Chapter 9 Advanced Packaging Technologies (3)
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
MEMS封装的特殊性 MEMS封装介绍
MEMS封装挑战
芯片厚度一致性差 划片/裂片难度大 封装应力
压敏器件
密封
压力传感器、光学器件 惯性传感器（真空）
…
MEMS封装
12
MEMS devices can be very fragile
pre-package handling concerns more protection by package
汽车工业 每部汽车内可安装30余个传感器：
气囊，压ห้องสมุดไป่ตู้、温度、湿度、气体等 微喷嘴 智能汽车控制系统 工业控制 化工厂 自动化控制中的探测器等
MEMS的应用
7
环境保护 无人值守大气环境监测网 高速公路环境监测网
消费类、玩具 消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机 虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具
OPTIC-MEMS
MEMS IC
Silicon or Metal Cap
Solder, weld, or polymer
Weld or seal
HERMETIC
WINDOW
Ceramic
HEAT SINK
Getter
250,000 mirrors
MEMS Digital Mirrors one section
Encapsulant MEMS FLIP CHIP
(HERMETIC)
Accelerometer (CAP)
DPL Modules, TI (HERMETIC)
Ink Jet MEMS in TAB Package (SELECTIVE)
(HERMETIC)
MicroRelay - Cronos (HERMETIC)
(HERMETIC)
Molded or Liquid Encapsulant
M军E事M领S域在是军M事EM领S域技术的的应最用早应用点，对推动MEMS
技术的进步起到了很大作用 引信 安全、炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、 侵彻点控制 单兵携带 雷达 战场毒气检测和救护 侦察：小飞机 后勤保障
用于武器制导和个人导航的惯性导航组合 用于超小型、超低功率无线通讯（RF 微米/纳米和 微系统）的机电信号处理 用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分 布式传感器 用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系 统 武器安全、保险和引信 用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器 用于高密度、低功耗的大量数据存储器件 用于敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学 机械器件 用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主 动的、共型表面。
Micro system
1
什么是微型机电系统
The Nobel Prize in Physics 1965
例如：
1、汽车安全气囊 2、煤气报警器 3、声光控开关
MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传感或致 动元件和一个信号传输单元。下图说明了在传感器 中两类元件的功能关系。
为什么要学习MEMS？——主要特点
11
LIGA技术
LIGA是德文Lithographie， Galanoformung和Abformung，即光刻、 电铸和注塑的缩写。
LIGA工艺是一种基于X射线光刻技 术的MEMS加工技术，主要包括X光 深度 同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三 个工艺步骤。由于X射线有非常高的平 行度、极强的辐射强度、连续的光谱， 使LIGA技术能够制造出高宽比达到 500 、厚度大于1500 μm、结构侧壁光滑且 平行度偏差在亚微米范围内的三维立体 结构。这是其它微制造技术所无法实现 的。LIGA技术被视为微纳米制造技术中 最有生命力、最有前 途的加工技术。 利用LIGA技术，不仅可制造微纳尺度结 构，而且还能加工尺度为毫米级的Meso 结构。
Underfill
Light Pipe
4
(4)数字微镜器件 与传统的CRT和LCD投影显示技术相比： 足够的亮 度，均匀性和稳定性 反射显示：德州仪器设计的数字驱动微简易阵列 芯片（DMD，Digital Micromirror Device)，实 际上是反射式微光开关阵列。 每一个微镜对应图象的一个像素，一个微镜的尺 寸仅为16μm×16μm。 DMD可以承受1500g的机械冲击、20g的机械振动， 设备的使用寿命超过了100,000小时。 一块完整的DMD半导体芯片：镜面是由一百三十万 个微反射镜组成的长方形阵列，每个微镜对应于 投影画面中的一个光学像素。
生物、医疗
生物芯片 Lab on Chip 血压计 新型喷雾器 可在血管内操作和检测的微型仪器
8
BIO MEMS
典型MEMS系统——微型机器人
典型MEMS系统——微汽车
车长4.8mm 车速10mm/s
9
典型MEMS系统——微型卫星
典型MEMS系统——微型飞行器
美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄 清华一号
1. The basic concept of MEMS
Definition of MEMS(微机电系统)
What is MEMS?
Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) is the integration of mechanical elements, sensors, actuators, and electronics on a common silicon substrate through microfabrication technology.
3. MEMS的应用领域
3
MEMS技术的发展与应用
MEMS应用
军事领域 信息领域 航空、航天 生物、医疗 汽车 工业控制 环境保护 消费类、玩具
几个商业化了的MEMS产品
(1) 压力传感器 最成熟、最早开始产业化 压阻式和电容式 压阻式微压力传感器的精度：0.05％～ 0.01％，年稳定性达0.1％/F.S，温度误差 为2ppm，耐压可达几百兆帕，过压保护范 围可达传感器量程的20倍以上。
(2) 微加速度计 微加速度计是微型惯性测量组合的关 键基础元件 汽车安全气囊系统：体积小、成本低、 集成化等特点
美国AD公司的ADXL 美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G 电容式微加速度计 美国EG&G IC
(3)微喷 基于MOEMS技术的微喷已成为MOEMS领域的 一种典型器件，它的应用涉及科学仪器、 工业控制以及生物医疗等多个领域，目前 主要的应用方向有喷墨打印、芯片冷却、 气流控制以及微推进系统，应用于药物雾 化供给的微喷研究也正在兴起。 喷墨打印机的喷墨打印头，年产值数亿美 元
器件微型化、集成化、尺寸达到微米数量 级 功能多样化、智能化 功能特殊性 能耗低、灵敏度高、工作效率高
MEMS与传统机械有什么区别？
微尺寸效应 表面与界面效应 量子尺寸效应 加工方式
2. MEMS的发展概况
MEMS的国内外概况
MEMS发展历史回顾
1947年：发明晶体管--技术基础 压力传感器：
54年：Si、Ge压阻效应 66年：机械研磨做硅腔 70年：各向同性腐蚀硅腔 76年：KOH 腐蚀，MEMS加工手段 80年代：集成式压力传感器 目前：新机理压力传感器
MEMS工艺的发展趋势
微机电系统的发展对微机械加工技术的要求： 有较强的加工能力，可以制作灵活多样的高深宽 比的微结构，能实现三维或准三维的设计加工； 工艺简洁、设备成熟、可以高效率和低成本的批 量生产； 与集成电路工艺的兼容性好； 便于器件的封装，最好能实现片上封装 以硅为主，但能便于同时采用多种具有其他特性 的结构材料
Most require hermetic package ($$$)
MOEMS (later) requires a window & controlled atmosphere. Biggest challenge: cost-effective, high volume packaging
NNooSStatannddaarrddss
电池外，全由硅片构成，直径仅15cm
4. Packaging technologies for MEMS
MEMS工艺的基本概念
MEMS的典型生产流程
膜越厚，腐蚀 次数越少。
多次循环
成膜
DEPOSIT ION OF
MATERIAL
光刻
PATTERN TRANSFER
腐蚀
REMOVAL OF
MATERIAL
特点的不同导致对工艺的要求不同
MEMS工艺的国内外情况
硅工艺
体硅工艺 表面工艺 两者结合
非硅工艺
LIGA工艺 DEM工艺 其他工艺：超精密加工、非切削加工、特种加工技术
MEMS IC
MEMS 器件的加工
层 片
体工
层
除去 层
腐蚀 (Si)
MEMS 器件的加工
膜
片 释放结构
面 机械 工
用光刻
层膜
层 机结构械 膜
去除下层材 料， 释放机械结构
PROBE TESTING
SECTIONING
INDIVIDUAL ASSEMBLY PACKAGE
DIE
INTO PACKAGE SEAL
FINAL TEST
采用特殊的检测和划 片工艺保护释放出来的机 械结构
封装时暴露部分零件
机、电系统 全面测试
MEMS与IC工艺的相同
Chapter 9
9.3 Packaging Technology for MEMS
Contents
1. The basic concept of MEMS 2. Status and development trends in MEMS 3. Applications of MEMS 4. Packaging technologies for MEMS
2
82年：美国U.C. Bekeley，表面牺牲层技术
微型静电马达成功 MEMS进入新纪元
九十年代初ADI的气囊加速度计实现产业化
90年代中：ICP的出现促进体硅工艺的快速发 展
九十年代末Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高 水平
国内MEMS的发展
20世纪90年代初清华大学等高校开始研究。 目前有100个左右的研究小组从事本领域研究， 研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅 微加工技术、微系统等领域。 主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电 子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海 冶金所等。
MEMS工艺的发展趋势
继续保持与硅集成电路的紧密联系充分利用 硅材料、广泛利用为集成电路开发的现有设 备和技术、并且相着不断把信号检测和控制 电路与微结构单片集成的方向发展； 体硅技术、表面加工技术与LIGA加工技术三 种技术在其发展过程中更加紧密的融合在一 起，相互之间的界限更加模糊。
MEMS封装简介
及组封装等
10
MEMS工艺
硅工艺
体硅工艺 表面工艺 两者结合
非硅工艺
LIGA工艺 DEM工艺 其他工艺：超精密加工、 非切削加工、特种加工 技术
与
的 比 较
MEMS与集成电路工艺的不同
集成电路与MEMS器件特点比较： 集成电路：薄膜工艺； 制作各种晶体管、电阻电容等 重视电参数的准确性和一致性 MEMS：工艺多样化 制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、针尖、 弹簧及所构成的复杂机械结构 更重视材料的机械特性，特别是应力特性
惯性 MEMS
5
航空、航天
航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、 减少躁声 航天：天际信息网、微重力测量
FLUDIC MEMS
6
信息领域
全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、 光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、 光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光分 插复用器OADM和波分复用器 无线电话； MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS 滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS移相器、微波收发 机MEMS集成化射频前端 计算机；摄像头、鼠标 投影仪、喷墨打印机 数据存储
MEMS是在微电子技术的基础上发展起 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。这表明微 电子技术是MEMS技术的重要基础，微电子加 工手段是MEMS的重要加工手段之一，微电子 中的主要加工手段均在MEMS制备中发挥极大 作用。包括：Si材料制备、光刻、氧化、刻 蚀、扩散、注入、金属化、PECVD、LPCVD
微机电系统（MEMS）是指用微机械加工技术制作的包括微传感器、微致动器、 微能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装 置。
各个国家不同的定义 美国：微型机电系统
MEMS: Micro electro mechanical system
日本：微机械
Micro machine
欧洲：微系统
MEMS封装挑战
芯片厚度一致性差 划片/裂片难度大 封装应力
压敏器件
密封
压力传感器、光学器件 惯性传感器（真空）
…
MEMS封装
12
MEMS devices can be very fragile
pre-package handling concerns more protection by package
汽车工业 每部汽车内可安装30余个传感器：
气囊，压ห้องสมุดไป่ตู้、温度、湿度、气体等 微喷嘴 智能汽车控制系统 工业控制 化工厂 自动化控制中的探测器等
MEMS的应用
7
环境保护 无人值守大气环境监测网 高速公路环境监测网
消费类、玩具 消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机 虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具
OPTIC-MEMS
MEMS IC
Silicon or Metal Cap
Solder, weld, or polymer
Weld or seal
HERMETIC
WINDOW
Ceramic
HEAT SINK
Getter
250,000 mirrors
MEMS Digital Mirrors one section
Encapsulant MEMS FLIP CHIP
(HERMETIC)
Accelerometer (CAP)
DPL Modules, TI (HERMETIC)
Ink Jet MEMS in TAB Package (SELECTIVE)
(HERMETIC)
MicroRelay - Cronos (HERMETIC)
(HERMETIC)
Molded or Liquid Encapsulant
M军E事M领S域在是军M事EM领S域技术的的应最用早应用点，对推动MEMS
技术的进步起到了很大作用 引信 安全、炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、 侵彻点控制 单兵携带 雷达 战场毒气检测和救护 侦察：小飞机 后勤保障
用于武器制导和个人导航的惯性导航组合 用于超小型、超低功率无线通讯（RF 微米/纳米和 微系统）的机电信号处理 用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分 布式传感器 用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系 统 武器安全、保险和引信 用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器 用于高密度、低功耗的大量数据存储器件 用于敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学 机械器件 用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主 动的、共型表面。
Micro system
1
什么是微型机电系统
The Nobel Prize in Physics 1965
例如：
1、汽车安全气囊 2、煤气报警器 3、声光控开关
MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传感或致 动元件和一个信号传输单元。下图说明了在传感器 中两类元件的功能关系。
为什么要学习MEMS？——主要特点
11
LIGA技术
LIGA是德文Lithographie， Galanoformung和Abformung，即光刻、 电铸和注塑的缩写。
LIGA工艺是一种基于X射线光刻技 术的MEMS加工技术，主要包括X光 深度 同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三 个工艺步骤。由于X射线有非常高的平 行度、极强的辐射强度、连续的光谱， 使LIGA技术能够制造出高宽比达到 500 、厚度大于1500 μm、结构侧壁光滑且 平行度偏差在亚微米范围内的三维立体 结构。这是其它微制造技术所无法实现 的。LIGA技术被视为微纳米制造技术中 最有生命力、最有前 途的加工技术。 利用LIGA技术，不仅可制造微纳尺度结 构，而且还能加工尺度为毫米级的Meso 结构。
Underfill
Light Pipe
4
(4)数字微镜器件 与传统的CRT和LCD投影显示技术相比： 足够的亮 度，均匀性和稳定性 反射显示：德州仪器设计的数字驱动微简易阵列 芯片（DMD，Digital Micromirror Device)，实 际上是反射式微光开关阵列。 每一个微镜对应图象的一个像素，一个微镜的尺 寸仅为16μm×16μm。 DMD可以承受1500g的机械冲击、20g的机械振动， 设备的使用寿命超过了100,000小时。 一块完整的DMD半导体芯片：镜面是由一百三十万 个微反射镜组成的长方形阵列，每个微镜对应于 投影画面中的一个光学像素。
生物、医疗
生物芯片 Lab on Chip 血压计 新型喷雾器 可在血管内操作和检测的微型仪器
8
BIO MEMS
典型MEMS系统——微型机器人
典型MEMS系统——微汽车
车长4.8mm 车速10mm/s
9
典型MEMS系统——微型卫星
典型MEMS系统——微型飞行器
美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄 清华一号
1. The basic concept of MEMS
Definition of MEMS(微机电系统)
What is MEMS?
Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) is the integration of mechanical elements, sensors, actuators, and electronics on a common silicon substrate through microfabrication technology.
3. MEMS的应用领域
3
MEMS技术的发展与应用
MEMS应用
军事领域 信息领域 航空、航天 生物、医疗 汽车 工业控制 环境保护 消费类、玩具
几个商业化了的MEMS产品
(1) 压力传感器 最成熟、最早开始产业化 压阻式和电容式 压阻式微压力传感器的精度：0.05％～ 0.01％，年稳定性达0.1％/F.S，温度误差 为2ppm，耐压可达几百兆帕，过压保护范 围可达传感器量程的20倍以上。
(2) 微加速度计 微加速度计是微型惯性测量组合的关 键基础元件 汽车安全气囊系统：体积小、成本低、 集成化等特点
美国AD公司的ADXL 美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G 电容式微加速度计 美国EG&G IC
(3)微喷 基于MOEMS技术的微喷已成为MOEMS领域的 一种典型器件，它的应用涉及科学仪器、 工业控制以及生物医疗等多个领域，目前 主要的应用方向有喷墨打印、芯片冷却、 气流控制以及微推进系统，应用于药物雾 化供给的微喷研究也正在兴起。 喷墨打印机的喷墨打印头，年产值数亿美 元
器件微型化、集成化、尺寸达到微米数量 级 功能多样化、智能化 功能特殊性 能耗低、灵敏度高、工作效率高
MEMS与传统机械有什么区别？
微尺寸效应 表面与界面效应 量子尺寸效应 加工方式
2. MEMS的发展概况
MEMS的国内外概况
MEMS发展历史回顾
1947年：发明晶体管--技术基础 压力传感器：
54年：Si、Ge压阻效应 66年：机械研磨做硅腔 70年：各向同性腐蚀硅腔 76年：KOH 腐蚀，MEMS加工手段 80年代：集成式压力传感器 目前：新机理压力传感器
MEMS工艺的发展趋势
微机电系统的发展对微机械加工技术的要求： 有较强的加工能力，可以制作灵活多样的高深宽 比的微结构，能实现三维或准三维的设计加工； 工艺简洁、设备成熟、可以高效率和低成本的批 量生产； 与集成电路工艺的兼容性好； 便于器件的封装，最好能实现片上封装 以硅为主，但能便于同时采用多种具有其他特性 的结构材料
Most require hermetic package ($$$)
MOEMS (later) requires a window & controlled atmosphere. Biggest challenge: cost-effective, high volume packaging
NNooSStatannddaarrddss
电池外，全由硅片构成，直径仅15cm
4. Packaging technologies for MEMS
MEMS工艺的基本概念
MEMS的典型生产流程
膜越厚，腐蚀 次数越少。
多次循环
成膜
DEPOSIT ION OF
MATERIAL
光刻
PATTERN TRANSFER
腐蚀
REMOVAL OF
MATERIAL
特点的不同导致对工艺的要求不同
MEMS工艺的国内外情况
硅工艺
体硅工艺 表面工艺 两者结合
非硅工艺
LIGA工艺 DEM工艺 其他工艺：超精密加工、非切削加工、特种加工技术
MEMS IC
MEMS 器件的加工
层 片
体工
层
除去 层
腐蚀 (Si)
MEMS 器件的加工
膜
片 释放结构
面 机械 工
用光刻
层膜
层 机结构械 膜
去除下层材 料， 释放机械结构
PROBE TESTING
SECTIONING
INDIVIDUAL ASSEMBLY PACKAGE
DIE
INTO PACKAGE SEAL
FINAL TEST
采用特殊的检测和划 片工艺保护释放出来的机 械结构
封装时暴露部分零件
机、电系统 全面测试
MEMS与IC工艺的相同
Chapter 9
9.3 Packaging Technology for MEMS
Contents
1. The basic concept of MEMS 2. Status and development trends in MEMS 3. Applications of MEMS 4. Packaging technologies for MEMS
2
82年：美国U.C. Bekeley，表面牺牲层技术
微型静电马达成功 MEMS进入新纪元
九十年代初ADI的气囊加速度计实现产业化
90年代中：ICP的出现促进体硅工艺的快速发 展
九十年代末Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高 水平
国内MEMS的发展
20世纪90年代初清华大学等高校开始研究。 目前有100个左右的研究小组从事本领域研究， 研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅 微加工技术、微系统等领域。 主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电 子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海 冶金所等。
MEMS工艺的发展趋势
继续保持与硅集成电路的紧密联系充分利用 硅材料、广泛利用为集成电路开发的现有设 备和技术、并且相着不断把信号检测和控制 电路与微结构单片集成的方向发展； 体硅技术、表面加工技术与LIGA加工技术三 种技术在其发展过程中更加紧密的融合在一 起，相互之间的界限更加模糊。
MEMS封装简介
及组封装等
10
MEMS工艺
硅工艺
体硅工艺 表面工艺 两者结合
非硅工艺
LIGA工艺 DEM工艺 其他工艺：超精密加工、 非切削加工、特种加工 技术
与
的 比 较
MEMS与集成电路工艺的不同
集成电路与MEMS器件特点比较： 集成电路：薄膜工艺； 制作各种晶体管、电阻电容等 重视电参数的准确性和一致性 MEMS：工艺多样化 制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、针尖、 弹簧及所构成的复杂机械结构 更重视材料的机械特性，特别是应力特性
惯性 MEMS
5
航空、航天
航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、 减少躁声 航天：天际信息网、微重力测量
FLUDIC MEMS
6
信息领域
全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、 光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、 光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光分 插复用器OADM和波分复用器 无线电话； MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS 滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS移相器、微波收发 机MEMS集成化射频前端 计算机；摄像头、鼠标 投影仪、喷墨打印机 数据存储
MEMS是在微电子技术的基础上发展起 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。这表明微 电子技术是MEMS技术的重要基础，微电子加 工手段是MEMS的重要加工手段之一，微电子 中的主要加工手段均在MEMS制备中发挥极大 作用。包括：Si材料制备、光刻、氧化、刻 蚀、扩散、注入、金属化、PECVD、LPCVD
微机电系统（MEMS）是指用微机械加工技术制作的包括微传感器、微致动器、 微能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装 置。
各个国家不同的定义 美国：微型机电系统
MEMS: Micro electro mechanical system
日本：微机械
Micro machine
欧洲：微系统