第9章(83)教材配套课件

力、化学等一种或多种信息的输入、输出。输入、输出信
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更高。
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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它形状的空间，经过
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9.1 MEMS封装的基本类型
MEMS封装的分类方式有两种：一种是按封装材料分 类，可分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装三类；另一种 是按密封特性分类，可分为气密封装和非气密封装。
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9.2 MEMS封装的特点
1. MEMS封装区别于微电子封装的不同点 1) 封装层次 微电子封装通常分四个层次，即芯片级封装、单芯片 封装和多芯片组件的封装、单层或多层PCB基板封装、多 层母板封装。MEMS 封装则通常分为裸片级封装(Die Level)、器件级封装(Device Level)、硅圆片级封装(Wafer Lever Packaging)、单芯片封装(Single Chip Packaging)和系 统级封装(System on Packaging)。
固定的薄固体结构
需要将微结构和微电子进行集成
不需要这种集成
在生物学、化学、光学以及电动机械方面可以实 现不同的功能
为特定的电子功能实现电能传输
很多组件需要接触工作介质并处于恶劣环境之下
集成电路模板通过包装与工作介质相隔离
涉及各种不同的材料，如单晶硅、硅化合物、GaAs、 只涉及少量几种材料，如单晶硅、硅化合物、
CSP的封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸稍大于裸芯
片，一般定义为封装的尺寸小于芯片尺寸1.2倍的封装形式。
CSP与BGA结构基本一样，仅仅是焊球直径和球中心距变
得更小、更薄，这样在相同封装尺寸下，有更多的I/O数、
更低的寄生电容(在高频中非常重要)，使得组装密度进一
步提高，可以说，CSP是缩小了的BGA。
导性能影响极大。焊接孔洞的形式有多种多样，大小不一，
分布位置也不相同，如图9-4所示。
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图9-4 贴片孔洞
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3. 键合
MEMS键合工艺分为引线键合、载带自动键合和倒装
芯片键合。
1) 引线键合
引线键合(Wire Bonding，WB)技术是用金属丝将集成
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9.1 MEMS封装的基本类型 9.2 MEMS封装的特点 9.3 MEMS封装的功能 9.4 MEMS封装的形式 9.5 MEMS封装的方法 9.6 MEMS封装的工艺 9.7 MEMS封装的层次 9.8 MEMS封装的气密性和真空度 9.9 MEMS封装的阻尼特性 9.10 MEMS封装面临的挑战
用热固化，图9-2、9-3所示为胶固化前和固化后的器件结
构示意图。
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图9-2 固化前
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图9-3 固化后
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在封装工艺散热中，除了热沉和散热器外，贴片质量
的好坏也影响MEMS器件的散热性能。在焊料贴片工艺中，
常出现的问题是焊接层易出现孔洞。孔洞的存在对热的传
在MEMS封装工艺中，常用的贴片工艺有以下几种
方法。
(1) 导电胶粘接。
(2) Au-Si合金共熔法。
(3) Pb-Sn合金贴片。
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2. 常用的贴片工艺的工程选择
胶粘贴片的工艺过程分为施胶、贴片和固化三个步
骤。贴片过程中为了保证合适的粘接强度，对点胶压力
和胶点形状、直径、厚度等都有严格的要求。胶通常采
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2. 环境隔离
环境隔离有两种功能：一种是仅仅用作机械隔离，即
封装外壳仅仅起到保护MEMS器件，避免机械损坏的作用；
另一种是气密和非气密保护。
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3. 接口
由于封装外壳是MEMS器件及系统与外界的主要接口，
因此外壳必须能完成电源、电信号或射频信号与外界的电
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4. HDI和MCM封装
在MCM封装中，最常用的两种方法是高密度互连
(High Density Interconnect，HDI)和微芯片模块D型(Micro
Chip Module D，MCM-D)封装技术。
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9.5 MEMS封装的方法
由于MEMS的应用领域不同，其对封装要求的侧重点 也有所不同，所以采用的封装方法也有所差别，如消费类 产品追求低成本价格，医用类产品追求微型化，通信类产 品追求小体积和低成本价格，而军用的高档产品则主要考 虑高性能、高可靠。
灌封好MEMS，需要提供有效的保护空腔。
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4) 保护性
在晶片上制成的MEMS，在完成封装之前，始终对环
境的影响极其敏感。MEMS封装的各操作工序(如划片、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，加装网格框架，防止可动部位被机械损伤。
系统的电路部分也必须与环境隔离保护，以免影响电路性
8. 高隔离度
MEMS的目标是把集成电路、微细加工元件和MEMS
器件集成在一起形成微系统，完成信息的获取、传输、处
理和执行等功能。MEMS常需要有高的隔离度，对MEMS
射频开关等微波元件更为重要。
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9. 特殊封装环境
某些MEMS器件的工作环境是液体、气体或透光的环
境，MEMS封装必须构成稳定的环境，并能使液体、气体
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3) 封装环境
MEMS封装除具有微电子封装的一些共同模式外，本
身还具有独特性。MEMS器件对封装的环境更为敏感，有
的要求长期保持气密性，有的要求光的输入均匀，有的要
求封装基板平整度很高，有的要求封装本征频率越高越好，
有的要求流体进出连续等，一旦这些关键指标达不到，
MEMS器件就会失效。
空腔、梁、沟、槽、膜片等，甚至是流体部件。封装架构
取决于MEMS器件及功能，对各种不同结构及功能的
MEMS器件，其封装设计要因地制宜，与制造技术同步协
调，具有很强的专用性。
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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，传递光、磁、热、
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。降低封装成本是一个必
须解决的问题。
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9.3 MEMS封装的功能
1. 机械支撑 MEMS器件是一种易损器件，因此需要机械支撑来保 护器件在运输、存储和工作时，避免热和机械冲击、振动、 高的加速度、灰尘和其它物理损坏。另外，对于加速度传 感器等某些特殊功能的器件，需要有定位用的机械支撑点。
石英、聚合物以及金属等
塑料和陶瓷
很多元件需要组装
少量元件需要组装
基底上的图形相对简单
基底上的图形相对复杂且元件密度大
少量的馈电导体和导线
大量的馈电导体和导线
缺少工程设计的方法和标准
完备的设计方法和标准
封装技术处于起步阶段
成熟的封装技术
主要采用人工进行组装
具有自动化的组装技术
缺乏可靠性和性能测试的标准和技术
已有成文的标准和处理过程
多样的制造技术
经过实践检验的成文的加工制作技术
在设计、制造、封装和测试方面没有可参考的工 业标准
完善的方法和处理过程
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3. MEMS封装的特性
由于MEMS技术是一门多学科交叉渗透、综合性强的
技术，因此MEMS封装具有如下自身特性。
1) 专用性
MEMS中通常都有一些可动部分或悬空结构，如硅等
电路芯片上的电极引线与集成电路底座外引线连接在一起
的过程。通常，引线键合采用热压、热超声和超声方法进
行。
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键合工艺 热压 超声波 热超声
键合压力 高 低 低
表 9-2 MEMS 引线键合工艺
键合温度/℃ 超声波能量 适用引线材料来自300～500无
Au
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连接，同时大部分的MEMS芯片还要求提供与外界媒质的
接口。
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4. 热传输通道
对带有功率放大器、大信号电路和高集成度封装的
MEMS器件，在封装设计时，热的释放是必须考虑的问题。
封装外壳必须提供热量传递的通道。
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5. 低应力
在MEMS器件中，用三维加工技术制造微米或纳米尺
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7. 高气密性
一些MEMS器件，如陀螺仪等，必须在稳定的气密性
条件下方能可靠、长期地工作。严格地说，任何封装都不
可能实现完全气密，所以只有用高气密性的封装来解决稳
定的气密性问题。某些MEMS器件封装的气密性要求达到
1×10-12Pam3/s。
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能，同时要避免封装及其材料对环境造成不良影响。
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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。尤其在恶劣条件下工作的MEMS器件，利用封装技术，
避免受到有害环境侵蚀。在满足气密封装功能的前提下，
散发多余热量，从而保证可靠性。
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动部件、机械元件又要求真空封装，使本来经微型化后只
有微米级的部件，经各种封装后可能达到毫米量级，甚至
厘米量级。从另一方面来说，很多光开关等MEMS器件由
于功能需要，必须是三维结构的，所以MEMS封装也必然
是三维封装的。
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6) 封装成本
鉴于MEMS封装自身的特殊性和复杂性，其封装成本
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图9-1 MEMS压力传感器的BGA封装
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2. FCT封装
FCT是一种芯片级互连技术。由于FCT具有高性能、
高I/O 数和低成本的特点，特别是其作为“裸芯片”的优
势，已经开始应用于各种MEMS封装中。
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3. CSP封装
度的零件或部件，如悬臂梁、微镜、深槽、扇片等，精度
高，但十分脆弱，因此MEMS封装应保证对器件尽可能小
的应力。
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6. 高真空度
高真空度是MEMS器件的要求，以使可动部件具有
活动性，且运动自如。因为在“真空”中，可减小甚至
消除摩擦，既能减小能源消耗，又能达到长期、可靠地
工作的目标。
占MEMS总成本的80%，而微电子封装中的封装成本比重
相对要低一些。
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2. MEMS封装和IC封装的区别
表9-1所示为MEMS和IC封装的区别。
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表 9-1 MEMS 和 IC 的封装区别
MEMS(基于硅衬底)
IC
复杂的三维结构
主要为二维结构
很多系统含有可动的固体结构或液体
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9.6 MEMS封装的工艺
1. 清洗 尽管MEMS芯片互连有多种工艺形式，但目前引线键 合工艺仍然是MEMS芯片互连的主要技术。如何提高引线 键合强度，仍是需要进行研究的问题。清洗工艺对提高引 线键合强度至关重要。
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2. 贴片
1) 常用的贴片工艺的方法
稳定流动，使光纤输入具有低损耗、高精度对位的特性等。
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9.4 MEMS封装的形式
1. BGA封装 BGA封装的主要优点是它采用了面阵列端子封装、使 它与QFP四边扁平封装相比，在相同端子情况下，增加了 端子间距，改善了组装性能。图9-1所示是MEMS压力传感 器的倒装焊封装，与传统的封装技术相比，引线的长度较 短，强度较大，在恶劣的环境中，有效地提高了引线互连 的强度。
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2) 封装类型
微电子封装一直追随IC芯片的发展而发展，从而形成
了与各个不同时期相互对应的有代表性的标准封装类型。
MEMS因为应用领域十分宽广，涉及多学科技术领域，往
往是根据所需功能，制作出各种MEMS后再考虑封装问题
的，故MEMS封装难以形成规范、标准的封装类型。因此，
从某种意义上说，MEMS封装在很多情况下是专用封装。
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4) 封装体积
MEMS封装对体积的减小比微电子封装的要求更迫切，
对3D封装的要求更强烈。因为MEMS的各种元器件及部件，
特别是执行部件等，为了提高组装密度，不可能只在平面
内展开，而必然向3D方向延伸。
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5) 封装气密性
高可靠性的MEMS产品要求采用气密封装，而某些可