MEMS封裝技術介紹

1 3D封裝

由於工程中MEMS具有複雜的3D結構，且在現今高密度組裝、小型化、輕型化和薄型化的趨勢下，對於有限的面積，封裝工藝必然在2D基礎上向Z方向發展，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或埋置、製作在基板內部。 ·有源基板型。指用硅圓片IC做基板，先將圓片用一般半導體IC製作方法作一次元器件集成，做成有源基板，然後再實施多層布線，頂層仍安裝各種其他晶元和元器件，從而實現3D封裝。這種封裝方式用於較複雜及附加電路較多的MEMS感測器的3D封裝中。·疊層式。把兩個或多個裸片或封裝晶元在垂直於晶元的方向上互連成3D結構。推廣開來，可將已經過單面或雙面組裝的MCM疊裝在一起，然後進行上、下多層互連，或者將多個圓片疊在一起形成3D結構，然後再進行互連以完成3D封裝。

2倒裝焊技術

倒裝焊（FCB）是將晶元的正面朝下，並與封裝基板鍵合的一種封裝方式。焊接時在晶元有源面的鋁壓焊塊上做出凸起的焊點，然後將晶元倒扣，直接與基板連接。由於晶元與基板直接相連，倒裝焊實現了封裝的小型化、輕便化，縮小了封裝後器件的體積和重量。由於凸點可以布滿整個管芯，所以有效增加了I/O互連密度。因連線縮短，引線電感減小，串擾變弱，信號傳輸時間縮短，所以電性能大為改善。鑒於其本身的一系列優點，它已經成為MEMS封裝中頗有吸引力的一種選擇。 從幾何層面上看，倒裝晶元面向下組裝，為光信號提供了直線通路，故非常適合光MEMS器件的設計和封裝。同時由物理層面上看，倒裝晶元給 MEMS器件提供了熱力載體。此外，因為倒裝焊對晶元與基板具有很強的適應性，所以非常適用於 MEMS器件的熱設計中。

3多晶元組件技術

多晶元組件（MCM）是電子封裝技術的一大突破，屬於系統級封裝。MCM是指一個封裝體中包含兩個或兩個以上的晶元，它們通過基板互連起來，共同構成整個系統的封裝形式。MCM為組件中的各個晶元（構件）提供信號互連、I/O管理、熱控制、機械支撐和環境保護等。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晶元的能力，而不需要改變MEMS和電路的製造工藝，其性能可以優化而無需做出妥協。事實上，基於MCM技術的MEMS封裝不但完全能夠替代傳統的單晶元封裝結構，而且明顯提高了MEMS器件的性能和可靠性。

4 單晶元封裝技術

單晶元封裝（SCP）屬於器件級封裝的範疇。所謂單晶元封裝，指在一塊晶元上製作保護層，將易損壞的元器件和電路屏蔽起來，避免環境對其造成不利的影響，並製作有源感測器／制動器的通路，實現與外部的電接觸，以滿足器件對電、機械、熱和化學等方面的技術要求。

5 圓片級封裝技術

圓片級封裝的主要目的是保護晶元或其他核心元器件，避免塑性變形或破裂，保護系統信號轉換電路，對部分元器件提供必要的電和機械隔離等。許多MEMS器件需要進行晶片鍵合，製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，通常將矽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℃，玻璃鍵合強度可達到玻璃或者硅本身強度量級甚至更高。硅-硅互連可以利用陽極鍵合來實現，但需要中間夾層，在其中一個拋光矽片上沉積2～4μm 7740#玻璃膜，電流密度保持為10 A/m2，溫度穩定在450～550℃，即可實現良好的連接，鍵合強度同樣可以達到硅或者絕緣體自身的強度量級，而且氣密性能良好。

6 金屬基複合材料封裝

在電子封裝包括MEMS封裝領域，得到最廣泛應用的金屬基複合材料當屬Al/Si Cp。與其他的封裝材料相比，金屬基複合材料有下列優點： ·通過改變增強體的種類、排列方式或改變基體的合金成分，或改變熱處理工藝等，來實現材料的物理性能設計。改變或調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，二是對基體與增強體界面結合狀況的影響。 通過改變熱處理工藝，同樣通過改變基體與增強體的界面結合狀況，進而影響材料的熱性能。 ·該類材料熱膨脹係數較低，既能做到與電子元器件材料的熱膨脹係數相匹配，又具有高導熱性和低密度。 ·材料製備靈活，生產費用不高，價格正在不斷地降低

7 塑料封裝材料

MEMS對封裝材料的要求

不同的MEMS器件對封裝材料的要求也不同。概括地說，MEMS對封裝材料有如下要求： ·封裝材料的電導率要低，以降低電信號的傳送干擾； ·傳熱性要好，對某些應用需要散熱，而另一些應用（如熱感測器）則要求與外界溫度保持一致； ·密封性要好，對一些微機械結構來說，空氣中的某些氣體成分對其有腐蝕作用，且雜質也會影響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。 目前用於MEMS封裝的主要材料有陶瓷、塑料和金屬等。

在同樣的封裝效果下，塑料封裝的低成本優勢非常明顯。但是，塑料封裝不能實現氣密性封裝。塑料封裝採用的兩種封裝方法是預成型和後成型。預成型是指塑料殼體在MEMS晶元安裝到引線框架前製成；而在後成型塑料封裝中，塑料殼體在MEMS晶元安裝到引線框架後形成，這會造成MEMS晶元和鍵合引線遭受惡劣制模環境的影響。 塑料封裝中90%以上使用環氧樹脂或經過硫化處理的環氧樹脂。環氧樹脂除成本低的優勢外，還具有成型工藝簡單、適合於大規模生產、可靠性與金屬或陶瓷材料相當等優點。另外，經過硫化處理的環氧樹脂還具有較快的固化速度、較低的固化溫度和吸濕性、較高的抗濕性和耐熱性等特點。

8 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異的高頻特性，其線性膨脹係數與電子元器件的非常相近，化學性能穩定且熱導率高，被廣泛用於多晶元組件（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晶元安裝在陶瓷底板或管座上。採用倒裝焊方式與陶瓷金屬圖形層進行鍵合，可以實現良好的封裝。當晶元與陶瓷鍵合後再作最後一道工序，對封裝體進行封蓋密封，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。