微关键系统封装实施技术-基本概论
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Bottom wafer
Inlet Water
Cavity for heat insulation
Silicon
Ti (Heating resistor and internal wire)
通过电阻加热，把工质汽化，产生高温高压
气体从喷口喷微关出键系。统封装实施技术-基本概
论
数字镜面显示（DMD）
~1960
LIGA ~1978
Surface micromachining
~1986
微关键系统封装实施技术-基本概 论
体硅加工：
• 体加工(Bulk Machining)指通过刻蚀(Etching)等 去除部分基体或衬底材料，从而得到所需的元 件的体构形。它在微机械制造中应用最早，主 要是通过光刻和化学刻蚀等在硅基体上得到一 些坑、凸台、带平面的孔洞等微结构，它们成 为建造悬臂梁、膜片、沟槽和其它结构单元的 基础，最后利用这些结构单元可以研制出压力 或加速度传感器等微型装置。
微关键系统封装实施技术-基本概 论
加工工艺路线
• 驱动部分：可根据各种不同的结构采用 高掺杂的硅膜、形状记忆合金、金属膜 薄片等。
• 腔体制备：采用双面氧化的硅片，首先 在硅片背面开出窗口（正面用光刻胶保 护），放入HF，去除SiO2，去掉光刻胶， 放入KOH，腐蚀Si，直到要求的膜厚为 止
• 阀膜制备
微关键系统封装实施技术-基本概 论
阀膜制备
• 对双面氧化的硅片进行双面光刻 • 腐蚀SiO2、去除光刻胶、清洗 • 用KOH腐蚀硅片双面，腐蚀深度10～15微米 • 去除浅腐蚀面的SiO2（将深腐蚀面保护） • 去浅腐蚀面用于键合的金属层 • 用密闭良好的夹具将有金属的一面保护，再用
KOH进行深度腐蚀，直到腐蚀穿透整个硅片。 剩下的硅膜即为阀膜厚度 • 最后将三部分键合到一起
有 机 械 、 光 、 电 、 多 种 主要是电信号 信号
有多种加工工艺
主要是表面加工工艺
加工材料
有多种加工材料
主要是半导体材料
微电子封装成本占总成本30%左右，MEMS封装成本为器件成本80 %左右
微关键系统封装实施技术-基本概 论
影响MEMS器件的环境因素
应力
机械 振动
冲击
气体
化学 湿度
腐蚀
温度
加热膜
硅 硅
双金属热致动阀
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微喷——喷墨打印头
微关键系统封装实施技术-基本概 论
电阻电热式微推进器
Wire
Glue Bonding
pads
Hole for wire bonding
Vapor
Nozzle
Top wafer
Chamber
Internal leads
Heating resistor
• 体微机械加工常用的是利用硅腐蚀的各向异性 制造各种几何机构，再通过键合技术将两部分 硅的微结构结合再一起
微关键系统封装实施技术-基本概 论
体硅加工工艺主要流程
硅园片
腐蚀硅片
淀积光刻胶
去掉光刻胶
刻蚀光刻胶
为了得到质量好的结构，一般采用SiO2或 Si3N4作为掩膜
微关键系统封装实施技术-基本概 论
改变反射方向
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微机电系统（MEMS）与微电子（IC）器件的区别：
几何特性
MEMS器件 三维结构
IC器件 二维结构
物理特性
有 运 动 部 件 （ 存 在 尺 寸 无运动部件 效应，表面效应）
应用材料的效应 体效应器件
面效应器件
环境敏感性
对环境很敏感
对环境不太敏感
信号接口种类 加工工艺
物理 压力
加速度
1.封装和制造引起残余应力 2.外部载荷 3.变形引起应力 4.机械失效
气密性封装
芯片划伤 封装时加载在器件上 的温度过高，压力过 大
MEMS器件受多方面环境因素的影响也是MEMS器件封装之所以多样和 复杂的原因
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微机电系统主要加工工艺
Bulk micromachining
日本：微机械
Micro machine
欧洲：微系统
Micro system
微关键系统封装实施技术-基本概 论
典型MEMS器件介绍：
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微泵 ( Micro Pump)
压电片
容积泵，压电驱动
微关键系统封装实施技术-基本概 论
金属层
体硅工艺
微关键系统封装实施技术-基本概 论
体硅工艺的典型应用
• 微泵：具有两个单向阀，当电压施加到 极板上时，变形膜向上运动，此时泵室 体积增加，压力减小，进水阀打开，液 体流进腔室。断电后，相反。泵的基本 参数：变形膜面积4×4mm2，厚度25微米， 间隙4微米，工作频率1～100Hz，典型值 为25Hz，流量为70mL/min
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微机电系统的概念
光 声 压力 传 温度 感 化学 器 其它
信息处理单元
模
数
模
拟
字
拟
ห้องสมุดไป่ตู้
信
信
信
号
号
号
处
处
处
理
理
理
器
器
器
运动
能量 执 行 信息 器 其它
感测量
通讯/接口单元
光/电/磁
微关键系统封装实施技术-基本概 论
控制量
各个国家不同的定义
美国：微型机电系统
MEMS: Micro electro mechanical system
微关键系统封装实施技术-基本概 论
表面硅加工工艺主要流程
硅园片
刻蚀牺牲层
淀积结构层 刻蚀结构层
淀积结构层 刻蚀结构层
淀积牺牲层
微关键系统封装实施技术-基本概 论
释放结构
表面工艺常用材料组合
• 表面加工要求所应用的材料是一组相互匹配的 结构层、牺牲层材料
微关键系统封装实施技术-基本概 论
静电微泵结构
微关键系统封装实施技术-基本概 论
表面硅工艺
• 表面微机械加工以硅片微基体，通过多 层膜淀积和图形加工制备三维微机械结 构。硅片本身不被加工，器件的结构部 分由淀积的薄膜层加工而成，结构和基 体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用 是支持结构层，并形成所需要的形状的 空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中 溶解牺牲层
微机电系统的概念
微机电系统（Micro ElectroMechanical Systems— MEMS）是融合了硅微加工、LIGA（光刻、电铸 和塑铸）和精密机械加工等多种微加工技术，并 应用现代信息技术构成的微型系统。它在微电子 技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技 术。它包括感知外界信息（力、热、光、磁、电、 声等）的传感器和控制对象的执行器，以及进行 信号处理和控制的电路。
Inlet Water
Cavity for heat insulation
Silicon
Ti (Heating resistor and internal wire)
通过电阻加热，把工质汽化，产生高温高压
气体从喷口喷微关出键系。统封装实施技术-基本概
论
数字镜面显示（DMD）
~1960
LIGA ~1978
Surface micromachining
~1986
微关键系统封装实施技术-基本概 论
体硅加工：
• 体加工(Bulk Machining)指通过刻蚀(Etching)等 去除部分基体或衬底材料，从而得到所需的元 件的体构形。它在微机械制造中应用最早，主 要是通过光刻和化学刻蚀等在硅基体上得到一 些坑、凸台、带平面的孔洞等微结构，它们成 为建造悬臂梁、膜片、沟槽和其它结构单元的 基础，最后利用这些结构单元可以研制出压力 或加速度传感器等微型装置。
微关键系统封装实施技术-基本概 论
加工工艺路线
• 驱动部分：可根据各种不同的结构采用 高掺杂的硅膜、形状记忆合金、金属膜 薄片等。
• 腔体制备：采用双面氧化的硅片，首先 在硅片背面开出窗口（正面用光刻胶保 护），放入HF，去除SiO2，去掉光刻胶， 放入KOH，腐蚀Si，直到要求的膜厚为 止
• 阀膜制备
微关键系统封装实施技术-基本概 论
阀膜制备
• 对双面氧化的硅片进行双面光刻 • 腐蚀SiO2、去除光刻胶、清洗 • 用KOH腐蚀硅片双面，腐蚀深度10～15微米 • 去除浅腐蚀面的SiO2（将深腐蚀面保护） • 去浅腐蚀面用于键合的金属层 • 用密闭良好的夹具将有金属的一面保护，再用
KOH进行深度腐蚀，直到腐蚀穿透整个硅片。 剩下的硅膜即为阀膜厚度 • 最后将三部分键合到一起
有 机 械 、 光 、 电 、 多 种 主要是电信号 信号
有多种加工工艺
主要是表面加工工艺
加工材料
有多种加工材料
主要是半导体材料
微电子封装成本占总成本30%左右，MEMS封装成本为器件成本80 %左右
微关键系统封装实施技术-基本概 论
影响MEMS器件的环境因素
应力
机械 振动
冲击
气体
化学 湿度
腐蚀
温度
加热膜
硅 硅
双金属热致动阀
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微喷——喷墨打印头
微关键系统封装实施技术-基本概 论
电阻电热式微推进器
Wire
Glue Bonding
pads
Hole for wire bonding
Vapor
Nozzle
Top wafer
Chamber
Internal leads
Heating resistor
• 体微机械加工常用的是利用硅腐蚀的各向异性 制造各种几何机构，再通过键合技术将两部分 硅的微结构结合再一起
微关键系统封装实施技术-基本概 论
体硅加工工艺主要流程
硅园片
腐蚀硅片
淀积光刻胶
去掉光刻胶
刻蚀光刻胶
为了得到质量好的结构，一般采用SiO2或 Si3N4作为掩膜
微关键系统封装实施技术-基本概 论
改变反射方向
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微机电系统（MEMS）与微电子（IC）器件的区别：
几何特性
MEMS器件 三维结构
IC器件 二维结构
物理特性
有 运 动 部 件 （ 存 在 尺 寸 无运动部件 效应，表面效应）
应用材料的效应 体效应器件
面效应器件
环境敏感性
对环境很敏感
对环境不太敏感
信号接口种类 加工工艺
物理 压力
加速度
1.封装和制造引起残余应力 2.外部载荷 3.变形引起应力 4.机械失效
气密性封装
芯片划伤 封装时加载在器件上 的温度过高，压力过 大
MEMS器件受多方面环境因素的影响也是MEMS器件封装之所以多样和 复杂的原因
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微机电系统主要加工工艺
Bulk micromachining
日本：微机械
Micro machine
欧洲：微系统
Micro system
微关键系统封装实施技术-基本概 论
典型MEMS器件介绍：
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微泵 ( Micro Pump)
压电片
容积泵，压电驱动
微关键系统封装实施技术-基本概 论
金属层
体硅工艺
微关键系统封装实施技术-基本概 论
体硅工艺的典型应用
• 微泵：具有两个单向阀，当电压施加到 极板上时，变形膜向上运动，此时泵室 体积增加，压力减小，进水阀打开，液 体流进腔室。断电后，相反。泵的基本 参数：变形膜面积4×4mm2，厚度25微米， 间隙4微米，工作频率1～100Hz，典型值 为25Hz，流量为70mL/min
微关键系统封装实施技术-基本概 论
微机电系统的概念
光 声 压力 传 温度 感 化学 器 其它
信息处理单元
模
数
模
拟
字
拟
ห้องสมุดไป่ตู้
信
信
信
号
号
号
处
处
处
理
理
理
器
器
器
运动
能量 执 行 信息 器 其它
感测量
通讯/接口单元
光/电/磁
微关键系统封装实施技术-基本概 论
控制量
各个国家不同的定义
美国：微型机电系统
MEMS: Micro electro mechanical system
微关键系统封装实施技术-基本概 论
表面硅加工工艺主要流程
硅园片
刻蚀牺牲层
淀积结构层 刻蚀结构层
淀积结构层 刻蚀结构层
淀积牺牲层
微关键系统封装实施技术-基本概 论
释放结构
表面工艺常用材料组合
• 表面加工要求所应用的材料是一组相互匹配的 结构层、牺牲层材料
微关键系统封装实施技术-基本概 论
静电微泵结构
微关键系统封装实施技术-基本概 论
表面硅工艺
• 表面微机械加工以硅片微基体，通过多 层膜淀积和图形加工制备三维微机械结 构。硅片本身不被加工，器件的结构部 分由淀积的薄膜层加工而成，结构和基 体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用 是支持结构层，并形成所需要的形状的 空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中 溶解牺牲层
微机电系统的概念
微机电系统（Micro ElectroMechanical Systems— MEMS）是融合了硅微加工、LIGA（光刻、电铸 和塑铸）和精密机械加工等多种微加工技术，并 应用现代信息技术构成的微型系统。它在微电子 技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技 术。它包括感知外界信息（力、热、光、磁、电、 声等）的传感器和控制对象的执行器，以及进行 信号处理和控制的电路。