微纳系统及其最新应用

MEMS系统及其封装技术的研究报告

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS）是以微细加工技术为基础，将微传感器、微执行器和电子线路、微能源等有机组合在一起的微机电器件、装置、或系统。微机电既可以根据电路信号的指令控制执行元件，实现机械驱动，也可以利用传感器探测或接受外部信号。传感器将转换后的信号经电路处理后，再由执行器转换为机械信号，完成命令的执行。可以说，MEMS技术是一种获取、处理和执行操作的集成技术，它是一种多学科交叉的前沿性领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，例如电子、机械、材料和能源。但是，由于对MEMS封装的认识一直落后于MEMS器件的研究，封装已成为妨碍MEMS商业化的主要技术瓶颈。

一、MEMS系统的特点、存在的问题

与常规机电系统相比，MEMS系统的主要优点包括：系统微型化，MEMS器件体积小，精度高、重量轻，尺寸精度可达到纳米量级；制造材料性能稳定，MEMS的主要材料是硅；批量生产成本低；能耗低，灵敏度和工作效率高；集成化程度高等。

但是，按照摩尔定律的预测，在不断追求电子元器件的高集成度、高密度的同时，MEMS 系统也存在一些问题，例如尺寸效应；材料性能主要是对于MEMS硅衬底上的薄膜的机械性能和电性能的分析；黏附问题；静电力问题；摩擦问题；检测问题；薄膜应力以及表面粗糙度问题。

二、MEMS封装

MEMS封装的分类方式有两种：一种是按封装材料分，可分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装；另一种是按密封特性分，可分为气密封装和非气密性封装。通常金属封装和陶瓷封装为气密封装，而塑料封装为非气密封装。

1.MEMS封装的自身特性包括以下几点：

1）专用性

MEMS中通常都有一些可动部分或悬空结构，如硅等空腔、梁、沟、槽、膜片甚至是流体部件。

2）复杂性

由于多数MEMS封装外壳的负责性，对芯片纯化、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。

3）空间性

为给MEMS可活动部分提供足够的可动空间，需在外壳上进行刻蚀，或留有一定的槽型及其他形状的空间。

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（划片、烧结、互联、密封等），需要采用特殊的处理方法，提供相应的保护措施。

5）可靠性

6）经济性

2.几种重要的 MEMS封装技术

MEMS封装经过多年的发展，出现了一些比较完善的封装技术和封装形式，比如键合技术、倒装芯片技术、多芯片封装技术以及3D封装等。

1）键和技术

键合技术是MEMS中最为关键、最具挑战性的技术，由于MEMS器件包含多种立体结构和多种材料层，MEMS元件的键合要比微电子元件困难得多。键合技术分为引线键合和表面键合两种。其中引线键合的作用是从核心元件引人和导出电连接。根据键合时所用能量

的不同，可分为热压键合、楔-楔超声键合和热声键合几种形式。引线键合要求引线具有足够的抗冲击和振动的能力，并且不会引起短路，常用的引线有金丝和铝丝。而表面键合是实现MEMS封装的基本技术，可以用来进行密封、微结构的粘结和固定，以及产生新的MEMS 微结构．表面键合包括阳极键合和硅熔融键合、低温表面键合等。目前，硅-玻璃键合和硅一硅键合是两种主要的表面键合形式。其中的硅熔融键合（典型例子为硅—硅键合）不需要中间层，硅圆片直接键合用于SOI（硅绝缘技术）器件和压力传感器，简化了器件的操作。

2）倒装芯片封装技术

倒装芯片技术比引线键合技术更为先进，具有很大的发展潜力，已成为MEMS封装技术中很有吸引力的选择。倒装芯片封装技术是将芯片的有源面面向基座的粘贴封装技术，为芯片和基座之间提供了最短的互连路径。

3）多芯片封装技术

多芯片封装是为适应现代电子系统短小轻薄、高速、高性能、高可靠性和低成本的发展方向发展起来的。

它具有的优点有：

缩短了封装延迟时间，易于实现模块高速化；提高了封装的可靠性和封装密度；节省了封装材料和成本，减小模块的封装尺寸和重量；芯片具有良好的散热环境。

多芯片封装已成为MEMS封装的另一发展趋势，将传感、控制和有陶瓷基板有高芯片密度的印制电路板。

三、MEMS的主要应用

目前，MEMS主要应用于以下领域。

1.汽车工业

汽车工业已经成为MEMS的主要用户，尤其是智能汽车的发展，将同MEMS密不可分。各种各样的传感器被用于环境和道路的检测，微执行器则按要求完成各项动作。概括来说，MEMS在汽车工业中主要应用在安全、动力系统、舒适和诊断方面。

2.家用电器

手提电脑、手机、便捷式媒体播放器和移动终端设备内的硬盘驱动器坠落保护功能，是MEMS运动传感器在消费电子市场具有重要意义的应用之一。

3.航空航天

航空航天领域是MEMS技术的主要应用领域。微型飞行器（MAV）因尺寸小、巡航范围大、飞行时间长和能够自主飞行，被认为是未来战场的重要侦查和攻击武器。

此外，MEMS技术还大量应用于生物医学、通信以及军事领域，它的应用前景是明朗的，挑战也是巨大的。

四、参考文献

【1】田文超.电子封装、微机电与微系统.西安：西安电子科技大学出版社，2012 【2】Ken Gilleo. MEMS/MOEMS Packaging.北京：化学工业出版社，2008