袁明權(quán)，孫遠(yuǎn)程，張茜梅，武 蕊，屈明山，熊艷麗

（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽 621900）

0 引言

同大多數(shù)MEMS器件實現(xiàn)從實驗室階段向產(chǎn)業(yè)化過渡所面臨的問題一樣，高gn值壓阻式微加速度計在技術(shù)上主要的障礙之一就是封裝［1～3］。

盡管目前MEMS產(chǎn)品越來越多，發(fā)展越來越快，但是“封裝”問題并沒有得到研究機(jī)構(gòu)足夠的重視，致使大量的產(chǎn)品構(gòu)想陷入了困境，甚至失敗，都是因為沒有找到有效且合適的封裝方法。現(xiàn)今大多數(shù)MEMS產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，封裝往往是最昂貴的部分。封裝的發(fā)展和應(yīng)用將決定一個MEMS 產(chǎn)品的成?。?～6］。

高gn值壓阻式微加速度計中既有傳統(tǒng)IC中常見的元素—電阻，又有力學(xué)傳感器常見的梁、質(zhì)量塊等可動結(jié)構(gòu)［7，8］。因此，同傳統(tǒng)IC封裝相比，高gn值壓阻式微加速度計的封裝除滿足引線連接、隔離外部環(huán)境以避免外界氣氛對其腐蝕或破壞外，更重要的作用還包括讓外界信號能夠更真實地傳遞到敏感芯片上［9］，并提高傳感器的抗沖擊能力，能夠在惡劣的侵徹過程中具有良好性能等。因此，探索有效且合適的封裝成為高gn值壓阻式微加速度計走向應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。

1 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

1．1 封裝需要考慮的關(guān)鍵因素

對于高gn值壓阻式微加速度計敏感芯片來說，密封性、小型化和批量化是重點考慮的關(guān)鍵因素。

1）密封性

如圖1所示，本研究的封裝對象是典型的懸臂梁加質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的高gn值壓阻式微加速度計敏感芯片。其核心部分是可動的，封裝過程必須對可動結(jié)構(gòu)加以密封保護(hù)，防止異物進(jìn)入影響梁和質(zhì)量塊的自由運(yùn)動。由于高gn值壓阻式微加速度計在工作時需要供電，而且測得的信號還需要輸出，這些都必須通過制作在芯片上的焊盤來實現(xiàn)。因此，在密封的同時還要確保焊盤不被覆蓋，否則，后續(xù)的引線鍵合工藝將無法進(jìn)行。在“密封”的同時考慮“開放”，這往往就成為封裝工藝的難點之一。

圖1 高gn值壓阻式微加速度計敏感芯片結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of high gnpiezoresistive micro-accelerometer chip

2）小型化

研究表明:小型化是提高傳感器抗沖擊能力的有效手段，這就對封裝提出了更高的要求。由于封裝技術(shù)的落后，往往導(dǎo)致最終失去了器件和系統(tǒng)微型化所帶來的優(yōu)點，這一點對高沖擊傳感器來說很可能是致命的。

3）批量化

使用機(jī)械化自動操作來進(jìn)行圓片級的封裝，有利于提高封裝的可靠性和穩(wěn)定性，提高工作效率、降低成本。

1．2 封裝結(jié)構(gòu)

為了有效地保護(hù)芯片、提高器件的抗沖擊能力，本文提出了一種采用玻璃—硅—玻璃鍵合的三層式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。加速度計的檢測部分制作在中間硅層上，底層玻璃襯底和上層玻璃蓋板一起保護(hù)中間結(jié)構(gòu)層，而且給質(zhì)量塊和懸臂梁留有運(yùn)動間隙，同時上層玻璃蓋板具有與中間硅層上的電極引線相對應(yīng)的精密引線槽。

圖2 三層式結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Schematic diagram of the triple stack structure

整片鍵合示意圖見圖3。整片鍵合的實現(xiàn)可以通過2次雙層硅—玻璃陽極鍵合來完成，也可以通過一次三層玻璃—硅—玻璃陽極鍵合來完成。焊盤通道的建立可以通過精確的劃片來實現(xiàn)。

2 制作工藝

2．1 芯片制作工藝過程

圖3 整片鍵合示意圖Fig 3 Schematic diagram of the whole chip bonding

高gn值壓阻式微加速度計采用玻璃蓋板—敏感芯片—玻璃襯底結(jié)構(gòu)，通過陽極鍵合工藝實現(xiàn)圓片級封裝。其加工過程包括:敏感芯片工藝［10，11］、玻璃蓋板工藝、玻璃襯底工藝和鍵合成型工藝等部分。

敏感芯片制作工藝流程見圖4。

圖4 高gn值壓阻式微加速度計敏感芯片工藝流程Fig 4 Fabrication process of high gnpiezoresistive micro-accelerometer sensitive chip

具體的工藝過程描述如下:

高溫氧化，光刻，去氧化層，淡硼離子注入，硼推進(jìn)，形成壓阻區(qū)（圖4（a））;光刻，去氧化層，濃硼擴(kuò)散，硼推進(jìn)，形成歐姆接觸區(qū)（圖4（b））;光刻，去氧化層，磁控濺射金屬鋁，光刻，金屬鋁腐蝕，光刻，氧化硅腐蝕，形成金屬電極（圖4（c））;光刻，正面ICP刻蝕，形成懸梁結(jié)構(gòu)（圖4（d））;光刻，背面ICP刻蝕，釋放結(jié)構(gòu)，完成高gn值壓阻式微加速度計敏感芯片制作（圖4（e））。

2．2 玻璃蓋板制作工藝過程

玻璃蓋板制作工藝流程見圖5。

圖5 高gn值壓阻式微加速度計玻璃蓋板工藝流程Fig 5 Fabrication process of the glass cover of high gn piezoresistive micro-accelerometer

具體的工藝過程描述如下:

濺射金屬鉻金，形成硼硅玻璃腐蝕所需金屬掩蔽膜（圖5（a））;光刻，濕化學(xué)腐蝕金屬鉻金，濕化學(xué)腐蝕硼硅玻璃，形成劃片所需隔離間隙（圖5（b））;光刻，濕化學(xué)腐蝕金屬鉻金，濕化學(xué)腐蝕硼硅玻璃，形成電極引線槽（圖5（c））;化學(xué)腐蝕金屬鉻金，去除金屬掩蔽膜層，完成高gn值壓阻式微加速度計玻璃蓋板制作（圖5（d））。

2．3 玻璃襯底制作工藝過程

玻璃襯底制作工藝流程見圖6。

圖6 高gn值壓阻式微加速度計玻璃襯底工藝流程Fig 6 Fabrication process of the glass substrate of high gn piezoresistive micro-accelerometer

具體的工藝過程描述如下:

濺射金屬鉻、金，形成硼硅玻璃腐蝕所需金屬掩蔽膜（圖6（a））;光刻，濕化學(xué)腐蝕金屬鉻金，濕化學(xué)腐蝕硼硅玻璃，形成質(zhì)量塊運(yùn)動所需間隙（圖6（b））;化學(xué)腐蝕金屬鉻金，去除金屬掩蔽膜層，完成高gn值壓阻式微加速度計玻璃襯底制作（圖6（c））。

2．4 鍵合成型制作工藝過程

鍵合成型制作工藝流程見圖7。具體的工藝過程描述如下:

圖7 鍵合成型工藝流程Fig 7 Fabrication process of bonding and shaping

玻璃蓋板、敏感芯片與玻璃襯底三層精確對位，三層陽極鍵合（圖7（a））;精確劃片成型，完成高gn值壓阻式微加速度計傳感器制作（圖7（b））。陽極鍵合是在三層玻璃—硅—玻璃對位完成后一次完成的。

3 結(jié)果與分析

3．1 樣品制作

基于上述圓片級制作與封裝工藝，采用N〈100〉晶向、電阻率為4～7 Ω·cm、直徑為 100 mm、厚度為 400 ±10 μm雙面拋光單晶硅片和直徑為100mm、厚度為200±10μm雙面拋光硼硅玻璃片成功制作出一種圓片級封裝的高gn值壓阻式微加速度計。圖8為圓片級封裝后的工藝片。

3．2 性能測試

圖8 高gn值壓阻式微加速度計圓片級封裝樣片F(xiàn)ig 8 Wafer-lever packaging sample of high gnpiezoresistive micro-accelerometer

采用Endevco 2925 POP Shock Calibrator和自制便攜式高gn值沖擊試驗裝置對加速度計進(jìn)行背靠背沖擊測試［12，13］。選用Endevco 2270型壓電式加速度計作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，該傳感器電荷靈敏度為0．858 pC/gn。圖9為6000gn左右沖擊下的測試結(jié)果。結(jié)果顯示:傳感器靈敏度是0．1512 μV/gn/V，同設(shè)計值 0．15μV/gn/V 比較吻合。在該沖擊下測得傳感器的諧振頻率約為200 kHz。

采用Endevco 2973A SMAC Hopkinson高沖擊校準(zhǔn)裝置對加速度計進(jìn)行了抗沖擊性能測試［15］。測試結(jié)果表明:傳感器在105gn短脈沖（80 μs）下能夠正常工作。目前正在進(jìn)行寬脈沖（ms量級）高沖擊試驗的準(zhǔn)備工作。

圖9 高gn值壓阻式微加速度計測試曲線Fig 9 Testing curve of high gnpiezoresistive micro-accelerometer

4 結(jié)論

為了解決高gn值壓阻式微加速度計制造過程中的芯片密封性、小型化和批量化等生產(chǎn)難題，設(shè)計了一種圓片級封裝結(jié)構(gòu)，突破了芯片制造過程中電極通道建立、焊盤保護(hù)、精確劃片等關(guān)鍵技術(shù)。采用玻璃—硅—玻璃3層對準(zhǔn)、陽極鍵合一次完成的圓片級封裝方式，在4 in硅基MEMS生產(chǎn)線上制作出了尺寸僅為1 mm×1 mm×0．8 mm的高gn值壓阻式微加速度計樣品;測試結(jié)果表明:樣品具備105gn的抗沖擊能力、0．15 μV/gn/V的靈敏度以及200 kHz的諧振頻率。

通過對封裝結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性改變，圓片級鍵合封裝技術(shù)也可應(yīng)用于其他具有相似結(jié)構(gòu)的MEMS器件研制過程。

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