MEMS封装技术的发展与应用

MEMS封装技术的发展与应用
一、MEMS技术的发展状况
1.1 MEMS概述
MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。

它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。

MEMS技术是以微电子、微机械和材料科学科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置的一门学科。

MEMS器件与传感器集成技术经过十几年的发展，目前已相当成熟。

但是封装的制造成本目前仍是制约MEMS产品市场进一步扩大的关键因素。

MEMS器件由于其应用环境的复杂而和很难与一般的封装方法相适应。

通常，MEMS 器件的封装应满足下列要求：
1）封装应对传感器芯片提供一个或多个环境接口
2）封装对传感器芯片，尤其是那些对应力特别敏感的传感器带来的应力要尽可能小3）封装与封装材料不应对应用环境造成不良影响
4）封装应保护传感器及电子器件免遭不利环境的影响
5）封装必须提供与外界的通道，可通过电接触或无线的方法
通常情况下，可将各种封装方法分为三类：晶片级封装方法、单芯片封装和多芯片模块与微系统封装。

1.2 封装技术现状
1.2.1 晶片级封装
过去十几年中晶片贴合技术备受关注，国外已经开发了多种硅-硅、玻璃-硅和玻璃-玻璃贴合方法。

早期的硅-硅贴合方法只能用于较高的温度，最近几年不断有低温方法出现，目前已可在120~400℃下实现牢固而可靠的贴合。

因此可采用双极和CMOS工艺完成。

玻璃-硅贴合通常采用阳极氧化。

当只有一层玻璃介质层时可采用30~60V的低电压。

当使用含碱量低的低熔点玻璃时，可用融化玻璃的方法实现镜片贴合，并完全与CMOS工艺兼容，如果在实际贴合之前用热处理的方法去除玻璃种的气泡，就可形成密封性能极好的高真空腔。

晶片-晶片贴合的其他选择还包括采用粘结剂和易熔方法等。

贴合期间在接触点上施加压力还可实现晶片之间的电互连。

另一种晶片级封装的方法是在一排生化传感器上制作一些微型Si3N4帽，用于保护化学传感器的寿命界面，从而达到延长传感器寿命的目的。

还可以在晶片上制作流量敏感器和微泵的进出通道。

可用晶片金属化技术通过服饰空实现晶片有源面与背面的连接。

采用这种方法可使背面接触很容易地与有源面隔离开，芯片很容易的安装到任何载体上或任何屏蔽中，而不会妨碍进出通道。

1.2.2 单芯片封装
通常用于传感器件和电子芯片在一块芯片上合成的班上芯片方法。

其具体工艺步骤是：首先在板上完成芯片贴合，用引线键合实现连接，最后在器件上涂一层塑料化合物，传感器/制动器的有源程序区除外，应用区被限制在相对安全的环境中。

对普通环境下的低成本应用而言，MEMS器件采用塑料封装技术是一种较好的选择，已开发出许多方法用于传感器和制动器的转移模封装，同时保留至有源器件区的进出通路。

尽管塑料封装不能应用于侵蚀性环境，但预计大多数传感器都将应用于相对良好的条件下，因此塑料封装是一种较好的选择。

在不能采用普通低成本封装方法的情况下，仍将继续采用在专用管壳中直接安装裸芯片的方法。

1.2.3多芯片模块与微系统
目前，由于各种应用都需将电子元件与传感器或制动器等MEMS器件集成在一个小型模块或位系统中，这就对专用封装技术提出了新的挑战。

通常，采用一种技术不能达到传感器（制动器）与电子器件集成的目的，从经济的观点看，在一块芯片上合成也是不可取的，在这类情况下就需要小型多芯片模块。

工作环境的不同对封装技术的要求也不同，因此采用的封装方法也有所不同。

如果侧重多芯片集成就可采用较通用的方法，如果侧重应用就要采用专用方法。

目前有三种比较通用的方法用于低成本微系统封装。

第一种方法是将现有的商用预成型塑料有引线芯片载体（PLCC）封装垂直叠加起来，用于连接所有的PLCC引线。

最后用激光束蒸发金，将要用的连接隔离开。

第二种方法是采用一个装有电子器件的平台芯片，用引线键合或倒装芯片技术将传感器/制动器芯片安装起来。

该平台连接母线、功率处理和微控制器的作用。

最后可采用单芯片封装的方法完成封装的全过程。

第三种方法是在玻璃衬底上凹槽中安装裸芯片。

先在表面上贴一层介质箔，在键合通路商开出窗口，然后淀积互连线，最后将窗口开至有源传感器的制动器区。

这种方法的不足是，其窗口时采用激光烧蚀制成的，因此制作成本较高，而且在介质箔键合器件很容易对微机械机构造成损伤，因此随着其他高性能、低制作成本技术的不断出现，将来会逐步淘汰这一方法。

1.3 MEMS的测试方法
1.3.1 微机械测量
对MEMS的机械运动参数如位移、速度、振幅、频率等进行精确测量已成为MEMS发展的迫切要求。

目前采用的微机械测量方法主要有电测法和光测法。

电测法具有简单实用、稳定性好、信号分析处理容易等特点，包括压阻测试法、电容测试法、电感测试法、压电测试法等在内的电测法在微机械测量中占有重要地位，具体应用例子有：国内研制的一种硅微机械粘滞型谐振真空计，使用了制作在悬臂梁根部的横向压阻器件实现单晶硅制作的悬臂梁的振动信号机电转换；在研究微角速度传感器在不同气压下的振动特性时，采用电容检测技术测量微机械角速度传感器的振动信号等。

微机械的特征尺寸一般为毫米甚至亚微米远小于宏观机械，微机械的动态特性很容易被测量过程干扰，光电测试法由于是非接触测量，同时又具有分辨率好、精度高的特点，目前已成为微机械检测领域的研究特点，一些列应用光电检测方法的MEMS动态参数检测仪器，如激光多普勒测振仪、频闪显微干涉系统、计算机微视觉系统、光纤迈克尔逊干涉仪等已投入实际应用。

1.3.2 微几何量检测方法
微几何量测量主要是针对MEMS的微小构件的三维尺寸、三维形貌的精密测量。

如何界定MEMS尺寸范围目前没有统一的认识，一般认为范围在亚微米到10mm之间。

微几何量测量具有以下特点：测量力引起的误差较大；定位误差往往较大；温度引起的误差较大；被测件轮廓影像易受异物的影响；衍射效应的影响大。

目前，光切法、干涉法、共焦显微干涉法等非接触测量方法已经成为对微小构件几何量精密测量的主要方法，其中，将计算机视觉技术与光学显微技术相结合的微视觉测量方法越来越受到重视。

1.3.4 微材料特性检测
MEMS器件的组成材料特性是影响MEMS可靠性、稳定性的重要因素，由于加工工艺、结构尺寸不同，即使是同样的材料也会表现出不同的材料特性，因此对MEMS器件组成材料特性进行检测具有重要意义。

目前在MEMS设计、制造中比较常见的材料特性包括测量材料的断裂模数、弹性模量、应力应变、微摩擦特性等。

常用的方法有：用静态梁弯曲实验测量材料的力学特性；用固有频率法测量微型梁的杨氏模量；应变/位移干涉测量仪的干涉测量法、微摩擦测量方法等。

二、MEMS技术的应用需求
鉴于MEMS器件具有体积小、质量轻、功耗低、可批量生产并与微型推进器相兼容的优势，在一些空间应用领域其可实现常规飞行器和卫星上许多部件的微型化与轻量化。

同时，因具有冗余设计而提高了飞行可靠性。

这些优势使其在智能化小型卫星、微型卫星、纳型微型和皮型微型领域有着广泛的应用前景。

它们主要致力于数十个、上百个或上千个纳米级或皮型同类卫星协同工作，在太空可组成卫星星座，编队飞行，完成如空间硬件的构建、导航、侦察、监视和通信等任务，也可以执行反导和星际作战任务，例如著名的美国NASA与欧洲航天局的激光干涉空间天线（LISA）项目将使用基于MEMS的微推进器，计划于2019年执行太空飞行任务。

目前航天领域广泛应用的国外MEMS器件及其技术成熟度如表1。

如表1所示MEMS加速计、陀螺仪和其他专用惯性器件在保证宇航员安全和太空船导航系统在轨运行方面发挥作用已有十多年。

MEMS晶振是NASA用于太空勘测的最新MEMS器件。

与MEMS晶振类似，MEMS惯性器件的最大优点在于它们具有良好的抗震性以及很小的SW AP（尺寸、质量和功率的简称）。

目前，SiTime公司已经可以生产频率高达125MHz 的MEMS晶振，是普通石英晶振体积的1/2，而且正在开发在同一裸片上集成多个MEMS 谐振器的芯片，以形成实现NASA超微型软件定义无线电所需的RF滤波器组件。

它可在-100~+100℃正常工作，适合太空勘测任务。

表1 航天用MEMS器件及其技术成熟度
MEMS器件名称执行飞行任务预计技术成熟度惯性导航（加速度计、陀螺仪）为NASA执行常规飞行高级压力传感器为运载火箭执行常规飞行高级磁力仪在立方体卫星上飞行高级原子力显微镜2008年执行NASA的“凤凰”任务中高级
太阳传感器2008年执行Delfi 3C任务中高级
微型流体控制器执行NASA的GeneSat卫星任务中极
测辐射热计2009年执行欧航局的Planck任务中级
光学开关未执行过太空任务中级
推进器（离子、冷气、胶体和
固态推进剂）
2006执行NASA空间技术5的任务中级热控制器2006年执行NASA空间技术5的任务中级
射频开关和可变电容器2000年应用于绕轨皮卫星自动发射器
（OPAL）
中低级
MEMS振荡器未执行过太空飞行任务中低级此外，在轨飞行的还有一些纳型和皮型飞行，如绕轨皮卫星自动发射器于2000年发射升空，其内含两个皮型卫星。

每个皮型卫星上装有Rockwell公司MEMS射频开关。

当OPAL 进入轨道，就把一对皮型卫星释放到低地球轨道，每颗卫星的质量小于230g，尺寸为10.2cm X 7.6cm X 2.5cm，彼此通过30cm长的细绳连接（细绳中加入几股细金属丝），以便地面雷达跟踪。

这对皮型卫星由美国宇航公司研制。

其目的是观测MEMS器件在经受太空环境后如何工作，当皮型卫星在低轨道运行一年，回收后仍可正常工作。

三、MEMS技术的发展趋势
3.1 晶片级封装
保护涂层、晶片键合、晶片电镀及其他晶片级工艺最近不断取得新的进展，这些进步极大地促进了全晶片级封装概念的形成。

因此，国外有许多机构和公司都在从事该技术的研究，然而微系统全晶片封装方法并不像标准的电子封装那么简单和直接，通常要取决于许多因素，如贴合点上焊点的生长和淀积，随后在印制电路板上安装的倒装芯片及模压混合物的表面精饰等。

目前国外已开发出尤其适合多引线数电子电路应用的各种芯片尺寸的封装技术，如管壳封装和微型球栅阵列封装等。

大多数传感器和制动器件不能使用标准的倒装芯片技术，因为它们对封装技术的要求较高。

最重要的要求包括：
（1）许多传感器和制动器需要直接和敞开的进出通路与环境相通。

在印制电路板或其他载体上采用面向下的安装方式，如倒装芯片技术等都会挡住进出通路。

因此常用背面接触来解决这一问题；
（2）这些器件通常应用于侵蚀性（化学、生物、医学、物理等）环境，这就意味着，
为了防止退化，在最终应用中需要对背面接触进行特殊的保护处理
（3）传感器和制动器芯片全晶片封装所需的额外的工艺步骤及相应的成本要比电子芯片晶片级封装的成本高出许多。

因此目前这一技术还很难与独立封装方法竞争（4）即使晶片级封装技术具有一定的竞争优势，也仍有许多因素限制它的实际应用。

尽管如此，全晶片级封装仍将是传感器和制动器等MEMS器件封装用的一种重要技术，且前景看好，因为采用该技术制作出的元件较小，并可满足如进出通路、保护和电接触等方面的所有基本要求。

此外该技术易操作，并可应用于许多不同领域。

但它目前离低成本、高灵活性和高性能的工艺要求仍有较大差距。

3.2 单芯片封装
单个传感器/制动器芯片封装可采用不同的方法。

当应用对封装没有额外的要求和限制时可采用一下比较通用的方法：
（1）板上芯片方法：采用这种方法时，先将芯片安装到PCB或其他载体上，随后精确分布保护材料，当有敞开的进出通路通向有源芯片区时可使键合引线与芯片得到充分保。

由于这一技术沿用了标准的电子封装方法，因此是一项比较成熟且成本较低的技术。

（2）预成型封装，如金属、陶瓷、玻璃和（预模压）塑料封装等技术是普遍采用的封装技术。

这种方法的普及主要得益于它的简便和易操作等特点。

它允许使用标准的芯片贴合和引线键合工艺。

尽管如此，预成型封装的制作成本仍教较高，因而限制了它在大规模、低成本传感器制作中的广泛应用。

对低成本应用而言传感器采用塑料封装技术是一个较高的选择。

例如在医学应用中，传感器通常是使用一次以后就要扔掉。

对机械应力较敏感的器件，采用塑料封装的作用不太明显，这是封装材料之间的热膨胀系数不匹配造成的。

在专用封装中直接安装裸芯片的方法仍将在那些不能采用通用低成本方法的领域中得到广泛应用。

3.3 多芯片模块与微系统
多芯片模块常用的低成本方法可在许多相对安全的环境中广泛使用。

侵蚀性环境如生物-医学移植器件应用似乎更青睐于玻璃封装的方法，因为玻璃封装具有良好的密封性能、生物兼容性和绝缘性，允许在无线通讯中使用天线，但至今这种封装只用于特殊器件，因此必须开发出更通用、成本更低的方法用于生物医学领域。

四、总结
MEMS以及MOEMS、NEMS的研发为新的技术革命提供了大量机遇。

不同的MEMS 要求具体相应的封装结构，封装技术的特异性高，引发出大量的封装问题亟待解决。

据国外权威统计公司SPC的统计，国内MEMS的研究处于世界前八位，可批量生产MEMS力敏传感器，研制成功MEMS光开关、RF-MEMS开关、微流体系统等多种原理样品，从总体水平上看，与国外的差距主要体现在产业技术化上。

选择一些应用量大、面广的MEMS及其封装作为发展的市场切入点，形成产业，满足市场需求，为发展其他MEMS打下基础，
摸索出规律，这样就成功了一半，没有一项MEMS的研发会漠视封装技术。

从国外发展趋势看，MEMS的封装类别一般都沿用已经标准化的IC封装结构形式，或者加以改进来适应MEMS要求，力争采用更多的现有IC封装架构实现MEMS的封装。

采用新型封装结构及其技术，建立MEMS封装单元库，注重成本的新封装结构与MEMS研发之间的进一步整合，成为另一个发展趋势。

在MEMS问题上，若将其封装展开充分的探讨，则各有各的方式，市场角逐要选择对路产品，在市场引导下组建起MEMS的完整产业链是值得期待的。

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