微系统MEMS-复习资料(北理考试)

MEMS考试复习资料、总结
一、名词解释
微系统：“个”小功能却强大的微装置。

微机电系统（MEMS：Micro Electromechanical System）
①是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、
薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件，
②是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、
高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的独立智能微型系统。

③其内部结构一般在微米甚至纳米量级，
微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。

热管理：控制温度在合理范围的散热管理系统。

多芯片组件（MCM：Multi-Chip Module）
①是将多块半导体裸芯片组装在一块布线基板上的一种封装技术。

②其余混合集成电路产品并没有本质区别，只不过多芯片组件具有更高的性能、
更多的功能和更小的体积，可以说多芯片组件属于高级混合集成电路产品。

CSP(Chip Scale Package)封装：芯片级封装> BGA封装：球栅阵列封装与BGA封装相比，同等空间下CSP封装可以将存储容量提高。

SSI：小规模集成电路(Small Scale Integration )
通常指含逻辑门数小于10 门(或含元件数小于100个)。

根据集成电路规模的大小，通常将其分为SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。

分类的依据是一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数。

陀螺仪(gyroscope)：
①人们利用陀螺的力学性质、运动特性所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪
②陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一
个或二个轴的角运动检测装置。

利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

数据融合：数据融合是指利用计算机对按时序获得的若干观测信息，在一定准则下加以自动分析、综合，以完成所需的决策和评估任务而进行的信息处理。

物联网：“Internet of things（IoT）”
利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。

物联网是互联网的延伸，它包括互联网及互联网上所有的资源，兼容互联网所有的应用，但物联网中所有的元素（所有的设备、资源及通信等）都是个性化和私有化。

鲁棒性/抗变换性（robustness）
①是统计学中的一个专门术语，在控制论中用以表征控制系统对特性或参数扰
动的不敏感性。

②“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持其它某
些性能的特性。

根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。

异质结构集成：
半导体异质结构(多层异质结)的二极管特性：由两层以上不同的半导体材料薄膜依次沉积在同一基座上形成通过调节半导体各材料层的厚度和能带隙，可以改变二极管电流与电压的响应参数
微加工：以微小切除量获得很高精度的尺寸和形状的加工。

引线键合：（Wire Bonding）从核心元件中引入和导出电连接
是一种使用细金属线，利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。

在理想控制条件下，引线和基板间会发生电子共享或原子的相互扩散，从而使两种金属间实现原子量级上的键合。

工业引线键合定位平台技术：
热压引线键合，锲-锲超声引线键合，热声引线键合。

倒装芯片（Flip chip）是一种无引脚结构，一般含有电路单元。

①设计用于通过适当数量的位于其面上的锡球（导电性粘合剂所覆盖），在电气
上和机械上连接于电路。

②是在I/O pad上沉积锡铅球，然后将芯片翻转加热利用熔融的锡铅球与陶瓷机
板相结合此技术替换常规打线接合，是芯片封装及高密度安装的主流。

热声焊：热声焊技术可实现金丝的高质量焊接。

在超声波焊的基础上，采用对加热台和劈刀同时加热的方式，可增强塑性变形，增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子(原子)间作用力，实现金丝的高质量焊接。

热声焊是一种固态键合技术，不同于完全的熔焊。

它可完成电路片与芯片、腔体之间的电连接。

这3种方式各有特点，也有各自适用的产品。

但由于热声焊可降低焊接温度，提高焊接强度，有利于器件可靠性等优点，热声焊已取代了热压焊和超声波焊，成为丝焊的主流方式。

各向异性粘接：用各向异性材料和粘接的工艺。

柔性印刷电路（FPC：Flexible Printed Circuit）
是一种特殊的印制电路板。

它的特点是重量轻、厚度薄、柔软、可弯曲。

主要由：基板、铜箔、接着剂、保护膜和补强（加强其机械强度）五部分组成。

高深宽比：高堆叠式、深沟槽式高深宽比硅干法刻蚀技术高深宽比微细结构，会使加工产物难以排除。

盲孔：盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率（孔径）。

盲孔（Blind Via）：连接表层和内层而不贯通整版的导通孔。

埋孔：连接内层之间而在成品板表层不可见的导通孔。

等离子：温度不断升高，构成分子的原子发生分离，形成为独立的原子，进一步电离出电子，当电子和离子的浓度达到一定的数值时，物质的性质改变，形成为物质的第四态——等离子态。

各向异性腐蚀：各向异性腐蚀是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。

基于这种腐蚀特性,可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。

各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW(乙二胺、邻苯二酚
和水)和联胺等，另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如KOH、NaOH、NH4OH 等。

就湿法和干法比较而言，湿法的腐蚀速率快、各向异性差、成本低，腐蚀厚度可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏度。

但控制腐蚀厚度困难，且
难以与集成电路进行集成。

干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。

当气体以等离子体形式存在时，它具备两个特点：一方面等离子体中的这些气体化学活性比常态下时要强很多，根据被刻蚀材料的不同，选择合适的气体，就可以更快地与材料进行反应，实现刻蚀去除的目的；另一方面，还可以利用电场对等离子体进行引导和加速，使其具备一定能量，当其轰击被刻蚀物的表面时，会将被刻蚀物材料的原子击出，从而达到利用物理上的能量转移来实现刻蚀的目的。

因此，干法刻蚀是晶圆片表面物理和化学两种过程平衡的结果。

分子自由程：相邻两碰撞分子间距离。

分子平均自由程在一定的条件下，一个气体分子在连续两次碰撞之间可能通过的各段自由程的平均值，微粒的平均自由程是指微粒与其他微粒碰撞所通过的平均距离。

Si深槽刻蚀技术：Bosch、ICP
Bosch技术：刻蚀/钝化交替进行
ICP刻蚀工艺(Inductively Coupled Plasma)：
即感应耦合等离子体刻蚀是微细加工技术的重要组成部分。

其工作原理是利用高密度等离子体引起的化学反应和反应气体离子轰击产生的物理作用进行刻蚀。

和湿法刻蚀及传统的等离子刻蚀相比，具有很多优点：刻蚀速率高，各相异性高，选择比高，大面积均匀性好，可进行高质量的精细线条刻蚀，并获得较好的刻蚀面形貌。

随着器件尺寸的降低，对于刻蚀表面的粗糙度、形貌控制和刻蚀的精确度的要求越来越高. ICP等离子体密度和轰击能量单独可控大大提高了刻蚀表面的平滑度. 楔形光波导器件中, 刻蚀后粗糙的侧壁会引起损耗，现在的90nm电子束曝光技术和刻蚀技术可以使得侧壁的粗糙度（RMS）降低到纳米量级.
二、简答题
A.封装价格高因素？
①由于应用面极广且定制化程度较高导致难以采用标准工艺。

②MEMS市场呈现出诸侯割据、各霸一方的产业格局→标准工艺。

③使用范围和应用环境差异，封装没有统一形式，应根据具体使用情况选择适当
封装形式。

④MEMS产品的封装与传统IC封装不兼容
⑤目前MEMS只能进行部分工艺的代工；例如：光刻，介质薄膜制备，金属薄膜
制备，湿法/干法刻蚀，键合，封装检测等。

因此代工规模不大。

⑥封装尺寸小，如何将多传感器融入单一封装之中
方法：
①模块化设计
②使用标准化的外部接口，使用统一的、标准化的封装批量生产。

③提高常用工艺的水平、成熟度
B.微机电系统MEMS和集成电路IC技术主要区别？
工艺上：MEMS技术是在集成电路（IC）技术的基础上发展起来的，沿用了许多IC制造工艺，但MEMS技术还发展了许多新的微机械加工工艺，
器件种类上：MEMS器件与IC器件相比种类繁多，不同的MEMS其结构和功能差异很大，应用环境也大不相同。

①IC本质上是平面器件，典型的MEMS不是；
②IC依赖于隐埋于IC表面之下的效应，而MEMS通常是表面效应器件；
③IC无活动的零部件，而典型的MEMS是活动器件；
④IC的制作工艺方式使得它在以大圆片形式流入小心控制的IC标准生产线之前
对环境相对地不敏感，而大圆片形式的MEMS到它封装好之前对环境都非常敏感。

这就使得MEMS制造的每道后工序－划片、装架、引线制作、封装密封等都与IC不同且花费非常昂贵；
⑤IC器件主要是电信号，而MEMS器件有机械、光、电、多种信号；
⑥IC主要是表面加工工艺，而MEMS有多种加工工艺；
⑦IC主要是半导体材料，而MEMS有多种加工材料。

由于MEMS技术与IC技术相比在材料、结构、工艺、功能和信号接口等方面
存在诸多差别，难以简单的将IC技术移植到MEMS技术中，这就使得MEMS器件在设计、材料、加工、系统集成、封装和测试等各方面都面临着许多新的问题。

C.微系统集成中的主要界面问题包括？（微纳表面/界面效应）
液体界面处的表面张力或固体表面的潮湿表面特性
由于微机电系统相当大的表面积/体积比，诸如静电和浸润等表面效应要比惯性和比热等体效应大很多。

D.有些微系统密封的目的？
电的绝缘、接地和屏蔽免受化学品、潮气等的影响
散热（封装体的各种材料本身可带走一部分热量）
E.未来密封技术的三个主要方向？
目前密封件生产装备和检测技术正朝着自动化、低成本和高可靠性的方向发展
现状：橡塑密封、机械密封、填料密封。

F.简述微组装技术主要步骤？
①划片Wafer Sawing ②绷片和分片③基板的金属化布线④芯片装片Die attach ⑤引线键合⑥封模⑦印字(Mark)⑧检测(Inspection)
G.典型微机电系统封装的三个层次？
①一级封装(SCM、MCM)是将一个或多个IC芯片用适宜的材料(金属、陶瓷、塑料或他们的组合)封装起来,同时,在芯片的焊区与封装的外引脚间用三种芯片互连方法连接起来使之成为有实用功能的电子元器件或组合。

(芯片互连技术:最成熟的WB技术、性能较优越的TAB技术、
发展迅速的FCB技术、埋置芯片互连技术(后布线技术)。

②二级封装(PWB)实际上是组装是将上一级各种微电子封装产品、各种类型的元
器件及板上芯片(COB)一同安装到（PWB）或其他基板上。

除特别要求外,这一级一般不再单独加以封装。

包括通孔安装技术(THT)、表面安装技术(SMT)和芯片直接安装(DCA)技术三部分。

③三级封装密度更高、功能更全、组装技术更加庞大复杂是由二级组装的各个
插板或插卡再共同插装在一个更大的母板上构成的。

这是一种立体组装技术。

以上所述均为xy平面内实现的二维(2D)封装由于电子整机和系统在航空、
航天、计算机等领域对小型化、轻型化、薄型化等高密度组装要求的不断提高在MCM的基础上对于有限的面积电子组装必然在二维组装的基础上向z 方向发展这就是所谓的三维(3D)封装技术。

H.微型压力传感器集成和封装面临的3个方面主要挑战？
微型压力传感器的敏感元件是表压型的，其参考压力腔在传感器封装时被抽成并保持漏率极低的真空，是没法用在微型传感器封装中的。

耐高温、微型化、抗腐蚀
I.磁传感器主要应用？（精度高,频响快,功耗低）
①霍尔器件
在无刷电机中，用磁传感器来作转子磁极位置传感器和定子电枢电流换向器。

对电机进行过载保护。

转速检测和控制用的旋转编码器。

以磁传感器为基础的霍尔电流传感器，互感器等来自动检测电网，进行能源管理。

②磁头磁信息读写
感应头，薄膜磁阻头，非晶磁头，巨磁阻头
③汽车中大量使用无刷电机
汽车的AE曙(防抱制动系统)。

平均每台车要使用4—6只速度传感器
霍尔齿轮传感器和霍尔翼片开关磁阻传感器
④磁性温度控制器在电冰箱、空调器、电饭堡等装置中大量使用
J.微磁传感器封装面临难题？
K.引线键和通常分哪3类？(热压引线键合/锲-锲超声引线键合/热声引线键合) L.引线键和主要成本：引线用贵金属原料制成..焊接材料、使用这些技术的设备
M.典型光刻工艺有哪6个步骤？
一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、显检测量等工序。

深硅ICP(感应耦合等离子体)刻蚀技术中Bosch工艺采用哪2种交叉循环步骤？
O.采用光刻胶形成金属图形有哪2种方式？
①图形反转双层光刻胶金属剥离技术②
P.刻蚀方法大体可以分为哪2种？（湿法刻蚀、干法刻蚀）
Q.按照胶性划分UV光刻胶有哪2种？那种精度高？ /正性胶
正性胶和负性胶。

正胶和负胶曝光显影后图形是相反的
正胶经曝光显影后可溶于显影液; 负胶经曝光显影后不溶于显影液。

一般来说线宽的用正胶,线窄的用负胶。

相对而言，正性光刻胶比负性的精度要高，负胶显影后图形有涨缩，负性胶限制在2~3μm.，正性胶则无这方面的影响。

同种厚度的正负胶，在对于抗湿法和腐蚀性方面负胶更胜一筹，正胶难以企及。

R.按照方向性划分微加工刻蚀形貌有哪2种？
三、综述题
微系统应解决什么问题？
四、补充拓展
MEMS亟待解决的7个问题？
粘着、静电力计算、微流、纳米摩擦、检测、薄膜应力和表面粗糙度
①粘着力
当构件尺寸从1mm减小到1μm时,面积减小因子为106倍,而体积减小因子为108倍,这样正比于面积的粘附力同正比于体积的作用力如惯性力、电磁力相比,增大了数千倍而成为MEMS的主要作用力。

微表面静止接触或两表面间隙处于nm量级时,由于表面粘附力使两表面粘附在一起,这不仅使微器件的性能受到严重影响,甚至动作失效,而且在微构件的制造中,是造成废品的重要因素,并直接导致MEMS的一次成功率低,成本大。

粘附力控制的好坏,已成为MEMS减小废品率,提高性能,走向市场的关键因素之一。

然而,至今未见能解释MEMS粘附现象的令人信服的理论。

没有这方面的理论,就无法使MEMS作为交叉边缘学科走向成熟,而仅仅停留在宏观尺寸的比例缩小范围内。

②静电力
静电力作为MEMS的主要驱动力,在MEMS的研究中具有不可替代的作用。

人们广为接受的计算MEMS静电力方法c=εs/d（无限大平板电容），
随着MEMS特征尺寸的减小,MEMS极板模型已不符合无限大平行板电容模型。

③微流问题在微管道中流体是否呈现线性阻碍性?
微观流体力学的建立,将促进微流系统、微机器人、微传热学等领域的研究。

微观流体力学的研究正受到人们越来越多的重视。

在微流系统中,标征粘性力和惯性力之比的雷诺数Re很小,然而MEMS中当流动介质的特征尺寸接近平均自由程的尺寸量级时,尺寸已小到需要对流体的粘性加以修正的地步。

特征尺寸处于μm 量级时,液体的流动特性就会偏离Navier-Stokes方程,如何建立微观流体理论,是亟待解决的问题。

微系统应用现状？系统性介绍。