单片集成MEMS-IC圆片级真空封装方应用设计

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MEMS圆片级真空封装金硅键合工艺研究

第１１卷，１第期
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总第９３期２０１１年１月
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摘要：提出一种适用于微机电系统（ＭＳ）圆片级真空封装的键合结构，通过比较分析各种ＭＥ
键合工艺的优缺点后，选择符合本试验要求的金硅键合工艺。根据所提出键合结构和金硅键合的
特点设计键合工艺流程，在多次试验后优化工艺条件。在此工艺条件下，选用三组不同结构参数
ｌｖｌａｕｍａｋｇｎｇｈａｅｐｒｅ， — ｉｏｉｇｗｈｃｅｔｅｒｑｉｅｅｔｅｅｔｄｂｎｌｓｎｅｅｃｕｐｃａｉｄｂｅｎｒｏｔｄＡｕＳｎｄｎｉｈｍｅｓｈｅｕｒｍｎｓｉｓｌｃｅｙａａｙｉｇｖｅｂｔｓｔｅｍｅｉｎｅｅｉｌｋｎｄｆｂｎｉｇｐｏｅｓｓＴｈｏｄｎｇｐｏｅｓｃｎｉｉｎａｅｄｓｇｄｂｈｒｔａｄｄｍｒｔｏｆａｌｉｓｏｏｄｎｒｃｓｅ．ｅｂｎｉｒｃｓｏｄｔｒｅｉｎｅｙｔｓｓｏｈｅｓｒｃｕｅｔｔｕｏｗａｄａｄｃａａｔｒｓｉｓｏＡｕＳｏｄｎａｄｏｔｍｉｅｙｐｅｔｆｅｔ．ｎｔｉｏｄｎｔｕｔｒｔｆｒｒｈｃｅｉｔｆ — ｉｎｉｇ，ｎｐｉｚｄｂｌｎｙｏｔｓｓＩｓｂｎｉｇｈａｐｎｒｃｂｈｐｏｅｓｃｎｉｉｎ，ｉｆｒｎｎｉｇｅｐｒｍｅｔｒｏｐｅｅｎｅｉｆｒｎｔｕｔｒａａｅｅｓＴｈｅｒｃｓｏｄｔｏｄｆｅｅｔｂｏｄｎｘｅｉｎｓａｅｃｍｌｔｄｕｄｒ３ｄｆｅｅｔｓｒｃｕｅｐｒｍｔｒ．

中国科学院上海微系统与信息技术研究所申报

H. M. Wang, X. M.
S. J. Tang
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Liu, X. H. Zhou, F. Q. Huang, X. S. Chen, T. Yu, F. Ding, X. M. Xie*
Xie
and M. H. Jiang
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，， Synthesis of large single-crystal hexagonal boron nitride grains on 2015 6 Cu-Ni alloy/ Nature Communications/ G. Y. Lu, T. R. Wu, Q. H. Yuan,
石墨烯等温析出的新生长机理，通过局部碳源控制，在国际上首次研制成功 1.5 英寸石墨烯单晶晶圆。通过单核控制制备石墨烯单晶晶圆被认为是三维硅单晶技术在二维材料中的再现，对于推动石墨烯在微电子领域的应用具有重要意义，研究成果发表在《自然·材料》上。中国科学院成会明院士评价该项工作为“2016 年中国高质量石墨烯制备方面两项最重要成果之一”。 2. 率先开展六方氮化硼（h-BN）表面石墨烯直接生长研究，并在石墨烯气相催化生长与 h-BN 制备研究取得重要进展。国际上首次实现 h-BN 表面高质量石墨烯晶畴 CVD 生长，并揭示石墨烯形核、取向、气相催化相关机理；获得极高电学质量的 CVD 石墨烯，室温霍尔迁移率超过 20000 cm2/Vs。同时，在国际上首次通过在铜衬底中固溶镍，成功制备出高质量单层h-BN单晶畴。相关成果两次发表在《自然·通讯》上，获得包括诺贝尔奖获得者A. K. Geim 教授、碳纳米管的发现者 S. Iijima 教授等知名学者以及多篇综述性论文的点名图文引用和高度评价。 3. 在国际上首次报道半导体锗衬底上的石墨烯 CVD 生长，并发现台阶辅助成核限制的石墨烯取向生长机理。利用锗衬底的催化能力和特殊的石墨烯取向锁定作用，本项目率先实现并报道锗晶圆上高质量石墨烯晶圆制备，引起韩国三星等知名研究机构跟踪研究，被 Chem. Soc. Rev.等知名综述期刊多次点名引用。二、知识产权情况本项目成果发表的 8 篇代表性论文（包括《自然·材料》1 篇，《自然·通讯》2 篇），共被他引 720 次，其中 SCI 他引 677 次。获得包括《科学》等著名刊物的多次引用，《自然·材料》新闻和观点栏目予以专文报道。获邀在重要国际学术会议上做邀请报告 20 余次，获授权专利 17 项（国内授权 10 项，国外授权 7 项）。项目组成员获国家自然科学基金委员会优秀青年基金、中组部“万人计划”青年拔尖人才、上海市“领军人才”、上海市“青年科技启明星（A 类）”和上海市“青年拔尖人才”等项目资助。

IC封装的材料和方法

IC封装的材料和方法——封装设计回顾路（IC）在电子学金字塔中的位置既是金字塔的尖顶又是金字塔的基座。

说它同时处在这两种位置都有很充分的根据。

从电子元器件（如晶体管）的密度说，IC代表了电子学的尖端。

但是IC又是一个起始点，是一种基本结构单元，是组成我们生活中大多数电子系统的基础。

同样，IC不仅仅是单块芯片或构，IC的种类千差万别（模拟电路、数字电路、射频电路、传感器等），因而对于封装的需求和要求也各不相同。

本文对IC封装技术做了全面的回顾，以式介绍了制造这些不可缺少的封装结构时用到的各种材料和工艺。

的物理结构、应用领域、I/O数量差异很大，但是IC封装的作用和功能却差别不大，封装的目的也相当的一致。

作为“芯片的保护者”，封装起到了好几个来主要有两个根本的功能：1)保护芯片，使其免受物理损伤；2)重新分布I/O，获得更易于在装配中处理的引脚节距。

封装还有其他一些次要的作用，比如于标准化的结构，为芯片提供散热通路，使芯片避免产生α粒子造成的软错误，以及提供一种更方便于测试和老化试验的结构。

封装还能用于多个IC的互用引线键合技术等标准的互连技术来直接进行互连。

或者也可用封装提供的互连通路，如混合封装技术、多芯片组件（MCM）、系统级封装（SiP）以及体积小型化和互连(VSMI)概念所包含的其他方法中使用的互连通路，来间接地进行互连。

电子机械系统(MEMS)器件和片上实验室（lab-on-chip）器件的不断发展，封装起到了更多的作用：如限制芯片与外界的接触、满足压差的要求以及满足化境的要求。

人们还日益关注并积极投身于光电子封装的研究，以满足这一重要领域不断发展的要求。

最近几年人们对IC封装的重要性和不断增加的功能的大的转变，IC封装已经成为了和IC本身一样重要的一个领域。

这是因为在很多情况下，IC的性能受到IC封装的制约，因此，人们越来越注重发展IC封新的挑战。

家族很多方法对IC封装进行分类，但是IC封装主要可以通过其基本结构的不同进行分类和定义。

mems器件气密封装工艺规范（材料参数）

mems器件⽓密封装⼯艺规范（材料参数）MEMS器件⽓密封装⼯艺规范（元件级）华中科技⼤学微系统中⼼1. 引⾔微机电系统（Micro ElectroMechanical System－MEMS），⼜称微系统，以下简称MEMS。

MEMS是融合了硅微加⼯、LIGA 和精密机械加⼯等多种加⼯技术，并应⽤现代信息技术构成的微型系统。

它是在微电⼦技术基础上发展起来的，但⼜区别于微电⼦技术，主要包括感知外界信息（⼒、热、光、磁、⽣物、化学等）的传感器和控制对象的执⾏器，以及进⾏信息处理和控制的电路。

MEMS具有以下⼏个⾮约束的特征：（1）尺⼨在毫⽶到微⽶范围，区别于⼀般宏（Macro），即传统的尺⼨⼤于1cm尺度的“机械”，但并⾮进⼊物理上的微观层次；（2）基于（但不限于）硅微加⼯（Silicon Microfabrication）技术制造；（3）与微电⼦芯⽚类同，在⽆尘室⼤批量、低成本⽣产，使性能价格⽐⽐传统“机械”制造技术⼤幅度提⾼；（4）MEMS中的“机械”不限于狭义的⼒学中的机械，它代表⼀切具有能量转换、传输等功效的效应，包括⼒、热、光、磁，乃⾄化学、⽣物效应；（5）MEMS的⽬标是“微机械”与IC结合的微系统，并向智能化⽅向发展。

MEMS将许多不同种类的技术集成在⼀起，⽬前已在电⼦、信息、⽣物、汽车、国防等各个领域得到⼴泛应⽤，它被称为是继微电⼦技术⾰命之后的第⼆次微技术制造⾰命。

MEMS器件种类很多，有光学MEMS、⽣物MEMS、RFMEMS 等，不同的MEMS其结构和功能相差很⼤，其应⽤环境也⼤不相同，因此使得MEMS技术⾯临着许多挑战。

专家们认为⽬前MEMS技术在⼯业上⾯临的最⼤挑战是制造和封装问题。

封装占整个MEMS器件成本的50～80％。

鉴于MEMS 器件的种类很多，因此，本规范是对MEMS器件封装设计与⼯艺过程的⼀些成熟⽅法进⾏标准化。

2. MEMS器件封装的特点MEMS封装技术是在IC封装技术的基础上提出的，MEMS封装技术源⽤了许多IC封装⼯艺，因此MEMS封装⼯艺中有许多与IC 封装兼容的⼯艺。

一种MEMS器件圆片级真空封装技术

片级高真空封装。为了保证ＭＥＭＳ器件的圆片级的高真空封装，行了两种结构的设计：进一是真空密
封环的设计，包括真空外密封环和压焊点密封环；是金属电极的引出，二即通过硅柱的设计，到电气隔起离和高真空密封的作用。为ＭＭＳ真空封装提供了一条有效的技术途径。Ｅ
本文介绍了一一种ＭＥＭＳ器件圆片级真空封
装技术、该技术关键在于ＭＭＳ器件圆片级真Ｅ空封装的结构设计。通过硅柱、封环及硅帽有密
ＭＥＳ器件圆片级的真空封装是指芯片与封装之Ｍ间的连接等所有封装：，［序全部都是以硅圆片为单位进行操作，与单芯片相比，大节省了封装的大
采用某些材料封装时会产生湿度和有机气体，导致器件的粘连、损和腐蚀，采取相应将磨应
的处理措施。某些ＭＥＭＳ器件的工作环境是气
体、液体或透光的环境，ＥＳ封装就必须构成稳ＭＭ定的环境，能使气体、体稳定流动，光纤输并液使人低损耗，精度对位的特性等。高正是由于ＭＭＳ封装有更多的特殊性，得Ｅ使
第３０卷第３期
２１０２年９月
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种ＭＥＭＳ器件圆片级真空封装技术

晶圆级高真空封装技术

晶圆级高真空封装技术
晶圆级高真空封装技术是一种应用于圆片级真空封装领域的新兴纵向互连技术，为实现芯片-芯片之间距离最短、间距最小的互联提供了一种新型技术途径。

该技术具有以下优势：- 优良的电学、热学、力学性能，在射频芯片、高端MEMS 传感器、高密度系统集成等领域具有独特优势；
- 可实现高频芯片、先进 MEMS 传感器的低传输损耗、高真空晶圆级封装；
- 满足环形谐振器、波导缝隙天线、毫米波天线等5G/6G 高频芯片，以及新型 MEMS 陀螺仪、加速度计3D 封装需求。

晶圆级高真空封装技术在半导体芯片3D 先进封装、射频芯片封装、MEMS 传感器封装，以及新型MEMS 传感器（MEMS 质谱、MEMS 迁移谱）设计制造、新型玻璃基微流控芯片制作等多个领域具有广阔的应用前景。

MEMS器件真空封装工艺研究

MEMS器件真空封装工艺研究杨凯骏;王学军;井文丽;张建宏;王宁【摘要】MEMS器件的真空封装是整个工艺过程中的难点,封装的质量决定着整个器件的质量和使用寿命.现有的封装工艺,封装后器件内部真空度不能有效保持,是需要在真空下工作的器件的瓶颈.随着吸气剂的广泛使用,使MEMS器件的真空度保持能力大大提高,但现有的封装工艺设备不能满足吸气剂的激活条件.分析了空气阻尼对MEMS器件品质因数的影响,提出一种将现有的真空共晶设备的改进方法,使之能应用于使用吸气剂的MEMS器件的真空封装工艺.【期刊名称】《电子工业专用设备》【年(卷),期】2010(039)010【总页数】4页(P5-7,25)【关键词】MEMS器件;真空封装;吸气剂;品质因数【作者】杨凯骏;王学军;井文丽;张建宏;王宁【作者单位】中国电子科技集团公司第二研究所,山西,太原,030024;中国电子科技集团公司第二研究所,山西,太原,030024;中国电子科技集团公司第二研究所,山西,太原,030024;中国电子科技集团公司第二研究所,山西,太原,030024;中国电子科技集团公司第二研究所,山西,太原,030024【正文语种】中文【中图分类】TN405MEMS技术是一门集光学、机械、电子、控制、材料和化学等多种科技的整合技术，其关键技术包括微传感器、微电子、微制动器和微结构。

目前，MEMS芯片的设计与制造技术已经相当成熟，但是，由于MEMS封装技术的研究明显滞后，封装只能单个进行而不能大批量同时生产，因此封装在MEMS产品总费用中占据70%～80%，封装技术已成为MEMS生产中的瓶颈。

使许多MEMS芯片没有得到实际应用，限制了MEMS的发展。

在MEMS封装技术中，MEMS真空封装是一个需要重点研究的课题，因为大多数的MEMS器件都需要真空封装，这些器件内部都具有可动部件或者真空腔体,只有采用真空封装,才能获得较好的性能。

目前，吸气剂方面的研究成果，提高了MEMS器件保持真空度的能力，使真空封装后MEMS器件保持真空度的能力大幅度提高。

基于晶圆键合的MEMS圆片级封装研究综述

基于晶圆键合的MEMS圆片级封装研究综述
梁亨茂
【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2022(22)12
【摘要】为提升微机电系统(MEMS)器件的性能及可靠性,MEMS圆片级封装技术已成为突破MEMS器件实用化瓶颈的关键,其中基于晶圆键合的MEMS圆片级封装由于封装温度低、封装结构及工艺自由度高、封装可靠性强而备受产学界关注。

总结了MEMS圆片级封装的主要功能及分类,阐明了基于晶圆键合的MEMS圆片级封装技术的优势。

依次对平面互连型和垂直互连型2类基于晶圆键合的MEMS 圆片级封装的技术背景、封装策略、技术利弊、特点及局限性展开了综述。

通过总结MEMS圆片级封装的现状,展望其未来的发展趋势。

【总页数】9页(P1-9)
【作者】梁亨茂
【作者单位】华南农业大学电子工程学院(人工智能学院)
【正文语种】中文
【中图分类】TN305.94
【相关文献】
1.MEMS圆片级真空封装金硅键合工艺研究
2.晶圆叠层3D封装中晶圆键合技术的应用
3.基于BCB键合的MEMS加速度计圆片级封装工艺
4.基于粘附剂键合的
圆片级MEMS塑料封装技术5.MEMS圆片级封装用Cu-Sn低温键合机理与工艺研究
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MEMS封装技术.ppt

Байду номын сангаас
MEMS可靠性测试
• 可靠性测试规范
(1)贴片工艺测试 (2)引线键合工艺测试 (3)封盖工艺测试 (4)MEMS封装可靠性筛选试验 (5)MEMS封装可靠性寿命试验
MEMS系统展望
• 目前的MEMS封装技术大多来自集成电路封装技术，但是由于MEMS器件的特殊性，特殊的信号界面、外壳要求、三维结构和可靠性要求等决定了MEMS封装的难点所在，需要重点研究。由于 MEMS封装已经引起人们的重视，研究低成本高性能的封装方法已经成为MEMS领域一个重要的课题。
倒装芯片结构示意图
MEMS封装技术分类
• 近密封封装技术------通过使用某些特定的封装材料来实现一定密封级别的同时为MEMS器件提供活动空间或者光学通道的一种封装技术，采用的封装材料大多是热固塑脂类环氧基聚合物或者热塑性塑料系列材料等高分子材料 • 模块式MEMS封装设计------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产，进而降低MEMS器件的生产成本，缩短产品生产周期
THE
END
MEMS封装应满足的要求
• 应力：在MEMS器件中，微米或微纳米尺度的零部件其精度高但十分脆弱，因此，MEMS封装应对器件产生最小的应力
• 高真空：可动部件在真空中，就可以减小摩擦，达到长期可靠工作的目标； • 高气密性：一些MEMS器件，如微陀螺必须在稳定的气密条件下才能可靠长期地工作，有的MEMS封装气密性要达到1×10-12 Pa m 3 / s
MEMS封装技术
SA11009042 卢钰
微机电系统 MEMS
• 微机电系统是指包括微传感器、微致动器(也称微执行器)、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或装置，也可称为微机械系统。