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MEMS封裝技術(shù)的現(xiàn)狀

　　MEMS封裝的難點(diǎn)MEMS封裝的重要目的是確保系統(tǒng)在相應(yīng)的環(huán)境中更好的發(fā)揮其功能。為了達(dá)到這一點(diǎn)，封裝形式應(yīng)保證其良好的機(jī)械性與熱傳遞性能、優(yōu)良的電器聯(lián)結(jié)性能和長期工作的穩(wěn)定性，只有這樣，才能保證MEMS的正常應(yīng)用。目前的MEMS封裝技術(shù)大都是由微電子(集成電路)封裝技術(shù)發(fā)展演變而來，但是和微電子封裝又有著很大的差別。微電子封裝已經(jīng)有明確的封裝規(guī)范，而MEMS因為使用的特殊性和復(fù)雜性，使它的封裝不能簡單地套用微電子封裝技術(shù)。因此，MEMS的封裝成為MEMS技術(shù)發(fā)展的一個難點(diǎn)。復(fù)雜的信號界面MEMS的輸入信號界面十分復(fù)雜，根據(jù)應(yīng)用的不同會有力(壓力傳感器)、光(光電探測器)、磁(磁敏元件)、熱(溫度傳感器)、化(敏感氣體探測器)等一種甚至多種信號的輸入，會給封裝帶來很大的難度。三維結(jié)構(gòu)MEMS芯片毫米到微米極的三維微結(jié)構(gòu)，有的帶有腔體，有的帶有懸梁，有的帶有深槽、有的是微鏡等可動結(jié)構(gòu)，尺寸小、強(qiáng)度低，很容易因為接觸造成損壞或是因暴露而被玷污。特殊的外殼要求MEMS芯片的外殼需要留有開口用來感受外界的光、熱、力等物理信號。不同的用途，就要采用不同的外殼材料和外殼形狀。MEMS封裝技術(shù)3D封裝 由于工程中MEMS具有復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，且在現(xiàn)今高密度組裝、小型化、輕型化和薄型化的趨勢下，對于有限的面積，封裝工藝必然在2D基礎(chǔ)上向Z方向發(fā)展，這就是3D封裝。3D封裝形式主要有三個：  埋置型。將MEMS元器件埋置在基板多層布線內(nèi)或埋置、制作在基板內(nèi)部。  有源基板型。指用硅圓片IC做基板，先將圓片用一般半導(dǎo)體IC制作方法作一次元器件集成，做成有源基板，然后再實施多層布線，頂層仍安裝各種其他芯片和元器件，從而實現(xiàn)3D封裝。這種封裝方式用于較復(fù)雜及附加電路較多的MEMS傳感器的3D封裝中。 疊層式。把兩個或多個裸片或封裝芯片在垂直于芯片的方向上互連成3D結(jié)構(gòu)。推廣開來，可將已經(jīng)過單面或雙面組裝的MCM疊裝在一起，然后進(jìn)行上、下多層互連，或者將多個圓片疊在一起形成3D結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行互連以完成3D封裝。 倒裝焊技術(shù)倒裝焊（FCB）是將芯片的正面朝下，并與封裝基板鍵合的一種封裝方式。焊接時在芯片有源面的鋁壓焊塊上做出凸起的焊點(diǎn)，然后將芯片倒扣，直接與基板連接。由于芯片與基板直接相連，倒裝焊實現(xiàn)了封裝的小型化、輕便化，縮小了封裝后器件的體積和重量。由于凸點(diǎn)可以布滿整個管芯，所以有效增加了I/O互連密度。因連線縮短，引線電感減小，串?dāng)_變?nèi)酰盘杺鬏敃r間縮短，所以電性能大為改善。鑒于其本身的一系列優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為MEMS封裝中頗有吸引力的一種選擇。 從幾何層面上看，倒裝芯片面向下組裝，為光信號提供了直線通路，故非常適合光MEMS器件的設(shè)計和封裝。同時由物理層面上看，倒裝芯片給 MEMS器件提供了熱力載體。此外，因為倒裝焊對芯片與基板具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，所以非常適用于 MEMS器件的熱設(shè)計中。 多芯片組件技術(shù)多芯片組件（MCM）是電子封裝技術(shù)的一大突破，屬于系統(tǒng)級封裝。MCM是指一個封裝體中包含兩個或兩個以上的芯片，它們通過基板互連起來，共同構(gòu)成整個系統(tǒng)的封裝形式。MCM為組件中的各個芯片（構(gòu)件）提供信號互連、I/O管理、熱控制、機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)等。MCM提供了一種誘人的集成和封裝MEMS器件的途徑，它具有在同一襯底上支持多種芯片的能力，而不需要改變MEMS和電路的制造工藝，其性能可以優(yōu)化而無需做出妥協(xié)。事實上，基于MCM技術(shù)的MEMS封裝不但完全能夠替代傳統(tǒng)的單芯片封裝結(jié)構(gòu)，而且明顯提高了MEMS器件的性能和可靠性。 單芯片封裝技術(shù)單芯片封裝（SCP）屬于器件級封裝的范疇。所謂單芯片封裝，指在一塊芯片上制作保護(hù)層，將易損壞的元器件和電路屏蔽起來，避免環(huán)境對其造成不利的影響，并制作有源傳感器／制動器的通路，實現(xiàn)與外部的電接觸，以滿足器件對電、機(jī)械、熱和化學(xué)等方面的技術(shù)要求。 圓片級封裝技術(shù)圓片級封裝的主要目的是保護(hù)芯片或其他核心元器件，避免塑性變形或破裂，保護(hù)系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換電路，對部分元器件提供必要的電和機(jī)械隔離等。許多MEMS器件需要進(jìn)行晶片鍵合，制作出電極及緊湊的腔體。另外，晶片鍵合還完成了一級封裝。在硅-玻璃陽極鍵合法中，通常將硅片放置在薄玻璃襯底的頂部，在高溫和外加電場的影響下，玻璃中的鈉離子遷移硅-玻璃邊界處產(chǎn)生靜電場，靜電場的吸引力在分界面生成非常堅固的連接。在極間施加電壓200～1000V（視玻璃厚度而定），鍵合溫度180～500℃，玻璃鍵合強(qiáng)度可達(dá)到玻璃或者硅本身強(qiáng)度量級甚至更高。硅-硅互連可以利用陽極鍵合來實現(xiàn)，但需要中間夾層，在其中一個拋光硅片上沉積2～4μm 7740#玻璃膜，電流密度保持為10 A/m2，溫度穩(wěn)定在450～550℃，即可實現(xiàn)良好的連接，鍵合強(qiáng)度同樣可以達(dá)到硅或者絕緣體自身的強(qiáng)度量級，而且氣密性能良好。封裝材質(zhì)不同的MEMS器件對封裝材料的要求也不同，目前用于MEMS封裝的主要材料有陶瓷、塑料和金屬等。概括地說，MEMS對封裝材料有如下要求： 封裝材料的電導(dǎo)率要低，以降低電信號的傳送干擾； 傳熱性要好，對某些應(yīng)用需要散熱，而另一些應(yīng)用（如熱傳感器）則要求與外界溫度保持一致； 密封性要好，對一些微機(jī)械結(jié)構(gòu)來說，空氣中的某些氣體成分對其有腐蝕作用，且雜質(zhì)也會影響MEMS的正常工作，因而此時要求封裝材料有良好的密封性能，以保證器件的高可靠性。金屬基復(fù)合材料封裝在電子封裝包括MEMS封裝領(lǐng)域，得到最廣泛應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料當(dāng)屬Al/Si Cp。與其他的封裝材料相比，金屬基復(fù)合材料有下列優(yōu)點(diǎn)：  通過改變增強(qiáng)體的種類、排列方式或改變基體的合金成分，或改變熱處理工藝等，來實現(xiàn)材料的物理性能設(shè)計。改變或調(diào)整基體成分將在兩方面影響材料的性能：一是對基體本身熱物理的影響，二是對基體與增強(qiáng)體界面結(jié)合狀況的影響。通過改變熱處理工藝，同樣通過改變基體與增強(qiáng)體的界面結(jié)合狀況，進(jìn)而影響材料的熱性能。  該類材料熱膨脹系數(shù)較低，既能做到與電子元器件材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，又具有高導(dǎo)熱性和低密度。 材料制備靈活，生產(chǎn)費(fèi)用不高，價格正在不斷地降低塑料封裝材料 在同樣的封裝效果下，塑料封裝的低成本優(yōu)勢非常明顯。但是，塑料封裝不能實現(xiàn)氣密性封裝。塑料封裝采用的兩種封裝方法是預(yù)成型和后成型。預(yù)成型是指塑料殼體在MEMS芯片安裝到引線框架前制成；而在后成型塑料封裝中，塑料殼體在MEMS芯片安裝到引線框架后形成，這會造成MEMS芯片和鍵合引線遭受惡劣制模環(huán)境的影響。 塑料封裝中90%以上使用環(huán)氧樹脂或經(jīng)過硫化處理的環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂除成本低的優(yōu)勢外，還具有成型工藝簡單、適合于大規(guī)模生產(chǎn)、可靠性與金屬或陶瓷材料相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)。另外，經(jīng)過硫化處理的環(huán)氧樹脂還具有較快的固化速度、較低的固化溫度和吸濕性、較高的抗?jié)裥院湍蜔嵝缘忍攸c(diǎn)。陶瓷封裝材料 陶瓷是硬脆性材料，具有很高的楊氏模量。作為一種封裝材料，陶瓷有良好的可靠性、可塑性且易密封。此外，陶瓷具有較高的絕緣性能和優(yōu)異的高頻特性，其線性膨脹系數(shù)與電子元器件的非常相近，化學(xué)性能穩(wěn)定且熱導(dǎo)率高，被廣泛用于多芯片組件（MCM）、焊球陣列（BGA）等封裝中。但唯一不足的是陶瓷封裝的成本較高。一般情況下，陶瓷封裝用粘接劑或焊料將一個或多個芯片安裝在陶瓷底板或管座上。采用倒裝焊方式與陶瓷金屬圖形層進(jìn)行鍵合，可以實現(xiàn)良好的封裝。當(dāng)芯片與陶瓷鍵合后再作最后一道工序，對封裝體進(jìn)行封蓋密封，同時提供合適的電氣連接，封蓋形狀和特性由實際使用要求來決定。結(jié)語封裝是MEMS從研究走向應(yīng)用的關(guān)鍵一步，只有已封裝的MEMS器件才能成為實用的產(chǎn)品。隨著MEMS應(yīng)用的日益廣泛，MEMS芯片研究的日益成熟，低成本、高性能的封裝方法已經(jīng)成為MEMS領(lǐng)域的一個重要的研究可以。