王倫波，張政林

（無錫華潤(rùn)安盛科技有限公司，江蘇 無錫214028）

1 引言

隨著信息技術(shù)的日益發(fā)達(dá)，物聯(lián)網(wǎng)將廣泛應(yīng)用于智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、個(gè)人健康、平安家居等諸多領(lǐng)域。而物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)則融合了傳感器技術(shù)、RFID（射頻識(shí)別）、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)等多種技術(shù)。其中傳感器技術(shù)是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

MEMS傳感器是一種采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)必須通過新型封裝技術(shù)的開發(fā)才能實(shí)現(xiàn)。

與其他電子產(chǎn)品相比，便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品需求較為特殊。隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，人的健康意識(shí)、健康需求以及醫(yī)療支付能力正不斷提高，在個(gè)體需求上，經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的轉(zhuǎn)好對(duì)人們的醫(yī)療保健需求將產(chǎn)生影響，這也使得便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品特別是家用便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品市場(chǎng)繼續(xù)穩(wěn)步擴(kuò)大，如電子血壓計(jì)等。而對(duì)于醫(yī)用便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品，由于政府已經(jīng)成為這類產(chǎn)品的購(gòu)買主力，在我國(guó)民生以及社會(huì)保障體系建設(shè)力度逐步加大的推動(dòng)下，該類市場(chǎng)的增長(zhǎng)也取得進(jìn)一步突破。

2 電子血壓計(jì)用MEMS傳感器封裝技術(shù)

2.1 MEMS傳感器特殊封裝結(jié)構(gòu)

眾所周知，集成電路封裝是采用帶有IC功能的硅芯片，通過金絲鍵合、塑封等一系列工序，形成一個(gè)具有完整電路功能的集成電路。在這里，硅芯片是厚度均勻、內(nèi)部沒有空腔的剛體。而MEMS傳感器芯片內(nèi)部有一個(gè)空的腔體。在血壓計(jì)實(shí)際應(yīng)用中由于需要感知脈搏的壓力，封裝體內(nèi)部要和外界溝通，以便讓壓力信號(hào)通過芯片表面薄膜電阻轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，見圖1。因此這種產(chǎn)品的封裝形式跟傳統(tǒng)IC封裝有很大的不同，必須采用特殊的封裝結(jié)構(gòu)，見圖2。

2.2 MEMS傳感器特殊封裝工藝流程

與傳統(tǒng)的IC封裝一樣，MEMS圓片也要經(jīng)過背面減薄、劃片分割過程。但減薄的目的不僅僅是控制芯片的厚度，同時(shí)也起到控制芯片內(nèi)腔口徑的作用。

在裝片之前，需要預(yù)塑封好的引線框架，以備裝片、鍵合使用。這里的引線框架由于經(jīng)過預(yù)塑封，對(duì)引線指端金屬表面狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一些影響。因此要經(jīng)過清潔處理。

裝片工序是MEMS傳感器特殊封裝過程的中心環(huán)節(jié)。在這里通過對(duì)芯片四周的點(diǎn)膠形成芯片到封裝件外接氣嘴的密封管道。是否漏氣成為封裝產(chǎn)品的重要技術(shù)指標(biāo)。

鍵合采用金絲將芯片PAD和外引線連接，形成電信號(hào)通路。最后點(diǎn)膠封蓋給芯片一個(gè)機(jī)械保護(hù)和工作氣氛。整個(gè)封裝主要工藝流程為：

MEMS芯片接收→接收檢查→磨片→貼膜→劃片→塑封→清洗→裝MEMS芯片→鍵合→點(diǎn)膠→烘干固化→加膠封蓋→切筋→檢驗(yàn)→出廠→客戶成測(cè)

2.3 MEMS傳感器特殊封裝關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 MEMS傳感器芯片減薄及劃片技術(shù)

由于MEMS傳感器芯片上的壓力感應(yīng)電阻做在芯片表面薄膜上，薄膜下面是空腔，在圓片貼膜、卸膜及劃片分割的過程中，防止芯片上表面二十幾微米的薄膜發(fā)生破裂，是保證封裝產(chǎn)品可靠性的重要環(huán)節(jié)，見圖3。

通常，薄膜破裂常常和以下一些因素有關(guān)：

（1）圓片貼膜及施加的壓力；

（2）圓片卸膜操作方法；

（3）劃片沖洗過程中水的壓力；

（4）適合工藝操作的膜的材料等。

另外，劃片中的芯片碎裂也是工藝中要注意防止的。對(duì)設(shè)備、刀片、工藝參數(shù)等都要進(jìn)行優(yōu)選，見圖4。

2.3.2 密封式裝片技術(shù)

通過對(duì)芯片四周的點(diǎn)膠形成芯片到封裝件外接氣嘴的密封管道。密封性如何，不產(chǎn)生漏氣是至關(guān)重要的，見圖5。

通常，密封式裝片產(chǎn)生漏氣與密封膠材料的選擇、應(yīng)選擇硅膠、膠的粘度、強(qiáng)度、流動(dòng)性、工藝的可操作性等因素有關(guān)。圖6為硅膠不同溫度條件下產(chǎn)品受壓狀態(tài)測(cè)試結(jié)果。

將產(chǎn)品置于恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)KTHA-515TBS中，在-20℃、0℃、25℃、50℃、25℃、0℃、-20℃七個(gè)溫度點(diǎn)，每個(gè)溫度點(diǎn)包括升溫降溫時(shí)間共7h，最終保持恒溫時(shí)間至少1h，取其中20個(gè)點(diǎn)求平均值。常壓下不同溫度條件下的產(chǎn)品輸出參數(shù)結(jié)果一致性很好。

關(guān)于機(jī)器和工藝參數(shù)的選擇，合適的工藝參數(shù)也是保證產(chǎn)品氣密性的關(guān)鍵因素，見圖7。

2.3.3 畫膠與密封式裝片工藝方法

首先要將硅膠雙組分及稀釋劑配好，保證膠有良好的流出和合適的流動(dòng)性，畫出的膠形有合適的高度。以便芯片放置后形成理想的厚膜膠層，見圖8。

由于傳感器芯片中間有腔體，選擇裝片頂針就顯得十分重要，選擇單頂針或多頂針應(yīng)根據(jù)芯片腔口的大小來決定，見圖9。

2.3.4 引線鍵合

經(jīng)預(yù)塑封的引線框架鍵合面和傳統(tǒng)IC封裝的引線框架鍵合面表面狀態(tài)有很大不同。預(yù)塑封框架在塑封過程中會(huì)受到塑封樹脂的沾污，嚴(yán)重影響鍵合強(qiáng)度和產(chǎn)品的可靠性。因此，在預(yù)塑封后還必須對(duì)框架進(jìn)行一次清潔處理或采用特殊方法在框架鍵合面上形成擋料環(huán)，防止對(duì)鍵合面的污染，見圖10。

3 總結(jié)

通過以上工藝技術(shù)，MEMS傳感器特殊封裝產(chǎn)品經(jīng)隨機(jī)振動(dòng)強(qiáng)化試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、高低溫沖擊試驗(yàn)、高溫高濕強(qiáng)化試驗(yàn)，每組45只產(chǎn)品無一失效。

用于電子血壓計(jì)的MEMS傳感器芯片，由于其結(jié)構(gòu)的特殊和應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，必須采用特殊的電子封裝方式，其封裝工藝技術(shù)有別于傳統(tǒng)IC封裝工藝技術(shù)，但部分流程仍然可以和傳統(tǒng)IC塑料封裝很好地兼容，充分利用在線基礎(chǔ)設(shè)備。開發(fā)醫(yī)用MEMS傳感器特殊封裝技術(shù)，對(duì)降低MEMS傳感器制造成本、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域、推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展有著現(xiàn)實(shí)意義。