MEMS封装技术的现状与发展趋势

多的大学与研究所已开展这方面的工作。
2.2 上下球栅阵列（TB-BGA）封装
TB-BGA技术是基于球栅阵列（BGA）技术发展起来的。芯片的上下盖体中焊盘区的焊料焊球 分 别以格栅阵列结构和球栅阵列结构分布，当所有组件采用多模块叠层或3D的形式组合完成以后，再 采用统一的再流焊技术进行焊点的连接，其封装结构如图2所示。
第 10 卷 第 4 期 Vol. 10 No.4
重庆电力高等专科学校学报 Journal of Chongqing Electric Power College
MEMS封装技术的现状与发展趋势
2005年 12月 Dec. 2005
胡 雪 梅1,2 韩 全 立2
（1.西安电子科技大学机电工程学院，西安 710071；2.河南工业职业技术学院，南阳 473009）
自由扩展和连接，形成模块并能够完成一些功能，同时要保证尽可能高的封装密度。
（6）单片全集成MEMS封装技术
单片全集成的MEMS是指在一个基底上形成微结构和微电路，并使之成为一个微系统。它具有最
小的尺寸、最短的内部连接长度、最佳电气特性、最高输出／入接点密度、最小功耗，这也是MEMS
发展的最具诱惑力的方向。为实现单片全集成MEMS器件及其封装，有很多科研机构进行了相关方面
目前MEMS的封装技术比较有代表性的是倒装芯片封装（FCT）、上下球栅阵列封装（TB-BGA）、 多芯片模块封装（MCMS）等。
2.1 倒装芯片技术（FCT）
倒装芯片技术是90年代发展起来的一种将晶片直接
与基板相互连接的先进的封装技术。主要应用于MEMS的
系 统 级 封 装 ， 这 种 技 术 常 常 与 球 栅 阵 列 （ BGA） 结 合 使
能压力传感器后，它可以自动测量和精确控制在汽
车电子和宇宙航空等领域内使用的泵和阀门等。
2.3 多芯片（MCMS）封装技术
多芯片封装技术是指将多个芯片固定在一个基
图2 TB-BGA封装结构示意图
板上，进而集成在一个管壳内，以减小整个器件的体积，适应小型化的要求。由于这些不同的芯片
可以是用不同材料和工艺制作的，就可以充分利用已有的条件和设备，分别地制造一个MEMS器件的
成本，实现了封装的小型化、轻便化，提高电性能和散热性能；（2）由于可以将导电晶体直接 覆
盖在晶粒上，从而能够大幅缩小晶粒的尺寸，实现芯片尺寸封装（CSP）。同时也能够在一个基 板
上安装数个独立的MEMS芯片，使这些芯片通过基板内的多层电气连接层形成一个系统，从而有可能
实现多芯片混合封装。
倒装芯片技术已经发展为电子封装最重要的技术之一，成为MEMS封装中技术的一个热点，相当
【中图分类号】TN305.94
【文献标识码】A 【文章编号】1008-8032（2005）04-007-05
0 引言
微机电系统（Micro Electromechanical System，英文缩写成MEMS）是20世纪末兴起的、21世纪初 开始快速发展的高科技技术，它将集成电路制造工艺中的硅微细加工技术和机械工业中的微机械加 工技术结合起来，制造出机、电一体甚至光、机、电一体的新器件，具有成本低、体积小、低功 耗、集成化高、可批量生产等特点。经过lO多年的发展，虽然很多种类的MEMS芯片研究已经相当成 熟，但是很多研究只能停留在实验室阶段，无法形成产品得到实际应用，其主要原因是MEMS器件的 封装问题还没有很好解决。
（3）研究小型化和微型化的封装结构、封装机械和封焊工艺 小型化和微型化是所有MEMS发展的总趋势。由于MEMS类型的复杂性、多样性，再加上小型化的 发展趋势，将导致器件内各部分结构、制造和封装材料之间的距离变得越来越小，因此相互之间的 影响必然会逐渐增加，这就使小型化和微型化的封装结构、封装机械和封焊工艺的发展成为必然。
（4）发展特殊的、高性能的封装材料 由于MEMS的工作环境比较苛刻，比如高真空状态，强酸性腐蚀介质等，因此需要发展特殊的、 高性能的封装材料。现在已经出现了大批新型复合材料，比如SiC、AI、SiC和BeO等，但如何把 这 些新型材料运用到封装中去，充分利用它们的特性也是我们必须尽快解决的问题。 （5）模块式MEMS技术 MEMS封装成本较高的一个重要原因是没有统一标准。不同的MEMS器件封装有很大差别，未能形
1.1 复杂的信号界面
MEMS的输入信号界面十分复杂，根据应用的不同会有力（压力传感器）、光（光电探测器）、 磁（磁敏器件）、热（温度传感器）、化（敏感气体探测器）等一种甚至多种信号的输入，这种复 杂的信号界面给封装带来很大的难度。
1.2 三维结构
MEMS芯片毫米到微米极的三维微结构，有的带有腔体，有的带有悬梁，有的为深槽、有的是微 镜等可动结构，尺寸极小，强度极低，很容易因为接触而损坏或因暴露而被玷污。
用。在封装过程中，在芯片有源面的铝压焊块上做凸焊
点，然后将芯片正面倒扣，让芯片上的结合点透过金属 导体直接与基板的结合点相互连接。倒装芯片结构见图1。
图1 倒装芯片结构图
相对于其它封装技术，FCT有以下优点：（1）倒装芯片的互连距离最短，互连产生的杂散 电
容、互连电阻和互连电感都比较小，同时阵列形式的焊接凸点，极大提高了互连密度，降低了封装
（2）优先考虑MEMS的封装问题 由于MEMS封装的特殊性，所以必须把封装作为MEMS设计的重要组成部分，有必要在芯片设计阶 段就运用数学模型对各个封装步骤和影响因素进行模拟，然后选择出最佳的封装材料、技术和工艺 条件，只有这样才能缩短MEMS封装设计的周期，有效地降低封装成本，并提高产品的性能。
过位于芯片顶面上的连接层，使用焊线或者倒装芯片等技术实现芯片之间的连接。
3 未来MEMS封装发展趋势和方向
随着封装技术的飞速发展，封装形式也会更加复杂化和多样化。从总体上讲，MEMS封装将会沿 着以下的方向发展：
（1）借鉴成熟的集成电路封装技术的经验 MEMS封装 会在更大程度上尽可能 引用成熟的集成电路封 装技术的经验，降低封 装成本，加 快 MEMS产 品 的 产 业 化 发 展 。 比 如 可 以 继 续 借 鉴 集 成 电 路 封 装 技 术 中 发 展 迅 速 的 晶 片 直 接 封 装 （COB）、芯片尺寸封装（CSP）、 圆片级封装（WLP）技术，甚至表面贴装技术（SMT）和表面贴装元 件（SMD）等。
2 MEMS封装的现状
随着人们对MEMS封装的日益重视，在继承和发展了微电子封装工艺的基础上，MEMS的封装工艺 已经比较成熟。
用于MEMS封装的材料主要有陶瓷、金属和塑料等几种。可靠、可塑、易密封等特性使得陶瓷在 MEMS封装领域占有重要地位，许多已经商业化的微机械传感器都使用了陶瓷封装。金属封装因为制 作周期短，焊封后的密封性较好等优点也得到了广泛应用。由于采用了吸气剂后的准密封封装技 术，塑料封装以其成本低廉、可塑性强的优点而得到越来越多的使用。
（1．School of Mechano-electronic Engineering，Xidian University，Xi'an 710071； 2．Henan Polytechnic Institue，Nanyang 473009）
Abstract：Some particularities of the MEMS (micro electromechanical system) packaging technology and the state are described．Three technologies including the FCT (flip-chip technology)，TB-BGA (top bottom ball grid array) and MCMS (mutichip modules) are especially discussed, and also its future trend． The analyses are given for MEMS packaging technology trends． Key words：micro electromechanical system (MEMS) packaging ； flip chip technology (FCT) ； top bottom ball grid array (TB-BGA)；muti chip modules (MCMS)
[2] 李金，郑小林等．MEM5封装技术研究进展[J]．微纳电子技术，2004，(2)． [3] 田斌，胡明等．MEMS封装技术研究进展与趋势[J]．传感器技术，2003，(5)． [4] 况延香，朱颂春．微电子封装的新进展领域及对SMT的新挑战[J]．电子工艺技术，2004，(9)．
The State and Development of MEMS Packaging Technology HU Xue-mei1 HAN Quan-li2
1.4 高可靠性要求
无论是导弹、卫星携带设备等军品，还是普通小轿车上使用的安全气囊压力传感器等民品，都 需要极高的可靠性，可靠性差将带来严重的后果。
MEMS所有这些特点，大大增加了封装的难度和成本，严重制约着MEMS封装技术的迅速发展和广 泛应用。据国外多项统计表明，MEMS封装成本占MEMS产品的5O％～9O％ 。因此必须重视和积极 发 展MEMS封装技术，尽快开发低成本、高性能的封装方法，才能适应MEMS的迅猛发展。
的研究，并取得了一定的成果。
4 结论
封装是MEMS从研究走向应用的关键一步，只有已封装的MEMS器件才能成为实用的产品。随 着 MEMS的应用日益广泛，MEMS芯片的研究日益成熟，低成本、高性能的封装方法已经成为MEMS领域一 个重要的研究课题。
参考文献：
[1] 王海宁，王水弟等．先进的MEMS封装技术[J]．半导体技术，2003，(9)．
成系列化、标准化。为了克服这些缺点，德国Fraunhofer IZM 提出了模块式MOMEMS的概念。它旨 在为MEMS设计提供一些模块式的外部接口，从而使MEMS器件能使用统一的、标准化的封装批量 生
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产，进而降低MEMS器件的生产成本，缩短产品生产周期。主要特点之一是要求封装可以向三维空间
1 MEMS封装的难点
MEMS封装的重要目的是确保系统在相应的环境中更好的发挥其功能。为了达到这一点，封装形 式应保证其良好的机械性能与热传递性能、优良的电气联结性能和长期工作的稳定性，只有这样， 才能保证MEMS的正常应用。
目前的MEMS封装技术大都是由微电子（集成电路）封装技术发展演变而来，但是和微电子封装 又有着很大的差别。微电子封装已经有明确的封装规范，而MEMS因为使用的特殊性和复杂性，使它 的封装不能简单地套用微电子封装技术。MEME的封装成为MEMS技术的发展的一个难点。
不同部分，再通过多芯片封装技术将它们组装到一起，从而形成一个系统。这样做还可以缩短信号
从MEMS芯片到其驱动器或执行器的距离，减小信Biblioteka Baidu衰减和外界干扰的影响。多芯片封装技术中，如
何将不同的芯片组件有效地连接起来是一个关键问题。目前一般有两种方式：一是将芯片固定在基
板的表面上，通过基板上的金属导线连接各个芯片；另外一种方式是将芯片埋入基板之中，然后通
TB-BGA技术是性能优越的无引线封装技术，这是由于采用了新的引线和键合线分布方式，融合
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胡雪梅等：MEMS封装技术的现状与发展趋势
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了FCT技术和CSP技术（芯片尺寸封装）的优点，使
它能产生相同数量的引脚而封装面积最小，从而大
大减少了封装空间。目前已经有人用此技术制作了
一种压力传感器，把此压力传感器升级为模块化智
1.3 特殊的外壳要求
[收稿日期] 2005-09-29
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MEMS芯片的外壳需留有开口用来感受外界的光、热、力等物理信号。不同的用途，就要采用不
同的外壳材料。像磁敏MEMS器件，外壳必须是非导磁材料；像微麦克风MEMS器件就不能采用普通的
塑料封装，否则无法屏蔽电磁干扰信号。
【摘要】介绍MEMS（Micro Electromechanical System）封装技术的难点和现状，重点介绍倒装芯片技术(FCT )、上
下球栅阵列封装技术（TB-BGA）和多芯片封装技术（MCMs）三种很有前景的封装技术的特点，并且对MEMS封装的发
展趋势进行分析。
【关键词】MEMS封装；倒装芯片技术；上下球栅阵列封装技术；多芯片封装技术