型化所帶來的優點，這一點對高沖擊傳感器來說很可能是致命的。

3）批量化

使用機械化自動操作來進行圓片級的封裝，有利于提高封裝的可靠性和穩定性，提高工作效率、降低成本。

1．2 封裝結構

為了有效地保護芯片、提高器件的抗沖擊能力，本文提出了一種采用玻璃—硅—玻璃鍵合的三層式結構，如圖2所示。加速度計的檢測部分制作在中間硅層上，底層玻璃襯底和上層玻璃蓋板一起保護中間結構層，而且給質量塊和懸臂梁留有運動間隙，同時上層玻璃蓋板具有與中間硅層上的電極引線相對應的精密引線槽。

圖2 三層式結構示意圖Fig 2 Schematic diagram of the triple stack structure

整片鍵合示意圖見圖3。整片鍵合的實現可以通過2次雙層硅—玻璃陽極鍵合來完成，也可以通過一次三層玻璃—硅—玻璃陽極鍵合來完成。焊盤通道的建立可以通過精確的劃片來實現。

2 制作工藝

2．1 芯片制作工藝過程

圖3 整片鍵合示意圖Fig 3 Schematic diagram of the whole chip bonding

高gn值壓阻式微加速度計采用玻璃蓋板—敏感芯片—玻璃襯底結構，通過陽極鍵合工藝實現圓片級封裝。其加工過程包括:敏感芯片工藝［10，11］、玻璃蓋板工藝、玻璃襯底工藝和鍵合成型工藝等部分。

敏感芯片制作工藝流程見圖4。

圖4 高gn值壓阻式微加速度計敏感芯片工藝流程Fig 4 Fabrication process of high gnpiezoresistive micro-accelerometer sensitive chip

具體的工藝過程描述如下:

高溫氧化，光刻，去氧化層，淡硼離子注入，硼推進，形成壓阻區（圖4（a））;光刻，去氧化層，濃硼擴散，硼推進，形成歐姆接觸區（圖4（b））;光刻，去氧化層，磁控濺射金屬鋁，光刻，金屬鋁腐蝕，光刻，氧化硅腐蝕，形成金屬電極（圖4（c））;光刻，正面ICP刻蝕，形成懸梁結構（圖4（d））;光刻，背面ICP刻蝕，釋放結構，完成高gn值壓阻式微加速度計敏感芯片制作（圖4（e））。

2．2 玻璃蓋板制作工藝過程

玻璃蓋板制作工藝流程見圖5。

圖5 高gn值壓阻式微加速度計玻璃蓋板工藝流程Fig 5 Fabrication process of the glass cover of high gn piezoresistive micro-accelerometer

具體的工藝過程描述如下:

濺射金屬鉻金，形成硼硅玻璃腐蝕所需金屬掩蔽膜（圖5（a））;光刻，濕化學腐蝕金屬鉻金，濕化學腐蝕硼硅玻璃，形成劃片所需隔離間隙（圖5（b））;光刻，濕化學腐蝕金屬鉻金，濕化學腐蝕硼硅玻璃，形成電極引線槽（圖5（c））;化學腐蝕金屬鉻金，去除金屬掩蔽膜層，完成高gn值壓阻式微加速度計玻璃蓋板制作（圖5（d））。

2．3 玻璃襯底制作工藝過程

玻璃襯底制作工藝流程見圖6。

圖6 高gn值壓阻式微加速度計玻璃襯底工藝流程Fig 6 Fabrication process of the glass substrate of high gn piezoresistive micro-accelerometer

具體的工藝過程描述如下:

濺射金屬鉻、金，形成硼硅玻璃腐蝕所需金屬掩蔽膜（圖6（a））;光刻，濕化學腐蝕金屬鉻金，濕化學腐蝕硼硅玻璃，形成質量塊運動所需間隙（圖6（b））;化學腐蝕金屬鉻金，去除金屬掩蔽膜層，完成高gn值壓阻式微加速度計玻璃襯底制作（圖6（c））。

2．4 鍵合成型制作工藝過程

鍵合成型制作工藝流程見圖7。具體的工藝過程描述如下:

圖7 鍵合成型工藝流程Fig 7 Fabrication process of bonding and shaping

玻璃蓋板、敏感芯片與玻璃襯底三層精確對位，三層陽極鍵合（圖7（a））;精確劃片成型，完成高gn值壓阻式微加速度計傳感器制作（圖7（b））。陽極鍵合是在三層玻璃—硅—玻璃對位完成后一次完成的。

3 結果與分析

3．1 樣品制作

基于上述圓片級制作與封裝工藝，采用N〈100〉晶向、電阻率為4～7 Ω·cm、直徑為 100 mm、厚度為 400 ±10 μm雙面拋光單晶硅片和直徑為100mm、厚度為200±10μm雙面拋光硼硅玻璃片成功制作出一種圓片級封裝的高gn值壓阻式微加速度計。圖8為圓片級封裝后的工藝片。

3．2 性能測試

圖8 高gn值壓阻式微加速度計圓片級封裝樣片Fig 8 Wafer-lever packaging sample of high gnpiezoresistive micro-accelerometer

采用Endevco 2925 POP Shock Calibrator和自制便攜式高gn值沖擊試驗裝置對加速度計進行背靠背沖擊測試［12，13］。選用Endevco 2270型壓電式加速度計作為標準傳感器，該傳感器電荷靈敏度為0．858 pC/gn。圖9為6000gn左右沖擊下的測試結果。結果顯示:傳感器靈敏度是0．1512 μV/gn/V，同設計值 0．15μV/gn/V 比較吻合。在該沖擊下測得傳感器的諧振頻率約為200 kHz。

采用Endevco 2973A SMAC Hopkinson高沖擊校準裝置對加速度計進行了抗沖擊性能測試［15］。測試結果表明:傳感器在105gn短脈沖（80 μs）下能夠正常工作。目前正在進行寬脈沖（ms量級）高沖擊試驗的準備工作。

圖9 高gn值壓阻式微加速度計測試曲線Fig 9 Testing curve of high gnpiezoresistive micro-accelerometer

4 結論

為了解決高gn值壓阻式微加速度計制造過程中的芯片密封性、小型化和批量化等生產難題，設計了一種圓片級封裝結構，突破了芯片制造過程中電極通道建立、焊盤保護、精確劃片等關鍵技術。采用玻璃—硅—玻璃3層對準、陽極鍵合一次完成的圓片級封裝方式，在4 in硅基MEMS生產線上制作出了尺寸僅為1 mm×1 mm×0．8 mm的高gn值壓阻式微加速度計樣品;測試結果表明:樣品具備105gn的抗沖擊能力、0．15 μV/gn/V的靈敏度以及200 kHz的諧振頻率。

通過對封裝結構的適應性改變，圓片級鍵合封裝技術也可應用于其他具有相似結構的MEMS器件研制過程。

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