林曉玲 ， 梁朝輝 ， 何春華

(1.電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點實驗室， 廣東 廣州 510610；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

0 引言

慣性技術(shù)是導航定位、制導控制、穩(wěn)瞄穩(wěn)像和姿態(tài)測量的核心技術(shù)，慣性陀螺儀和加速度計的技術(shù)狀態(tài)是表示慣性技術(shù)的基礎(chǔ)[1-2]。其中，陀螺用于測量運動體的角速度，加速度計用于測量運動體的加速度。微電子系統(tǒng) (MEMS：Micro Electro Mechanical System)的慣性器件是指敏感結(jié)構(gòu)采用微加工手段加工的微機械陀螺和微加速度計，具有體積小、重量輕、功耗低、可大批量生產(chǎn)、成本低和抗過載能力強等一系列的優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

為了確保MEMS慣性器件的應(yīng)用可靠性[3-4]，研發(fā)過程中或使用前，需根據(jù)標準對器件進行內(nèi)部目檢。內(nèi)部目檢前的樣品開封制備應(yīng)避免損壞封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于MEMS的封裝比微電子封裝更為復雜，并且沒有統(tǒng)一的標準，因而不同的MEMS器件，其封裝差別很大[5-8]。采用芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件的結(jié)構(gòu)特殊，除了具有懸臂梁、梳齒等可動微結(jié)構(gòu)外，封裝中還含有空腔和上下層的層疊結(jié)構(gòu)，這些特點給傳統(tǒng)的開封方法帶來了極大的困難。利用傳統(tǒng)的、用于塑封集成電路的化學腐蝕開封方法，通過發(fā)煙硝酸或濃硫酸等對塑封材料有高效分解作用的化學腐蝕液刻蝕，可以將專用集成電路 (ASIC：Application Specific Integrated Circuit)芯片上方的塑封材料局部腐蝕去除，暴露出封裝結(jié)構(gòu)中的ASIC芯片并觀察分析。但是化學腐蝕液無法腐蝕硅，因此無法將封帽硅片直接腐蝕去除，無法暴露封帽硅片所形成的空腔中的加速度計MEMS和陀螺儀MEMS，也就無法對它們進行觀察分析。而對于ASIC芯片置于下方的MEMS慣性器件，用塑封集成電路的化學腐蝕刻蝕方法將其外部塑封材料去除之后，得到的則是封帽硅片的背部，也是無法觀察到其形成的空腔內(nèi)的加速度計MEMS和陀螺儀MEMS。

為了解決芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件封裝復雜、開封難的問題，本文提出了一種針對芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件的開封技術(shù)及其流程，可實現(xiàn)芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件的開封，暴露其中的加速度計MEMS、陀螺儀MEMS和ASIC芯片，實現(xiàn)對該類型封裝器件的內(nèi)部目檢，以彌補傳統(tǒng)的開封技術(shù)的不足，為此類型封裝器件的內(nèi)部目檢提供技術(shù)支撐。

1 芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件的主要工藝過程

在以硅為基礎(chǔ)的MEMS加工技術(shù)中，加速度計、陀螺儀等需要對微機械的可動器件結(jié)構(gòu)部分實施保護，這種保護的方法就是在器件上方采用空腔封帽片保護結(jié)構(gòu)，通過硅硅直接鍵合、陽極鍵合、鋁鍺薄膜鍵合和玻璃熔融鍵合等表面鍵合技術(shù)，使器件硅片和封帽硅片密閉結(jié)合在一起。這種芯片層疊塑料的封裝結(jié)構(gòu)的MEMS慣性器件將加速度計MEMS、陀螺儀MEMS和共用ASIC芯片等集成在一個封裝里面，既提供了器件與外界環(huán)境交互作用的通道，也使微機械的器件結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境得到隔離，保護器件敏感結(jié)構(gòu)不因外界的作用而遭到損壞，使器件的性能保持穩(wěn)定。通常，芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件中的加速度計MEMS、陀螺儀MEMS會制作于空腔中，之后加上封帽硅片形成保護腔，而它們的共用ASIC芯片則是置于封帽硅片上方或是下方，形成層疊結(jié)構(gòu)。各層芯片通過引線鍵合的方式與外界實現(xiàn)電連接。

為了滿足體積小、重量輕和多功能等要求，MEMS慣性器件正在向芯片疊層封裝的方向發(fā)展。芯片疊層封裝是利用倒裝、引線鍵合等混合互連技術(shù)，把不同功能的微裝置和信號處理芯片通過層疊的方式，堆積成緊湊的三維立體結(jié)構(gòu)。疊層封裝的層疊是在垂直于芯片表面的方向上進行的，采用混合互連技術(shù)的目的是為了適應(yīng)不同層、不同器件之間的互連需要。圖1所示的微加速度計是一個典型的芯片疊層封裝實例。其中，封帽硅片 (Cap die)所構(gòu)成的就是層疊塑料封裝MEMS器件的密封腔，微加速度計制作于該腔體中，和信號處理單元 “堆積”在一起，實現(xiàn)了三維封裝。

密封腔 (圖1中Cap die和Sensor die組成)的主要工藝過程示意圖如圖2所示。這個制程的步驟為：1)在晶圓上生成一層2.5 μm厚的熱二氧化硅 (如圖2a所示)；2)首先，用LPCVD沉積一個多晶硅層 (多晶硅層1)，在這個多晶硅層上做版圖然后蝕刻，制成埋入式電連接結(jié)構(gòu)，用于傳感器向外部傳遞電位和電容信號 (如圖2b所示)；然后，用PECVD沉積一層1.6 μm厚的二氧化硅層。這個PEVCD氧化層與2.5 μm厚的熱二氧化硅構(gòu)成一個4.1 μm厚的復合氧化層，用作THELMA制程中的犧牲層；最后，在PECVD沉積氧化物層上做版圖和蝕刻，用作厚多晶硅器件的錨定區(qū)，稍后制成錨定組件 (如圖2c所示)；3)首先，用外延沉積法沉積一層厚多晶硅 (如圖2d所示)，這個層的厚度可以根據(jù)器件設(shè)計做相應(yīng)的調(diào)整，厚度范圍是15～50 μm，通過沉積、版圖和蝕刻工藝，制作一個連接傳感器的金屬導電層 (如圖2e所示)；然后，用深反應(yīng)離子蝕刻方法 (DRIE)在厚多晶硅層上做圖和蝕刻，一直到底部的氧化層 (如圖2f所示)；最后，用氫氟酸蒸汽去除犧牲層，釋放多晶硅結(jié)構(gòu)層 (如圖2g所示)。

圖1 加速度計的層疊封裝

圖2 制造慣性傳感器的THELMA制程工藝

2 芯片層疊塑料封裝MEMS的開封技術(shù)及其流程

結(jié)合芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件的結(jié)構(gòu)特點，本文提出了一種適合于芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件的開封技術(shù)及流程，將芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件中的各層芯片和密封腔中的可動微結(jié)構(gòu)等暴露出來供觀察分析。具體的技術(shù)方案如下所述。

a)利用X射線檢查法觀察芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件，獲得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，例如：芯片大小、芯片數(shù)量、芯片層數(shù)和引線鍵合分布情況等等。

b)利用3D X-ray或金相切片技術(shù)制作剖面，進一步地明確MEMS慣性器件的空腔位置和芯片的分布情況，確認加速度計MEMS、陀螺儀MEMS和共用ASIC芯片等結(jié)構(gòu)的具體位置。

c)如果通過步驟b)的剖面觀察，確認MEMS慣性器件是ASIC芯片在上一層、加速度計MEMS和陀螺儀MEMS在下一層的層疊結(jié)構(gòu)，則先通過發(fā)煙硝酸或濃硫酸等化學腐蝕液作用，將ASIC芯片上方的塑封料局部去除，露出ASIC芯片及與其相連的鍵合引線，以進行后續(xù)的檢查分析。

d)通過步驟c)觀察完畢頂層ASIC芯片之后，將器件浸泡至腐蝕液中，利用腐蝕作用，去除封帽硅片和器件硅片之間的鍵合結(jié)構(gòu)，使封帽硅片與器件硅片分離，露出空腔中的加速度計MEMS、陀螺儀MEMS，以進行后續(xù)的檢查分析。

e)如果通過步驟b)的剖面觀察，發(fā)現(xiàn)MEMS慣性器件是ASIC芯片在下層、加速度計MEMS和陀螺儀MEMS在上層的結(jié)構(gòu)，則ASIC上方和加速度計MEMS、陀螺儀MEMS的密閉結(jié)構(gòu)之間的塑封料，以及加速度計MEMS和陀螺儀MEMS上方的塑封料，都利用發(fā)煙硝酸或濃硫酸等化學腐蝕液去除，將含ASIC芯片的結(jié)構(gòu)、含加速度計MEMS、陀螺儀MEMS的密閉結(jié)構(gòu)分離，并將ASIC芯片暴露出來檢查分析。之后，封帽硅片及制作有加速度計MEMS、陀螺儀MEMS的器件硅片的密閉結(jié)構(gòu)，再通過腐蝕液的浸泡去除鍵合部位實現(xiàn)兩者之間的分離，露出空腔中的加速度計MEMS、陀螺儀MEMS，以進行后續(xù)的檢查分析。

3 芯片層疊塑料封裝MEMS的開封實例

以一款柵格陣列式封裝 (LGA：Land Grid Array)技術(shù)封裝的MEMS產(chǎn)品 (封裝型號為LGA-14L，尺寸為2.5 mm×3 mm×0.83 mm)為例介紹芯片層疊塑料封裝MEMS的開封流程及結(jié)果。該產(chǎn)品中含有高性能加速度計 (3軸)和陀螺儀 (3軸)雙芯片，并排分布于ASCI芯片 (0.11 μm工藝)上方。

通過X射線透視了解器件的封裝結(jié)構(gòu)，包括芯片數(shù)量、芯片位置、芯片朝向和引線鍵合高度等各種信息，得到了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的X-ray圖片，如圖3所示。

芯片采用疊層封裝結(jié)構(gòu)，使用3D X-ray或金相切片技術(shù)制作剖面。本例中通過金相切片技術(shù)制作了樣品的剖面 (如圖4所示)，從圖4中可以看出，在封帽硅片和器件硅片所構(gòu)成的密封空腔中，制作了MEMS慣性器件的可動微結(jié)構(gòu) (加速度計和陀螺儀)。ASIC芯片則放置于器件硅片下方，形成層疊結(jié)構(gòu)封裝于塑封料中。

采用化學開封法完成主體部分的開封。首先，用發(fā)煙硝酸去除外圍塑封料，露出ASIC芯片的一部分；然后，改用濃硫酸去除ASIC和器件硅片之間的芯片粘接層，將ASIC芯片和由器件硅片和封帽硅片之間的組合體分離，完整地露出ASIC芯片的整體形貌 (如圖5所示)；最后，將器件硅片和封帽硅片之間的組合體浸泡至酸腐蝕液中，使封帽硅片與器件硅片分離，露出封帽硅片的形貌以及由其密封的腔內(nèi)結(jié)構(gòu) (加速度計和陀螺儀芯片)，具體如圖6-9所示。

從圖中可以看出，利用該方法可以實現(xiàn)芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件的開封，可以將封裝中的疊層芯片、可動微結(jié)構(gòu)等暴露出來，并進行觀察與分析。

需注意的是，上述步驟中，均需要采用金相顯微鏡或掃描電子顯微鏡，對剖面制作、化學腐蝕法的效果進行監(jiān)測，避免腐蝕過度或者不足而導致的

樣品損壞或者器件觀察效果不佳。

圖3 MEMS器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)X-ray圖像

圖4 芯片層疊塑料封裝MEMS慣性器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（加速度計MEMS和空腔等在上層，ASIC芯片在下層）

圖5 ASIC芯片形貌

圖6 封帽硅片的形貌 （化學腐蝕法）

圖7 陀螺儀 （紅線左邊）和加速度計 （紅線右邊）的形貌

圖8 陀螺儀的局部形貌放大圖

4 結(jié)束語

圖9 加速度計的局部形貌放大圖

本文介紹了一種芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件的開封技術(shù)，實現(xiàn)了芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的逐層暴露和觀察分析，解決了芯片層疊塑料封裝的MEMS慣性器件封裝復雜、開封難的問題，彌補了傳統(tǒng)的開封技術(shù)的不足，為此類型封裝器件的內(nèi)部目檢提供了技術(shù)支撐。