楊建生

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

微系統(tǒng)與中規(guī)模器件的封裝技術(shù)設(shè)計(jì)

楊建生

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

文章主要論述了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和微系統(tǒng)諸如微傳感器、驅(qū)動(dòng)器和微流體元件的電機(jī)封裝技術(shù)、封裝等級和封裝技術(shù)相關(guān)的問題。首先陳述并討論了典型的MEMS產(chǎn)品諸如微壓傳感器、加速度計(jì)和微泵；微電子封裝和微系統(tǒng)封裝技術(shù)，重點(diǎn)闡述芯片級封裝技術(shù)和器件級封裝技術(shù)問題。芯片級封裝技術(shù)主要涉及芯片鈍化、芯片隔離和芯片壓焊；器件級封裝技術(shù)主要涉及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、絲焊和元件焊接。接著，論述了微系統(tǒng)封裝工程技術(shù)諸如封裝設(shè)計(jì)、制造、組裝和試驗(yàn)。最后列舉了微系統(tǒng)封裝中的主要問題，包括封裝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法、封裝組裝和試驗(yàn)以及微/中元件的接口等。

電機(jī)封裝；MEMS；微系統(tǒng)；封裝問題；封裝等級

1 引言

近年來微系統(tǒng)工程技術(shù)因其本身發(fā)展迅速和在很多新領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，取得了引人注目的發(fā)展。微系統(tǒng)包括三種主要元件：傳感器、驅(qū)動(dòng)器和信號處理單元。在廣義范圍內(nèi)，微系統(tǒng)包含微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和處理單元以及電機(jī)封裝。

很多MEMS和微系統(tǒng)涉及多種形式的微小薄型梁和隔膜結(jié)構(gòu)元件，各類元件過度的機(jī)械變形或幾何形體改變會嚴(yán)重影響各種器件的性能。因此，這些產(chǎn)品恰當(dāng)?shù)臋C(jī)械設(shè)計(jì)和電機(jī)封裝技術(shù)設(shè)計(jì)將不僅保證產(chǎn)品的預(yù)設(shè)性能，而且也將使產(chǎn)品更具可靠性和在市場中更具競爭力。

電機(jī)封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)產(chǎn)品商品化的關(guān)鍵因素，封裝微壓傳感器的成本范圍占整個(gè)微壓傳感器成本的20%到95%。微電機(jī)傳感器的物理尺寸因其最終的封裝尺寸變小而變小。如果封裝技術(shù)不充分，微型化的大部分優(yōu)點(diǎn)就難以顯現(xiàn)，高成本和大封裝尺寸成為發(fā)揮微系統(tǒng)產(chǎn)品市場潛力的主要障礙。

電機(jī)封裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法論的缺乏是目前微系統(tǒng)封裝技術(shù)不完善的主要原因。其一，機(jī)械工程師參與MEMS工藝技術(shù)研發(fā)較晚，因此微系統(tǒng)產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)常常被忽視，大量研究工作主要集中于制造工藝和在微電子學(xué)中采用的現(xiàn)存各種材料的應(yīng)用。其二，由于微系統(tǒng)和MEMS行業(yè)被認(rèn)為是“高風(fēng)險(xiǎn)、高付出、高回報(bào)”行業(yè)，與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)有關(guān)的大量信息被生產(chǎn)這些產(chǎn)品的公司嚴(yán)加保密。

2 典型的MEMS產(chǎn)品

圖1示出了在典型的微壓傳感器、加速度計(jì)和微泵中的主要元件。圖1（a）測量工作方法媒介的壓力，加壓媒介使粘附于約束基底的薄型隔膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)。隔膜典型狀況下是一種從硅晶圓片上切下來的方塊（芯片），該芯片尺寸變化范圍從幾微米到1mm。隔膜片的上面與加壓媒介不接觸，有通過涂敷P或N型硅片注入的壓敏電阻器。通常在隔膜片的四角附近的中跨距處注入四個(gè)壓敏電阻器，這些壓敏電阻器擔(dān)當(dāng)微型傳感器的作用，把加壓媒介引起的隔膜片中的機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧母淖?。從硅芯片到互連進(jìn)行引線鍵合，把后面的信號傳遞到外部電路。

感知元件由硅芯片、約束基底、傳感器、引線鍵合以及被裝配到由塑料或金屬制成的圓桶狀盒中的互連組成。微型加速度計(jì)由如圖1（b）所示的方法構(gòu)成。在質(zhì)量-彈簧振動(dòng)系統(tǒng)中，懸臂梁或方形隔膜片的功用是作為彈簧，把尺寸大小為幾毫米的芯片，粘附到約束基底，再依次粘附到金屬封殼，接著把封殼粘到加速度測量要求的電機(jī)上。微加速度計(jì)不同的設(shè)計(jì)就是把薄型梁粘到兩端的兩個(gè)系繩上，系繩起著彈簧的作用。通過壓敏電阻或在振動(dòng)梁或隔膜片中注入壓電晶體，把微型加速度計(jì)中振動(dòng)質(zhì)量的振幅和頻率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。或者通過粘附到系繩上再粘到振動(dòng)梁的電極中電容的變化，在微壓傳感器中把這些信號傳遞到外部電路。

圖1（c）示出了微泵通過在泵腔中形成真空壓力使液體流過薄型P或N涂敷硅隔膜閥。真空動(dòng)力由靜電力誘導(dǎo)的薄型硅隔膜上抬產(chǎn)生，此類具有方形幾何狀的微泵，使用芯片尺寸為4mm×4mm×25μm（厚度），恰當(dāng)?shù)某槲δ芤蕾囉谄骷行倔w的受控偏轉(zhuǎn)。

3 微電子學(xué)與微系統(tǒng)封裝技術(shù)

大部分MEMS和微系統(tǒng)工藝技術(shù)起源于微電子學(xué)，微電子學(xué)的大部分微組裝技術(shù)可用于制造微系統(tǒng)元件。微電子學(xué)封裝工藝技術(shù)也能用于微系統(tǒng)封裝，但微系統(tǒng)封裝技術(shù)比微電子封裝復(fù)雜得多。微電子封裝的目的就是提供機(jī)械支持、電連接和對集成電路受到的機(jī)械和環(huán)境諸方面的侵襲進(jìn)行保護(hù)，也涉及到除去由硅芯片上IC產(chǎn)生的過度的熱。微系統(tǒng)封裝的目的，除了完成微電子封裝必須要完成的所有功能之外，還要把裸露的微小管芯或驅(qū)動(dòng)元件直接與工作媒介相連接，這通常要求芯片材料能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境。并且?guī)缀跛械奈⑾到y(tǒng)封裝均涉及復(fù)雜的微小三維（3D）結(jié)構(gòu)，因此，微系統(tǒng)封裝比微電子封裝更具挑戰(zhàn)性。

電子封裝通常可分為四級：第一級為芯片和模塊級，在此封裝中把硅芯片上的集成電路封裝到模塊里；第二級為“卡”級封裝，把各種模塊封裝到功能“卡”上；第三級為“板”級封裝，把各種“卡”裝配到“板”上；第四級為“系統(tǒng)”級封裝，把各種板裝配形成系統(tǒng)。

MEMS封裝技術(shù)可分為三級，即芯片級、器件級和系統(tǒng)級。芯片級封裝技術(shù)涉及到微小易碎的感知和驅(qū)動(dòng)元件的鈍化和隔離，在很多情況下，也包括芯片和引線鍵合技術(shù)，其目的是保護(hù)芯片或其他核心元件避免塑性變形或破裂，保護(hù)系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換電路對部分元件提供必要的電和機(jī)械隔離等；器件封裝級涉及電源、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及互連技術(shù)，包含適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)和處理，該級封裝的最大挑戰(zhàn)是接口問題；系統(tǒng)級封裝技術(shù)把MEMS器件與主要的信號控制電路融于一體，是對芯片和核心元件以及主要的信號處理電路的封裝，以滿足客戶的應(yīng)用要求。

4 芯片級封裝

芯片級封裝技術(shù)主要任務(wù)為：芯片鈍化、芯片隔離和芯片壓焊。

4.1 芯片鈍化

微系統(tǒng)中的芯片通常需要與惡劣的工作媒介直接接觸，因此為了確保器件的長期功效，對這些微小易損的芯片的恰當(dāng)保護(hù)是非常關(guān)鍵的。有幾種方法可保護(hù)芯片免受有毒的媒介物的影響。

（1）在裸露的芯片表面上淀積一薄層有機(jī)材料，諸如聚對亞苯基二甲基，進(jìn)行低壓化學(xué)汽相淀積（LPCVD），按照2μm或3μm厚度的次序可完成這些薄層的淀積。這種形式鈍化的副作用，就是對精確的感知或驅(qū)動(dòng)功能來說增加層會使芯片變得太硬。

（2）用軟材料諸如圖2所示的硅膠涂敷芯片表面，硅膠隨時(shí)間變硬是芯片鈍化的主要問題。

（3）采用如圖3所示的埋置型覆蓋，覆蓋材料如塑料可應(yīng)用于有必需通道的芯片上，引線鍵合通過激光融除打通。

（4）通過表面鈍化，圖4示出了通過表面微機(jī)電技術(shù)保護(hù)芯片的有效方法。薄層的普通犧牲層材料諸如磷硅酸鹽玻璃（PSG）或二氧化硅首先淀積到芯片表面上，接著淀積別的材料諸如多晶硅，然后再蝕刻保護(hù)材料，在芯片和用于粘附的保護(hù)多晶硅之間留個(gè)空腔，諸如傳感器和引線鍵合之間，LPCVD是用于淀積的常用工藝。

4.2 芯片隔離

芯片是圖1所示的微器件的關(guān)鍵部分。引入這些芯片發(fā)生形變及產(chǎn)生的應(yīng)力，免受由別的因素導(dǎo)致的干擾，例如壓力傳感器隔膜片中理想的應(yīng)力應(yīng)為通過增壓媒介產(chǎn)生的應(yīng)力，而不是由別的因素諸如芯片與約束基底之間熱膨脹系數(shù)不匹配等。同樣，通過微加速度計(jì)測量加速或減速時(shí)，該器件應(yīng)設(shè)計(jì)為免受所有諸如加速度計(jì)自身的共鳴振動(dòng)或熱效應(yīng)對元器件的影響。

芯片隔離可通過有最佳幾何形狀以及具有適當(dāng)芯片粘附的機(jī)械設(shè)計(jì)來得到。例如，圖1（c）所示的硅芯片彎曲中更多的彎曲，可通過增大如圖5所示的芯片高度而獲得，以便更好地調(diào)節(jié)芯片與基底之間熱膨脹系數(shù)的差異。對芯片而言，通過引入如圖5所示的一個(gè)熱片，也是通常提供額外柔性的方法。粘片采用軟材料諸如硅樹脂橡膠，也可提高芯片隔離狀況。

4.3 芯片壓焊

把芯片壓焊到約束基底有很多種方法，陽極壓焊是焊接硅和玻璃晶片的普通方法，此工藝要求在溫度為450℃～900℃狀況下，把高達(dá)1 000V的直流電壓應(yīng)用于雙層材料。使用此工藝把硅芯片壓焊到玻璃基底，既可靠又密封。把低共熔合金（Sn60Pb40）應(yīng)用于芯片壓焊，此工藝要求首先把壓焊表面用厚度為不到1μm的貴金屬電鍍，雖然低共熔壓焊結(jié)果既可靠又密封，但是在部分應(yīng)用中證明對芯片隔離太硬。芯片壓焊的另一種材料是環(huán)氧樹脂，此方法對芯片隔離提供更多柔性，但環(huán)氧樹脂具有嚴(yán)重的老化問題，并且易受濕度和化學(xué)侵襲影響。最好的芯片隔離壓焊材料為硅樹脂橡膠，它提供熔接密封，缺點(diǎn)是沒有抗拉強(qiáng)度。

5 器件級封裝

器件級封裝主要包括：信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、引線鍵合和元件焊接。

5.1 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和信號傳輸是微器件的關(guān)鍵部分，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的選擇、制造和控制要求在器件生產(chǎn)前進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)，圖6示出了適用于微系統(tǒng)的各種轉(zhuǎn)導(dǎo)體系。恰當(dāng)?shù)碾姌螂娐分T如惠斯頓電路橋要求信號轉(zhuǎn)換和信號調(diào)節(jié)，由感知材料的化學(xué)磁滯或諸如溫度和濕度造成的環(huán)境影響而導(dǎo)致的各種誤差，通常需要輔助電路進(jìn)行補(bǔ)償。

5.2 引線鍵合

芯片中由傳感器生成的各種信號需要與如圖1（a）和（b）所示的互連連接，采用傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)可達(dá)到此目的，對微電子學(xué)而言，包括諸如熱壓縮、超聲波和熱超聲壓焊技術(shù)。

5.3 元件焊接

在微器件中連接各種元件沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，適合的技術(shù)包括：采用環(huán)氧樹脂和膠粘劑的粘附，在高溫狀況下諸如硅材料的熱融合壓焊，在微電子學(xué)中通常采用的物理和化學(xué)汽相淀積技術(shù)。在使封裝堅(jiān)固使用的金屬套管連接各種小部件中采用錫焊及焊接技術(shù)。

6 微系統(tǒng)封裝工程

微系統(tǒng)封裝技術(shù)四個(gè)主要的工程技術(shù)：封裝設(shè)計(jì)、制造、裝配和測試技術(shù)。

6.1 封裝設(shè)計(jì)

微系統(tǒng)的工程技術(shù)設(shè)計(jì)在很多方面不同于傳統(tǒng)的機(jī)器設(shè)計(jì)，它要求把電機(jī)、機(jī)械材料、機(jī)械制造工藝（物理和化學(xué)）的原理和理論以及制造能力和組裝的設(shè)計(jì)融合起來?？煽壳夜?jié)省成本的微系統(tǒng)封裝的設(shè)計(jì)要求應(yīng)用所有以前提到的工藝技術(shù)原理。重要的封裝設(shè)計(jì)包括：制造技術(shù)、系統(tǒng)裝配、電通路、芯片及引線鍵合的成本，環(huán)境影響是封裝設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。最佳的材料選擇對封裝總成本具有重要作用。涉及封裝技術(shù)設(shè)計(jì)分析的復(fù)雜的幾何形體和負(fù)載及接口條件，已形成僅用于此目的的實(shí)用工具——有限元法（FEM）。

6.2 封裝制造

前面陳述的芯片鈍化及隔離技術(shù)已得到業(yè)界的研究和推廣應(yīng)用，封裝中各種元件的焊接仍然是一個(gè)主要的難題。

6.3 封裝組裝

對封裝工程師而言，把微小尺寸元件進(jìn)行封裝組裝是極具挑戰(zhàn)性的，為了實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，已研發(fā)出微規(guī)模元件自組裝的幾種技術(shù)。然而，這些技術(shù)還處于研發(fā)的早期階段，僅限于組裝微元件的簡單幾何體的配制。把微型及中規(guī)模元件組裝到集成系統(tǒng)還需要適當(dāng)?shù)墓ば蚝凸ぞ?，需更進(jìn)一步進(jìn)行探討。

6.4 性能試驗(yàn)

依據(jù)器件功能，微系統(tǒng)封裝測試技術(shù)涉及對工作媒介電、光、磁泄露的密封試驗(yàn)，在應(yīng)用范圍內(nèi)也需要對封裝功能可靠性及牢固性進(jìn)行測試。

7 微系統(tǒng)封裝技術(shù)中的主要問題

近年來MEMS及微系統(tǒng)的商業(yè)化已得到了快速發(fā)展，產(chǎn)品封裝技術(shù)的突出問題受到業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)的高度重視。

7.1 封裝技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與方法

微型/中規(guī)模器件業(yè)是增長最快的行業(yè)，除了汽車行業(yè)使用的一些類型的壓力和慣性傳感器之外，大多數(shù)MEMS和微系統(tǒng)產(chǎn)品構(gòu)建于批量生產(chǎn)。標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法實(shí)際上還未制定，然而，如果業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)能夠合作共同研究幾套在通用微器件諸如傳感器、驅(qū)動(dòng)器和微流體裝置基本元件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將是很有幫助的。一個(gè)急待解決的問題就是裝配微器件的幾何偏差，做好這些產(chǎn)品制造和封裝材料的標(biāo)準(zhǔn)化將對業(yè)界極具價(jià)值。存在需要加強(qiáng)研究的領(lǐng)域，“薄膜結(jié)構(gòu)”包括在有限元法中使用的薄膜材料的構(gòu)成關(guān)系，以及微結(jié)構(gòu)的別的強(qiáng)度分析。處理極復(fù)雜的有內(nèi)在影響的問題的方法和公差，是從元器件中需要研究的微型制造工藝推斷出來的。另一領(lǐng)域是微器件的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，涉及傳感器選擇、信號傳輸速度、信號調(diào)節(jié)及處理的諸多問題需要解決。

7.2 封裝組裝

壓焊是微系統(tǒng)組裝的關(guān)鍵問題，需研究可靠的“微型焊接”技術(shù)，免受殘余物的影響，在本文中論述的目前的壓焊理論有嚴(yán)重缺陷，引線鍵合技術(shù)是需要進(jìn)一步研討的領(lǐng)域。從圖1可具體地看出，引線鍵合在封裝中占去了太多的空間，選擇的絲焊技術(shù)將重點(diǎn)促成封裝的微型化。諸如微組裝機(jī)器人工具需要進(jìn)行研發(fā)以適應(yīng)微/中型封裝技術(shù)組裝，這些工具必須足夠智能化以便應(yīng)對封裝中微型元器件?？紤]研發(fā)適應(yīng)智能化的微末端控制器作為通向微機(jī)器人的中間步驟。

7.3 測試

設(shè)計(jì)微器件以便實(shí)現(xiàn)具有精度和靈敏度的功能，在要求幾乎沒有誤差的系統(tǒng)諸如航空航天、汽車安全和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域常常使用這些微器件。性能測試方面對產(chǎn)品的可靠性和堅(jiān)固性的測試是非常關(guān)鍵的，與此有關(guān)的問題為：用于特定器件及應(yīng)用的測試程序和用于測試的恰當(dāng)?shù)牟呗耘c方法。為了解決這兩方面的問題，需要做大量的研討工作。

7.4 微/中型元器件接口

目前把微型芯片封裝到相同規(guī)模的器件中是不可想象的，微器件如果不是厘米級，將可能是毫米級的中規(guī)模器件，尺寸有重大區(qū)別的元器件的接口在制造和組裝中呈現(xiàn)很多問題。因此制造和組裝中接口的現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)方法成為重要的研究領(lǐng)域。

8 結(jié)論

采用與微/中規(guī)模元器件有效集成的封裝技術(shù)已成為MEMS和微系統(tǒng)工藝技術(shù)的關(guān)鍵問題，也是產(chǎn)品微型化的重要因素。本文概括了MEMS及微系統(tǒng)的電機(jī)封裝技術(shù)，并論述了與該封裝技術(shù)相關(guān)的問題。

21世紀(jì)面臨的一些問題日益受到MEMS市場的影響。例如，MEMS傳感器正在用于能源領(lǐng)域，幫助尋找和開發(fā)新的能源。地震檢波器用于勘探石油和天然氣，慣性傳感器用于隨鉆測量，通過改善工業(yè)流程、高效住宅取暖和精確計(jì)費(fèi)系統(tǒng)來充分利用當(dāng)前的能源。MEMS也在幫助解決其他社會問題，如老齡化和肥胖，還可以提供針對老人的侵入性較小的監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)成本適當(dāng)?shù)摹⑦B續(xù)性的診斷，以更好和更舒適地給藥。MEMS已進(jìn)入我們的生活，從技術(shù)、醫(yī)藥到健康無所不在，基于MEMS封裝技術(shù)的產(chǎn)品應(yīng)用前景廣闊。

［1］T. R. Hsu. Design, Manufacturing and Packaging of Microsystems. Boston, MA, McGraw, Hill, 2001.

［2］張海霞，趙小林，等譯.微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與加工[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2009，4.

［3］田文超. 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）原理、設(shè)計(jì)和分析[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2009，5.

［4］肯.吉列奧. 中國電子學(xué)會電子封裝專委會（譯）.MEMS/MOEMS封裝技術(shù)：概念、設(shè)計(jì)、材料與工藝[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社，2008，1.

Packaging Design of Microsystems and Meso-scale Devices

YANG Jian-sheng
（Tianshui Huatian Technology Co., Ltd., Tianshui741000,China）

This paper will present an overview on electromechanical packaging of microelectromechanical systems （MEMS) and Microsystems such as microsensors, actuators, and fluidics. Technical problems, packaging levels and major issues related to packaging design will also be presented and discussed. Technical problems and packaging levels mainly include die level packaging and device level packaging. Die passivation, die isolation and die bonding are stated in die level packaging, signal transduction, wire bonding and component bonding are discussed in device level packaging. Moreover, the major issues such as packaging design standards and methodology, package assembly, testing, and interface of Micro/Mesocomponents are finally explained in the article.

electromechanical packaging; MEMS; microsystems; packaging issues; packaging levels

TN305.94

A

1681-1070（2011）05-0005-05

2011-03-29

楊建生（1964—），男，甘肅秦安人，本科，現(xiàn)為天水華天科技股份有限公司工程師，主要從事半導(dǎo)體集成電路科技情報(bào)信息工作和項(xiàng)目管理工作。

封裝、組裝與測試