MEMS器件封装技术

袁永举王静

(1.中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024；2.无锡华测电子系统有限公司，江苏无锡 214000)

微电子机械系统（亦称微机电系统，MEMS）是利用微机械加工工艺制作具有机械特性的传感器系统。通常利用硅或者非硅材料作为其机械结构，以获得优异的机械性能。该系统包括传感器、执行器等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路。MEMS是一种收集、分析处理信息和执行动作指令的集成器件，其集中了微电子学、光学，生物学，物理学，化学，力学，机电一体化及材料科学等的高技术理论及实际生产工艺技术[1]。

微机电系统是在微电子封装技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术。微电子封装技术是MEMS器件封装技术的重要基础，其主要加工手段（如Si材料制备、光刻、金属化等）均在MEMS制备中发挥极大作用。虽然MEMS封装与微电子封装技术具有某些相似之处，但由于MEMS器件的功能特殊性，并不能简单地将微电子封装技术移植到MEMS封装技术中。MEMS封装与微电子封装相比，具有如下的一些特殊性：

（1）微腔体：由于MEMS器件通常具有微可动结构，因此，在对其进行封装过程中，需要使用微腔体对其进行保护；

（2）应力隔离：MEMS器件的性能会受到应力状态的影响，因此，必须避免由于封装所引入的应力，在封装过程中必须考虑应力隔离；

（3）真空封装：陀螺、红外传感器等器件需要进行真空封装，而真空封装后，保持其真空度也是MEMS封装的主要瓶颈之一；

（4）气密封装：加速度、开关等MEMS器件需要气密封装，防止外界水汽等对其性能、可靠性产生影响。有的MEMS封装气密性甚至要达到10～12 Pa·m3/s数量级。

基于MEMS封装技术的特殊性，MEMS的封装成本占整个MEMS器件成本的70%以上,成为MEMS技术发展和产业化的瓶颈。本文将讨论MEMS器件的芯片级、器件级和系统级3个层次的封装方式，并将讨论MEMS封装中需要特殊考虑的问题。

MEMS主流封装技术分3个层次，分别为圆片级、器件级和系统级封装。

1 圆片级封装

很多MEMS产品在进行划片之前，需要对其进行封装，即圆片级封装（WLCSP)。通常利用圆片级键合实现[2]。几种成熟的键合技术比较如表1。

表1 几种键合技术的比较

阳极键合技术又称静电键合，可以将硅与玻璃，硅与金属等半导体在不用粘接剂的情况下键合在一起。将键合的硅片接正极，另外接负极，极间施加200～1 000 V的电压，键合温度为180～500℃，两极间在静电作用下键合。其键合后的剪切力强度可达到或超过玻璃或硅自身的强度。优点是键合温度低，键合界面长期稳定性好。

硅与硅虽然可以直接键合，但是直接键合的温度高且过程难以控制，条件要求比较苛刻。在遇到硅材料需要直接键合时，可以考虑选用静电键合工艺来实现，但需在其中一个硅片表面上沉积一定厚度玻璃膜作为中间层，施加10 A/m2且温度设置在400～550℃就可实现静电键合，其键合后的界面稳定性好。还可以选用在真空环境下采用Ar＋束轰击硅片表面，在25℃左右环境下便能完成键合。

玻璃键合是用专用的丝网印刷、喷镀等一系列技术手段将高纯度、低钠的超精细玻璃粉悬浮在酒精溶液中并置于一对被键合的界面而实现焊接，焊接表面气密好，机械强度高。

2 器件级封装

将易损坏或电路易受干扰的器件用管壳类等保护起来，通过引脚或其他I/0口为有源传感器或执行器部分提供接口，实现与外部的电气互联。主要有金属封装，陶瓷金属化封装及塑料封装3种情况。

2.1 金属封装

金属封装具有良好的热散性，并能提供金属屏障，屏蔽周边电磁干扰。通过在陶瓷基板上共晶焊接芯片或其他控制电路，然后将基板与金属底座粘接或共晶焊接，引线到对应I/0口，最后利用平行缝焊等封帽工艺焊接好管帽。

金属外壳的封帽极其重要，对封装后的器件的气密性、水气含量、可靠性等都有严格的要求。对使用的封接材料（如焊环）的熔点必须低于器件内部任何一种焊接材料的焊接温度，且封冒前进行真空烘烤，封冒时执行一个严格的阶梯温度。常见的几种金属封装外形如图1所示。

图1 几种金属封装外形

2.2 陶瓷封装

陶瓷封装有质量轻、成本低、气密性较好、可大量生产等特点，但陶瓷封装的器件也可能会遇到问题，如陶瓷烧结后“收缩”失效，这对要求气密性封装的器件是不可接受的；陶瓷和金属材料的焊接强度比陶瓷和陶瓷的要弱。

2.3 塑料封装

塑料封装形式具有成本低、可靠性较高等优点，但是对于有气密性要求的器件就不是很合适。在高温或者高湿环境下，塑料封装也有可能出现分层和开裂的情况[4]，塑料封装按照模的形式一般分为前铸模和后铸模两种方式（如图2、图3所示），两者的主要区别是后铸模有个空腔，并在键合后通过粘接盖板来保护器件的内部结构。

图2 塑料前铸模封装

图3 塑料后铸模封装

前铸模有注射以及转移两种铸模方式。对于有气密性要求且内凹腔体的MEMS器件，封装时一般选用注射铸模，而其他的一般选用转移铸模。

以上3种均是采用标准成型封装。封装工艺主流流程是：第一，将芯片焊接在基板上，第二用金丝、铝丝或铜线实现芯片和封装引线之间的电气连接，第三喷涂化合物材料保护或封冒。

3 多芯片封装（Multi Chip Module）

MCM是一种由两个或两个以上裸芯片或者芯片尺寸封装(CSP)的IC组装在一个基板上的模块，模块组成一个电子系统或子系统。它提供了一种新的MEMS器件集成封装的方法，支持在不改变MEMS和电路的生产工艺的情况下，在同一基板上集成不同功能的芯片。根据基板和芯片间互连方法的不同，MCM有多种不同的形式。如传统的通过金/铝丝引线键合、凸点倒装焊。MCM具有明显的封装密度，从而降低信号的延迟性，提高其系统整体性能。

4 模块式技术(MOMEMS)[1,5,6]

MOMEMS源于CSP和MCM，微系统尺寸紧凑，封装形式由原来的二维向三维封装扩展。微系统集合有多种物理参数所需要的I/0口，其集成了不同功能的同时还实现尽可能高的封装密度，和传统的微系统主要区别在于执行标准的批量生产，缩短产品投入销售市场的时间。

5 MEMS封装中存在的问题[1,2,5]

由于MEMS产品的成本主要在封装上，器件在设计初期就需要尽可能多的考虑到各种测试手段，降低成本，缩短开发时间。下面阐述MEMS封装中可能遇到的失效问题及其简单可行的解决方法：

5.1 粘附失效

在悬臂梁和基底之间会因毛细作用、静电吸附和直接化学键合等因素出现粘附失效。一般可采取腐蚀牺牲层，降低失效几率。

5.2 应力失效

不同材料拥有不同的的热膨胀系数，在工艺过程中不同材料对于热的反应不一致，进而产生热失配。选用具有相同近似热膨胀系数的材料能有效降低残余应力。

机械应力：在划片过程中，容易产生切削的机械应力，选择合适的切削速度、进给深度、刀具型号及冷却液的流速等。

5.3 气密性失效

每一种材料会由于自身因素吸附一定的水气或有机气体，可以考虑在封装前进行真空除湿和除气，在封装时选用对应的吸附剂将气体吸附去除。

5.4 测试

在测试过程中，分析每次出现的失效原因，并加强对应工序的检测手段。

6 未来发展趋势

MEMS技术于20世纪90年代进入商业化时代，到目前已经历了二十余年。MEMS器件的封装技术，经历了从保证单个器件性能的管壳封装到原片级封装，再到系统级封装，多芯片模块化封装的发展历程。总体上，MEMS封装未来发展趋势为：借鉴微电子技术封装方法和经验，采取简洁的标准化工艺，选用成熟设备，提高效率，批量生产并有效降低成本。利用原片级封装技术，实现芯片的结构保护，利用系统级封装方法，实现MEMS芯片与ASIC、MEMS芯片与其他功能的MEMS芯片系统集成，向多功能、小型化方向发展。

[1] Reichl H，Grosser V.Overview and development trends in the field of MEMS packaging[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2001-06-25.

[2] Ramesham R，Ghaffarian R.Challenges in interconnection and packaging of microelectromechanical systems(MEMS)[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2000-05-24.

[3] Boustedt K，Persson K，Stranneby D.Flip chip as an enabler for MEMS packaging)[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2002-03-31.

[4] HsiehCT，Jyh MingTing，YangC，etal.Theintroduction of MEMS packaging technology)[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org，2002-12-06.

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[10]Butler J T，Bright V M，Comois J H.Advanced multichip module packaging of microelectromechanical syste r m s[J].Sensors and Actuators A ，1998，70:15-22.