馬勉之，龐寶龍

華天科技（西安）有限公司，陜西西安，710018

0 引言

MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)的簡稱，是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。作為一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，它是微電路和微機(jī)械按功能要求在芯片上的集成，它通過光刻、腐蝕等半導(dǎo)體技術(shù)，融入超精密機(jī)械加工，并結(jié)合材料、力學(xué)、化學(xué)、光學(xué)等，使一個(gè)毫米或微米級(jí)的MEMS系統(tǒng)具備精確而完整的電氣、機(jī)械、化學(xué)、光學(xué)等特性。進(jìn)入21世紀(jì)后，集成電路尺寸微縮的技術(shù)路線遭遇了物理節(jié)點(diǎn)失效、經(jīng)濟(jì)學(xué)定律失效，以及性能、功耗指標(biāo)難以達(dá)到等各種挑戰(zhàn)，單純依靠尺寸微縮的發(fā)展道路變得越來越窄，因此制造商開始逐漸意識(shí)到實(shí)現(xiàn)三維集成產(chǎn)業(yè)化的重要性。隨著MEMS深入發(fā)展，MEMS的應(yīng)用也越來越廣泛，用戶對(duì)MEMS的技術(shù)參數(shù)要求也越來越高，隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)利用MEMS器件進(jìn)行的檢測精度等提出了更高要求。MEMS的檢測通過微機(jī)械運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)微機(jī)械造成的機(jī)械應(yīng)力，一直是困擾MEMS性能提升的主要因素之一，其應(yīng)力來源主要是MEMS封裝后相互接觸的不同材料，例如包裹MEMS芯片的塑封樹脂、貼蓋后的焊接回流等。目前主流發(fā)展的多芯片組裝技術(shù)可應(yīng)用于薄而小的電子產(chǎn)品中，但是這種技術(shù)對(duì)MEMS產(chǎn)品的外形體積要求越來越小。同時(shí)，把多種材料置于一起的封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力影響在溫度變化時(shí)特別明顯，這種應(yīng)力可能造成產(chǎn)品的靈敏度、零點(diǎn)漂移等性能惡化。后來，有研究人員試圖采用開孔的金屬帽封裝結(jié)構(gòu)，封蓋后的金屬帽，由于要確保后續(xù)電子裝配的回流高溫，必須采用上部開孔的方式，但是封蓋后的產(chǎn)品有與外界通氣的小孔，外界的灰塵、濕氣等會(huì)進(jìn)入傳感器內(nèi)，對(duì)產(chǎn)品性能造成影響，最終導(dǎo)致長期使用的MEMS傳感器信號(hào)逐漸惡化。因此，又出現(xiàn)通過邊沿側(cè)開孔的工藝，采用覆膜樹脂抽真空的方式，較好地解決了小孔封閉，內(nèi)腔由于真空存在，避免了高溫回流的小孔漲開的問題。真空覆膜技術(shù)雖然很成熟，但是在該類產(chǎn)品中存在如下缺陷：因?yàn)楦材渲哂幸欢ǖ暮穸?，通常厚度?.2mm，這就使得產(chǎn)品厚度增加了0.2mm；而且覆膜樹脂價(jià)格昂貴，一張進(jìn)口90*90mm的樹脂價(jià)格超過100元，使得產(chǎn)品單顆成本上升近0.1元；另外，覆膜工藝也需要增加昂貴的覆膜設(shè)備，其單機(jī)達(dá)到30萬美元。覆膜技術(shù)造成產(chǎn)品厚度的增加，使得客戶端要求的產(chǎn)品超薄應(yīng)用受到限制，影響市場推廣；產(chǎn)品成本的上升，又使產(chǎn)品的競爭力受到影響。

本文旨在介紹一種高度集成的MEMS傳感器封裝結(jié)構(gòu)及其封裝方法，該封裝結(jié)構(gòu)包括由若干個(gè)基板圍成的空腔，空腔內(nèi)設(shè)若干芯片和電子元器件，空腔上開設(shè)氣孔，空腔內(nèi)外氣壓相同。本技術(shù)采用三層基板壓合工藝得到封裝結(jié)構(gòu)且其內(nèi)進(jìn)行FCCSP芯片的倒裝貼裝，實(shí)現(xiàn)了MEMS傳感器芯片的功能，同時(shí)FCCSP芯片也可作為控制芯片使用。這種封裝技術(shù)可以有效縮小封裝結(jié)構(gòu)的面積，降低成本；封裝結(jié)構(gòu)上的氣孔既可以滿足MEMS傳感器如聲學(xué)、氣壓等功能需求，同時(shí)也可在回流焊中減少對(duì)FCCSP芯片的碰撞，還可使封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)外氣壓平衡，滿足可靠性和高散熱需求；本結(jié)構(gòu)高度集成化、體積小型化，為MEMS傳感器的發(fā)展提供了新思路。

1 文獻(xiàn)綜述

陳德勇、曹明威等提出了一種基于絕緣體上硅-玻璃陽極鍵合工藝的諧振式微電子機(jī)械系統(tǒng)壓力傳感器的制作及真空封裝方法[1]。劉進(jìn)長、劉振忠等概述了MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[2]。田斌、胡明介紹了MEMS封裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在的問題，重點(diǎn)介紹了倒裝芯片技術(shù)、上下球柵陣列封裝技術(shù)和多芯片模塊封裝技術(shù)三種封裝技術(shù)的特點(diǎn)及其在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，并且對(duì)MEMS封裝的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析[3]。韓雷、張麗娜等陳述了一套吹氣裝置設(shè)計(jì)，并分別采用相位相關(guān)法和二元二次曲面擬合亞像素法計(jì)算未啟用吹氣裝置和啟用吹氣裝置后圖像間的平移，采用梯度函數(shù)對(duì)圖像清晰度進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。李浩、王從香等基于多層共燒陶瓷基板開展預(yù)埋芯片混合集成基板技術(shù)的研究，通過對(duì)混合集成基板的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，得到了預(yù)埋芯片基板工藝中芯片和腔體結(jié)構(gòu)的最佳匹配關(guān)系[5]。李瑜、劉志遠(yuǎn)等通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證納米銀玻璃漿用于芯片Cr/Pt/Au多層金屬電極與高溫管座可伐（4J29）轉(zhuǎn)接端子之間導(dǎo)電燒結(jié)的可行性，經(jīng)過仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，用納米銀玻璃漿燒結(jié)的感壓元件可以耐受5個(gè)循環(huán)-55℃～350℃的溫沖考核，并且用其制作出高頻響且在高溫、常溫、低溫下輸出性能穩(wěn)定的MEMS壓力傳感器，滿足航天、工業(yè)、民用等各領(lǐng)域的應(yīng)用需求[6]。張迪雅、梁庭等介紹了倒裝焊接技術(shù)在MEMS壓阻式壓力傳感器封裝領(lǐng)域的優(yōu)勢和目前研制的壓力敏感芯片的倒裝焊的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基板材料的不同，論述了國內(nèi)外MEMS壓阻式壓力傳感器倒裝焊技術(shù)的研究成果，最后總結(jié)了MEMS壓力傳感器倒裝焊技術(shù)的發(fā)展前景和所面臨的挑戰(zhàn)[7]。馬婷婷、馬書鯼結(jié)合了器件的工作環(huán)境，分別從高溫、高濕、溫度沖擊、過電壓、壓力過載、溫濕循環(huán)等環(huán)境負(fù)載方面探討硅壓阻式MEMS壓力傳感器的工藝可靠性問題，參照工廠制定的工藝標(biāo)準(zhǔn)，通過封裝級(jí)器件測試數(shù)據(jù)，有效監(jiān)控產(chǎn)品的工藝質(zhì)量[8]。周偉、秦明對(duì)芯片倒裝技術(shù)尤其是凸點(diǎn)加工工藝在MEMS設(shè)計(jì)中的作用進(jìn)行實(shí)例分析，指出倒裝芯片不僅是一種高性能的封裝模式，還能為MEMS器件提供立體通道或是熱力載體，并形成許多特殊的結(jié)構(gòu)[9]。

由此可見，MEMS傳感器的高度集成封裝對(duì)于理論研究和實(shí)踐應(yīng)用都有相當(dāng)重要的意義。相對(duì)于目前MEMS器件或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作技術(shù)，落后的封裝技術(shù)已成為制約MEMS產(chǎn)品進(jìn)入市場的瓶頸。本文介紹了MEMS封裝技術(shù)的特點(diǎn)和功能，分析了封裝成本的影響因素，并給出了一種新型MEMS封裝的工藝流程和主要封裝技術(shù)，并對(duì)MEMS封裝的發(fā)展趨勢做了一定分析。

2 技術(shù)方案及討論

2.1 技術(shù)背景

隨著MEMS的快速發(fā)展，科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)出大量MEMS芯片，但大部分設(shè)計(jì)難以投入實(shí)際生產(chǎn)，其中主要的原因之一就是受限于相對(duì)落后的MEMS封裝技術(shù)。長期以來，“封裝無技術(shù)”的思想直接導(dǎo)致落后的封裝技術(shù)成為MEMS新產(chǎn)品進(jìn)入市場的瓶頸。因而能否研發(fā)先進(jìn)的MEMS封裝材料和封裝方式，在相當(dāng)程度上決定了一款MEMS新產(chǎn)品是作為樣品滯留在實(shí)驗(yàn)室，還是走上生產(chǎn)線為社會(huì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。鑒于此，加強(qiáng)對(duì)MEMS封裝工藝的研發(fā)，尤其是開發(fā)出性價(jià)比高的材料和封裝技術(shù)，對(duì)于MEMS產(chǎn)業(yè)具有極其重要的意義。概括地說，MEMS芯片對(duì)封裝材料的要求主要包括介電常數(shù)低、傳熱性好、密封性好，從而保證器件的高可靠性和高性能。目前用于MEMS封裝的主要材料有陶瓷、塑料和金屬。MEMS封裝是在微電子封裝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但它與集成電路（IC）封裝存在一定的差異。與傳統(tǒng)的IC封裝相比，MEMS封裝過程中需要重點(diǎn)考慮的問題有四個(gè)，分別是硅片厚度問題、劃片問題、熱設(shè)計(jì)問題、保護(hù)層問題。此外，封裝技術(shù)也會(huì)影響MEMS材料的固有屬性。本技術(shù)采用三層基板壓合工藝得到封裝結(jié)構(gòu)且其內(nèi)進(jìn)行FCCSP芯片的倒裝貼裝，實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器芯片的功能，同時(shí)FCCSP芯片也可作為控制芯片使用。

2.2 封裝結(jié)構(gòu)

如圖1所示，這種高度集成的MEMS傳感器封裝結(jié)構(gòu)包括由若干個(gè)基板圍成的空腔，該空腔內(nèi)集成設(shè)置有若干個(gè)芯片和電子元器件，芯片的類型可相同或不同，空腔上開設(shè)有若干個(gè)氣孔11，通過設(shè)置氣孔11，既可以實(shí)現(xiàn)聲音、氣體等進(jìn)出，也可以使空腔內(nèi)外氣壓相同，還能起到散熱作用，氣孔11可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置于空腔上方或側(cè)壁。作為其中一個(gè)實(shí)施例，高度集成的MEMS傳感器封裝結(jié)構(gòu)包括由第一基板1、第二基板3和第三基板7圍成的空腔，該空腔內(nèi)且位于第一基板1上設(shè)置有電子元器件和若干個(gè)同類型或不同類型的芯片，優(yōu)先在第一基板1上設(shè)置電子元器件4、MEMS芯片5和ASIC芯片6，該空腔內(nèi)且位于第三基板7上設(shè)置若干個(gè)FCCSP芯片，空腔上開設(shè)有若干個(gè)氣孔，優(yōu)選在第二基板3或第三基板7上開設(shè)若干個(gè)氣孔，使得空腔內(nèi)外氣壓相同。

圖1 空腔

2.3 封裝方法

本技術(shù)選取的封裝方法不但能夠替代傳統(tǒng)的單芯片封裝結(jié)構(gòu)，而且明顯提高了MEMS器件的性能和可靠性。本文所指的高度集成的MEMS傳感器封裝方法具體包括以下步驟。

（1）準(zhǔn)備第一基板、第二基板和第三基板；

（2）在第一基板上貼裝電子元器件，并在其相對(duì)的兩端分別貼合第二基板，再將若干個(gè)同類型或不同類型的芯片貼裝在第一基板表面，第一基板上的芯片和電子元器件位于第一基板的同一面，隨后進(jìn)行打線連接，使得第一基板與其上的芯片互聯(lián)導(dǎo)通；

（3）在第三基板正面進(jìn)行FCCSP芯片的倒裝貼裝，將耐高溫膠膜貼在第三基板的背面；隨后，對(duì)FCCSP芯片進(jìn)行點(diǎn)膠，增強(qiáng)FCCSP芯片的焊接強(qiáng)度；再在第三基板四周進(jìn)行點(diǎn)膠或者錫膏，同時(shí)撕掉第三基板背面的耐高溫膠膜；

（4）將步驟（3）所得基板倒扣在步驟（2）所得基板上面，形成具有空腔的三層基板壓合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)即所需封裝結(jié)構(gòu)，其上具有若干個(gè)氣孔；

（5）進(jìn)行印字、切割，形成單顆的成品結(jié)構(gòu)。

3 分析結(jié)果

3.1 本技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)

（1）該封裝采用三層基板壓合工藝，得到具有空腔的三層基板壓合結(jié)構(gòu)，無需設(shè)置金屬罩或類似結(jié)構(gòu)，在最上面的第三基板上進(jìn)行FCCSP芯片的倒裝貼裝，可以實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器芯片的功能，同時(shí)FCCSP芯片也可以作為控制芯片使用，F(xiàn)CCSP芯片可以通過氣孔進(jìn)行散熱，從而防止芯片因溫度過高導(dǎo)致內(nèi)部燒壞的缺陷。

（2）將FCCSP芯片集成在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部，有效縮小了封裝結(jié)構(gòu)的面積，減少空間占用率，在不影響正常使用的前提下顯著降低了成本。

（3）本封裝結(jié)構(gòu)上的氣孔可容許聲音、氣體等進(jìn)出，既可以滿足MEMS傳感器如聲學(xué)、氣壓等功能需求，同時(shí)也可以在回流焊中減少對(duì)FCCSP芯片的碰撞，避免出現(xiàn)破裂或裂紋等，且氣孔的存在使得封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)外氣壓平衡，無壓差，滿足可靠性需求，氣孔位置可根據(jù)實(shí)際需求選擇。本方案將氣孔設(shè)置于第二基板上，即封裝結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上，氣孔數(shù)量至少有兩個(gè)，其他兩塊基板也可以作為后端上PCB模組時(shí)的焊接面，便于終端客戶靈活選擇，氣孔數(shù)量的增多有助于加快封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)外氣體流動(dòng)，同時(shí)也可以降低在回流焊中基板爆開的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 本技術(shù)方案進(jìn)一步優(yōu)化的可能性

傳統(tǒng)的開孔加工作業(yè)容易出現(xiàn)空穴、孔壁有毛刺等問題，尤其是在多組件封裝使用的開孔技術(shù)中，這是一個(gè)令人頭疼的問題。除了良率更低以外，因?yàn)橼吥w效應(yīng)的存在，填充不夠好的通孔在傳輸高頻高速信號(hào)時(shí)會(huì)嚴(yán)重?fù)p耗，使得芯片達(dá)不到預(yù)期的性能。此外，如何減少黏合工藝過程中可能存在的沾污也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文介紹了高度集成的MEMS傳感器封裝結(jié)構(gòu)及其封裝方法，通過采用三層基板壓合工藝，在最上面的第三基板上進(jìn)行FCCSP芯片的倒裝貼裝，可以實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器芯片的功能，同時(shí)FCCSP芯片也可作為控制芯片使用，為MEMS傳感器的發(fā)展提供了新思路。