MEMS器件封裝技術

MEMS器件體積小，造價低，是未來傳感器的發展方向，隨著MEMS技術進步，慣性MEMS傳感器、中等角頻率傳感器分辨率高且低成本的慣性組件，用于測量導彈姿態的偏航角和旋轉滾動速率。MEMS器件中，封裝技術極為重要性，堅固耐用的慣性MEMS器件，除集成技術外封裝成為另一個核心，我們對封裝技術進行探討研究，旨在提高MEMS器件的可靠性。

【關鍵詞】MEMS器件封裝技術 微機電系統

MEMS器件封裝技術順勢而生，它的制備工藝和設備已相當成熟，MEMS器件的應用并不多，沒有大范圍進行推廣。因為MEMS器件的封裝技術沒有達到很高的水準，所封裝的器件并沒有很好的質量。MEMS器件封裝技術的不成熟在很大程度上面限制MEMS商業的發展。

1 MEMS概述

MEMS又稱微機電系統，是比較獨立的智能系統，尺寸很小，只有幾毫米甚至更小，由三大部分組成，傳感器、動作器和微能源。MEMS設計包含多方面學科，主要是物理學、化學、材料工程、電子工程等一系列學科，微機電系統應用于多方面領域，汽車電子領域、計算機領域、消費電子領域、網絡通信類這四類是最常見的領域。MEMS工藝與傳統的IC工藝有許多相似之處，MEMS借鑒了IC工藝，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學機械拋光工藝等，對于毫米甚至納米級別的加工技術，傳統的IC工藝是無法實現的，必須得依靠微加工，進行精細的加工，能達到想要的結構和功能。微加工技術包括硅的體微加工技術、表面微加工技術。體加工技術是指沿著硅襯底的厚度方向對硅襯底進行刻蝕的工藝，是實現三維結構的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過在犧牲層薄膜上沉積結構層薄膜，然后去除犧牲層釋放結構層實現可動結構。

2 MEMS器件封裝優勢

微機電系統是按照功能在芯片上的集成，尺寸一般是在毫米以下，制作工藝更加精密，需要更高的技術，微機電系統早在國外就有應用，我國起步晚，在MEMS方面的投入逐漸增大，所占市場股份越來越大。微機電系統的出現和發展是現代科學創新思維的結果，也是微觀尺度制造技術方面的進化和革命。MEMS在傳感器領域應用的最為廣泛，因為體積小，重量輕，成本低價的原因廣受歡迎，使多種領域對體積小性能高的MEMS產品的需求迅速增長，在消費電子、醫療等領域就發現了大量的MEMS產品。MEMS有如下五個特點：

2.1 微型化

MEMS器件總的來說就是“小”，不管是在體積，重量，還是在耗能，造價方面都是屬于“微型”系列，并且工作效率高，響應的時間短。

2.2 材料來源廣，性能優秀

大部分集成電路和MEMS的原材料是硅，硅可以從二氧化硅中經過化學反應對其進行提煉，二氧化硅是砂子的主要成分，原材料隨處可見。此外，硅的硬度與鐵相當，密度小，與鋁類似，熱傳導性強。

2.3 批量生產

完整的MEMS在一片硅片上面同時被制造，大片的生產能夠提高生產效率，也節約了大量的成本。

2.4 集成化

由各種功能不同的傳感器或者執行器組成的系統，形成微執行器陣、微傳感器陣列，還能把功能多樣的器件組合起來，構成繁雜的微系統。微執行器、傳感器和微電子器件的合成創造出的MEMS可靠性和穩定性都比較高。

2.5 多學科交叉

MEMS設計知識廣泛，多學科知識相交，MEMS技術變得異常復雜，涉及各方面知識，MEMS器件借鑒了很多現代科學技術發展成果。

3 MEMS器件封裝技術

3.1 倒裝焊技術

倒裝焊是將芯片的正面朝下，然后和封裝基板一起進行封裝。這樣的好處體現在，芯片與基板直接連接，硅片就能夠直接倒扣在PCB上，再從硅片的周圍引出I/O。周圍直接引出I/O，不需要再從一個接口上面連接，大大縮短了互聯的長度，進而減小了延遲，提高了運行速度，達到最終目的提高電能性。很明顯，對于這種連接方式，能夠最大程度上面利用空間，并且不會因為連線過多而導致體積過大，相反的，倒裝的效果和原芯片的大小幾乎相同，大大提高了運行效率。在所有表面安裝技術中，倒裝芯片可以達到最小、最薄的封裝，使整個封裝之后的器件體積縮小不少。因為凸點能夠充滿整個管芯，I/O的互連密度也大大增加，加快了輸入輸出的效率，又因連線縮短，縮短了信號傳輸時間，進而大大改善了電性能。如在微麥克風中就應用了此技術，為了使信號串擾和引線電感有所減少，需要縮短放大器和麥克風之間的引線。為了達到該目的，微麥克風MEMS芯片和放大電路需要被封裝在一起，這樣的器件封裝需要采用倒裝焊技術，減小封裝體積還能支持一些其他用途。經過MEMS器件封裝之后的微麥克風具有低功耗，高靈敏度的特點，很大程度上提高了麥克風的效果，與傳統的駐極體麥克風，價格上便宜了很多。

3.2 多芯片組件技術

多芯片組件（MCM）屬于系統級封裝，是電子封裝技術層面的大突破。MCM是指一個封裝體中包含通過基板互連起來，共同構成整個系統的封裝形式的兩個或兩個以上的芯片。并為組件中的所有芯片提供信號互連、I/O管理、熱控制、機械支撐和環境保護等條件。

3.3 多芯片封裝

多芯片封裝是 MEMS 封裝的另一發展趨勢。壓縮整個器件的體積、適應小型化、縮短信號到執行器之間的距離、減小信號和外界干擾所帶來的各種影響，將其MEMS芯片與信號處理芯片安放于同一管殼內。在用陶瓷的基板的基礎上，用引線鍵合技術將傳感器安裝在一起，將基板封裝，最后就順利完成了MEMS的封裝。

MCM提供了一種特有的可以在同襯底上同時支持多種芯片的能力的誘人的集成和封裝MEMS器件的途徑，無需改變MEMS和電路的制造技術，其性能還可以無妥協地做出優化。以MCM技術為基礎的MEMS封裝代替傳統的單芯片封裝結構完全沒問題，還將其器件的性能和可靠性顯著提高了。例如山西科泰公司生產的將控制電路和MEMS芯片裝在一個基板上的加速度傳感器的封裝，利用這種封裝技術，用便捷的方法提高了封裝的可靠性及其封裝密度，同時提高生產效率和批量生產的速率。從各種技術優勢來看，完成MEMS芯片和基板的互連是可行的。

4 結語

MEMS封裝技術的發展，借鑒IC封裝經驗，降低生產成本；在芯片結構設計初期，利用建模的思想來進行模擬封裝，尋找適合的材料和工藝。MEMS封裝技術的發展，工藝程序只會越來越來復雜，越來越多樣化，加快MEMS封裝技術的研究步伐，提供優質的產品。

參考文獻

[1][美]阿德比利，[美]派克.電子裝技術叢書——電子封裝技術與可靠性[M].北京：化學工業出版社，2012：42-450.

作者簡介

謝康（1964-），男。華東光電集成器件研究所工程師。主要研究方向為信號處理、半導體工藝。

作者單位

華東光電集成器件研究所 安徽省蚌埠市233030