先进的MEMS封装技术及应用[1]

第 23卷第 2期 V01．23 No．2 湖 北 工 业 大 学 学 报 Journal of Hubei Univers|ty of Technology 2008年 4月 Apr．2008 [文章编号]1O03—4684(2008)02—0016—04 先进的MEMS封装技术及应用 魏 兵 ，夏 明安 (湖北工业大学机械 工程学 院，湖北 武汉 430068) [摘 要]介绍了 MEMS封装技术的特点和发展现状，重点介绍了圆片级、单片全集成级、MCM 级、模块级、 SIP级等几种很有前景的封装技术在实际中的应用，并且对 MEMS封装的发展趋势进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ． [关键词]微加速度计；微陀螺仪；数字微镜器件；RF-MEMS _ ● [中图分类号]TN305．94 [文献标识码]：A 当前，国内外半导体集成电路科研水平已基本 具备将一些复杂的机电系统集成制作在芯片上的能 力，几乎整个 1000亿美元规模的产业基础设施都可 以用来支持 MEMS(Micro Electromechanical Sys— tem)技术，那些被批量制造的、同时包含尺寸在纳 米到毫米量级的电子与机械元器件构成的 MEMS， 成为国际上微电子系统集成发展的新方向．多门类 实用的MEMS演示样品向早期产品演绎，可批量生 产的微加速度计、力敏传感器、微陀螺仪、数字微镜 器件、光开关等的商品化 日趋成熟，初步形成 100亿 美元的市场规模，年增长率在 30％以上．当MEMS 与其他技术交融时，往往还会催生一些新的 MEMS 器件，为微电子技术提供了非常大的市场和创新机 遇，有可能在今后数十年内引发一场工业革命．然 而，实现 MEMS的商品化、市场化还面临许多挑战， 尚有很多产业化的技术难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 需要进行深层次的研 究、解决，尤其是 MEMS封装技术的发展相对滞后， 在某些方面形成封装障碍，使得很多MEMS器件的 研发仍暂时停留在实验室阶段，因此，解决 MEMS 封装技术是使 MEMS器件由实验走向市场应用的 关键 ． 1 MEMS封装的特点 MEMS技术是一门相当典型的多学科交叉渗 透、综合性强、时尚前沿的研发领域，几乎涉及到所 有自然及工程学科内容，以单晶硅 Si、SiO 、SiN、 SO1等为主要材料．Si的机械电气性能优 良，其强 度 、硬度 、杨式模量与 Fe相当，密度类似 A1，热传导 率也与 Mo和 w不相上下．在制造复杂的器件结构 时，现多采用各种成熟 的表面微加工技术以及体微 机械加工技术，正向以 LIGA技术 、微粉末浇铸 、即 刻掩膜 EFAB为代表的三维加工拓展．因而 MEMS 封装具有与Ic芯片封装显著不同的自身特殊性． 1．1 专用性 MEMS中通常都有一些可动部分或悬空结构、 硅杯空腔、梁、沟、槽、膜片，甚至是流体部件与有机 部件，基本上是靠表面效应工作的．封装架构取决于 MEMS器件 及 用 途，对 各 种 不 同结 构 及 用途 的 MEMS器件，其封装设计要因地制宜，与制造技术 同步协调 ，专用性很强 ]． 1．2 复杂性 根据应用的不同，多数 MEMS封装外壳上需要 留有同外界直接相连的非电信号通路，例如，有传递 光、磁、热、力、化等一种或多种信息的输入．输入信 号界面复杂，对芯片钝化、封装保护提出了特殊要 求．某些 MEMS的封装及其技术比MEMS还新颖， 不仅技术难度大，而且对封装环境的洁净度要求达 到 100级． 1．3 空间性 为给MEMS可活动部分提供足够的可动空间， 需要在外壳上刻蚀或留有一定的槽形及其他形状的 空间，灌封好的 MEMS需要表面上的净空，封装时 能提供一个十分有效的保护空腔． 1．4 保护性 在晶片上制成的MEMS在完成封装之前，始终 [收稿日期]2007—12—01 [作者简介]魏 兵(1966一)，女，湖北洪湖人，湖北工业大学副教授，工学硕士，研究方向：机械设计及理论． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 23卷第 2期 魏 兵等 先进的 MEMS封装技术及应用 17 对环境的影响极其敏感．MEMS封装 的各操作工 序、划片、烧结、互连、密封等需要采用特殊的处理方 法，提供相应 的保护 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，装 网格框架，防止可动部 位受机械损伤．系统的电路部分也必须与环境隔离 保护，以免影响处理电路性能，要求封装及其材料不 应对使用环境造成不良影响． 1．5 可靠性 MEMS使用范围广泛，对其封装提出更高的可 靠性要求，尤其要求确保产品在恶劣条件下的安全 工作，免受有害环境侵蚀，气密封装能发散多余热 量． 1．6 经济性 MEMS封装主要采用定制式研发 ，现处于初期 发展阶段，离系列化、标准化要求尚远．其封装在整 个产品价格中占有 4O ～9O 的比重，降低封装成 本是一个热门话题． 总而言之 ，IC封装 和 MEMS封装这两者最大 的区别在于MEMS一般要和外界接触，而 IC恰好 相反，其封装的主要作用就是保护芯片与完成电气 互连，不能直接将 IC封装移植于更复杂的 MEMS． 但从广义上讲 ，MEMS封装形式多是建立在标准化 的 IC芯片封装架构基础上．目前的技术大多沿用成 熟的微 电子封装 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 ，并加 以改进、演变，适应 MEMS特殊的信号界面、外壳、内腔、可靠性、降低 成本等要求． 2 MEMS封装的发展 MEMS的发展目标在于通过微型化、集成化来 探索新原理、新功能的元器件与系统，开辟一个新技 术领域和产业，其封装就是确保这一目标的实现，起 着举足轻重的作用口]．几乎每次国际性 MEMS会议 都会对其封装技术进行热烈讨论，多元化研发另辟 蹊径．各种改进后的 MEMS封装不断涌现，其中较 有代表性的思路是涉及物理、化学、生物、微机械、微 电子的集成微传感器及其阵列芯片系统，在实现 MEMS片上系统后，再进行封装；另一种是将处理 电路做成专用芯片，并与 MEMS组装在同一基板 上，最后进行多芯片组件 MCM 封装、系统级封装 SIP．在商用 MEMS产品中，封装是最终确定其体 积、可靠性、成本的关键技术，期待值极高． MEMS封装大致可分为圆片级、单片全集成 级、MCM 级、模块级、SIP级等多个层面．圆片级给 MEMS制作的前、后道工序提供了一个技术桥梁， 整合资源，具有倒装芯片封装与芯片尺寸封装的特 点，对灵敏易碎 的元件、执行 元件进行特殊钝 化保 护，使其免受有害工作介质和潮汽侵蚀，不受或少受 其他无关因素的干扰 ，避 免降低 精度，完成 MEMS 芯片与基座(或管壳)的焊接和键合；单片全集成级 封装要对一个集成在同一衬底上的微结构和微电路 进行密封，使之成为一个可供应用的完整系统产品， 尺寸小，内部互连长度短，电气特性好，输出／入接点 密度高，是 MEMS封装发展的较理想 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ；MCM 级将 MEMS和信号处理芯片组装在一个外壳内，常 采用成熟的淀积薄膜型多芯片组件 MCM-D、混合 型多芯片组件 MCM—C／D、厚膜陶瓷多芯片组件 MCM—C的工艺与结构达到高密度、高可靠性封装， 可以充分利用已有的条件和设备，分别制作 MEMS 的不同部分．这类封装在小体积、多功能、高密度、提 高生产效率方面显出优势；模块 级封装 旨在为 MEMS设计提供一些模块式的外部接口，一般分为 光学接口、流体接口、电学接 口，接口数据则由总线 系统传输，从而使 MEMS能使用统一的、标准化的 封装批量生产，减少在封装设备上的投资，降低成 本，缩短生产周期，并要求封装可以向二维空间自由 扩展和连接，形成模块，完成某些功能，保证尽可能 高的封装密度；SIP称为超集成策略，在集成异种元 件方面提供了最大的灵活性，适 用于射频 RF- MEMS的封装，目前的通信系统使用了大量射频片 外分立单元，无源元件(电容、电感、电阻等)占到射 频系统元件数目的 8O 一9O ，占基板面积的 7O 一 8O ，这些可MEMS化来提高系统集成度及电学性 能，但往往没有现成的封装可以利用 ，而 SIP是一种 很好的选择，完成整个产品的组装与最后封装． 在 MEMS封装技术中，倒装芯片互连封装以其 高 I／o密度、低耦合电容、小体积、高可靠性等特点 而独具特色 ，可将几个不同功能的 MEMS芯片通过 倒装互连组装在同一块基板上，构成一个独立的系 统．倒装芯片正面朝下 ，朝下 的光电 MEMS可灵活 地选择需要接收的光源，而免受其他光源的影响．研 究表明，通过化学镀沉积柔性化凸点下金属层 UBM、焊膏印刷和凸点转移在芯片上形成凸点的这 一 套工艺的设备要求不高，可作为倒装芯片封装结 构用于力敏 MEMS，尤其适合各研究机构为 MEMS 开发的单件小批量的倒装芯片封装．而使用光刻掩 膜 、电镀和 回流的方法形成 凸点的 UBM，却适合工 业化大批量生产的MEMS压力传感器．采用倒装芯 片互连技术的MEMS封装已取得多方面进展，成为 研发热点． 在实际应用中，MEMS的封装可能是采用多种 技术的结合．严格地讲，有些封装技术并无明显的差 异和界定，另一些却与微电子封装密切相关或相似， 维普资讯 http://www.cqvip.com 18 湖 北 工 业 大 学 学 报 2008年第 2期 高密度封装 、大腔体管壳与气密封装 、晶片键合 、芯 片的隔离与通道、倒装芯片、热学加工、柔性化凸点 、 准密封封装技术等倍受关注．用于 MEMS封装的材 料主要有陶瓷、金属、铸模塑料等数种，高可靠性产 品的壳体大多采用陶瓷一金属、陶瓷一玻璃、金属一 玻璃等结构，各有特点，满足 MEMS封装的特殊信 号界面、外壳性能等要求． 3 MEMS封装的应用 MEMS是当代国际瞩 目的重大科技探索前沿 阵地之一，新研发的 MEMS样品不断被披露出来， 从敏感 MEMS拓展到全光通信用光 MEMS、移动 通信 前 端 的 RF—MEMS、微 流 体 系统 等 信 息 MEMS．光 MEMS包括微镜阵列、光开关、可变衰 减器、无源互连耦合器、光交叉连接器、光分插复用 器和波分复用器等，MEMS与光信号有着天然的亲 和力 ；RF_MEMS包括射频开关 、可调 电容器、电感 器 、谐振器 、滤波器 、移相器、天线等关键元器件 ；微 流体系统包括微泵、微阀、微混合器、微流体传感器 等，可对微量流体进行输运、组分分析和分离以及压 力、流量、温度等参数的在线测控． MEMS正处在蓬 勃发展时期，产业链和价值链的形成需要链中各环 节的共同努力和密切合作，封装不可缺位． 3．1 微加速度计 MEMS最成功的产品是微加速度计，通常由一 个悬臂构成，梁的一端固定，另一端悬挂着一个约 10 g的质量块 ，由此质量块敏感加速度后，转换为 电信号，经 c／v转换、放大、相敏解调输出．有 的厂 家月产达 200万件，研发出2O余种型号产品，主要 用于汽车安全气囊系统和稳定系统的惯性测量，国 际市场年需求量在 1亿件以上．在市场上较其他类 MEMS取得商业化快速进展 的原因是更适宜采用 标准的 IC封装 ，提供一个相应的微机械保护环境， 无需开发特殊的外壳结构，从 XLS0圆型陶瓷封装 演进到 XL276型 8脚 陶瓷双列直插 式、XL202型 14脚 陶瓷 表面 贴装 式 封装 ，目前 逐 渐 被更 小 的 XL202E型 8脚陶瓷表面贴装所取代 ，可耐高温和 强烈机械振动、酸碱腐蚀．Low—G系列产品采用流 行的方形平面无引脚 QFN一16封装，有的采用 16脚 双列直插式或单列直插式塑料封装．采用 MCM 技 术通常能在一个 MEMS封装中纳入更复杂的信号 调节功能芯片． 3．2 微陀螺仪 MEMS微陀螺仪多利用振 动来检测旋转的角 速度信号，正加速研制高精度、低成本、集成化、抗高 冲击的产品 ，研究在芯片上制造光纤陀螺 ，小批量生 产硅 MEMS陀螺(俗称芯片陀螺)和MEMS石英压 电速率陀螺，用于全球卫星定位系统精确制导的信 号补偿、汽车导航系统、飞行器、天线稳定系统等．有 采用无引线陶瓷芯片载体 LCCC封装、混合集成封 装 MCM封装、单管壳系统封装的微陀螺仪，将惯 性传感器与控制专用电路封装为一体，要求内部必 须是真空气密条件． 3．3 力敏传感器 以 MEMS技术为基础 的微型化、多功能化、集 成化、智能化的力敏传感器获得商业化应用．其中， 硅 MEMS压力传感器的使用最广泛，基本工艺流 程分为力敏弹性膜片(硅杯)和组装两大过程，在组 装中如何避免附加应力的产生是封装工艺的关键， 采用静电封接独具特色，将力敏弹性膜片与玻璃环 通过静电封接机封接为一体，形成膜片基体，背面接 受压力结构增加膜片的固定支撑厚度，然后键合内 引线、粘结 、焊外引线 、老化处理 、零点补偿 、密封、静 电标定等完成整个封装过程：封装技术向低温玻璃 封接、激光硅一玻璃封接发展． 3．4 表面贴装麦克风 全球首款表面贴装 Si Sonic微型麦克风的部件 采用 MEMS技术制造，并将其与一个 CMOS电荷 泵 IC、两个RF滤波电容集成在一个封装中，组成一 个表面贴装器件．这种表面贴装的封装形式适合大 批量自动装配生产，生产效率极大提高，而目前采用 传统电容式麦克风 ECM 是手工贴装，缺乏规模经 济性．前者总体只有 ECM的一半大小，投影面积是 更小的 8．61 mm ，有望取代一直在便携式应用中占 主导地位的 ECM． 3．5 数字微镜器件 数字微镜器件 DMD(Digital Micro—mirror De— vice)主芯片含有超过 150万个能被精确控制、独立 转动的微镜，可用于光通信及数字投影装置、背投彩 电等，其成像原理是由微镜±10。的转动控制光信号 通断，透镜成像并投影到屏幕上，优势是光效高、色 彩丰富逼真、亮度易作到 2000流明甚至更高 、对比 度 2000：1、可靠性好 、平均寿命约为 50年，现销售 量超过 3×10。套．DMD采用带有透明窗口的密封 封装形式，用陶瓷作为基底，玻璃作为窗口，同时使 用了吸气剂，去除可能会对器件可靠性造成危害的 湿气、氢以及其他一些物质微粒，其封装能够保证器 件内干燥 、密封并有一个透明的窗 口确保光路的畅 通． 3．6 RF—MEM S RF—MEMS可弥补 CMOS工艺的不足，MEMS 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 23卷 第 2期 魏 兵等 先进 的 MEMS封装技 术及应用 19 技术制作的无源元件有益于系统集成度与电学性能 的提高、成本降低，成为国际顶级半导体厂商拓展硅 芯片应用范围的研发方 向．RF—MEMS开关的实用 化获得相当大的进展，往往没有现成 的封装可以直 接使用，因而需寻求解决方案，SIP首当其冲．SIP 从 RF—MEMS设计阶段即考虑封装问题，无源元件 的集成方式、封装结构的设计、封装工艺流程、系统 内芯片间的互连、封装材料的选择等尤为关键．SIP 中内含表面安装器件、集成式无源元件、存储器芯 片、CMOS芯片、GaAs高性能功率放大器，在基板 上可用高密度互连技术制作掩埋式无源元件、传输 线等，简化系统结构，降低寄生效应与损耗，提高应 用频率范围，缩短产品开发时间． 4 结语 MEMS以及微光电子机械系统 MOEMS、纳米 电子机械系统 NEMS的研发为新的技术革命提供 了大量机遇．不同的MEMS要求具体相应的封装结 构，封装技术的特异性高，引发出大量的封装问题亟 待解决． 据国外权威统计公司 SPC的统计 ，国内MEMS 的研究处于世界前八位，可批量生产 MEMS力敏传 感器，研制成功 MEMS光开关、RF—MEMS开关、微 流体系统等多种原理样品，从总体水平上看，与国外 的差距主要体现在产业化技术上．选择一些应用量 大 、面广 的 MEMS及其封装作为发展和市场切入 点 ，形成产业 ，满足市场需求，为发展其他 MEMS打 下基础、摸索出规律 这样就成功了一半．没有一项 MEMS的研发会漠视封装技术，没有封装的跟进是 不现实的． 从国外发展趋势看，MEMS的封装类别一般都 沿用已经标准化的IC封装结构形式，或者加以改进 来适应 MEMS要求，力争采用更多的现有 IC封装 架构实现MEMS的封装．采用新型封装结构及其技 术，建立 MEMS封装单元库，注重成本的新封装结 构与 MEMS研发之间的进一步整合，成为另一个发 展趋势． [ 参 考 文 献 ] [1] 莫锦秋 ，梁庆华，汪国宝．微机电系统设计与制造EM]． 北京：化学工业出版社，2004． E2] 王海宁，王水弟，蒋 坚．先进的 MEM§封装技术[J]． 半导体技术，2003(6)：7—1O． E3] 李 金，郑小林，张文献，等．MEMS封装技术研究进 展[J]．微纳电子技术，2004(2)：26—31． The Application of Advanced M EM S Packaging Technology W EI Bing，XIA Ming—a (School of Mechanical Engin．，Hubei Univ．of Technology，Wuhan 430068，China) Abstract：Some particularities of the MEM S(micro electromechanical system)packaging technology and the state are described．Several technologies including the M CM and SIP are especially discussed．The analyses are given for MEMS packaging technology future trends． Keywords：micro electromechanical system packaging；micro acceleration account；micro—gyroscope；digit— a1 micro-mirror device；RF_MEMS [责任编校：张岩芳] 维普资讯 http://www.cqvip.com