第9讲-MEMS封装

微/纳制造工艺技术MicrofabricationTechnology第九讲MEMS封装主讲：乔大勇第九讲封装第2页Outline1封装概述MEMS封装特点23芯片级封装减薄、划片、上芯、压焊、封帽、封装实例圆片级封装三种圆片级封装及常用键和方法第九讲封装第3页1、封装概述第九讲封装第4页1、封装概述集成电路保护芯片及与其互连的引线不受环境的影响封装……MEMS保护芯片及与其互连的引线不受环境的影响，并实现芯片与外界环境的能量交互封装是MEMS器件失效的主要原因，MEMS封装比微电子封装面临更多挑战发展第九讲封装第5页1、封装概述MEMS不同于IC封装的特点悬置结构或薄膜容易在清洗和划片过程中损坏悬置结构必须在释放后马上封装，以阻止黏附或灰尘封装腔体内可能需要真空、充氮、充油或其它的特殊条件为了降低封装成本，在MEMS器件的制造过程中，应该尽量使用圆片级封装来取代芯片级封装MEMS封装特点：高气密性，高隔离度（固态隔离）和低应力孙瑞花,MEMS封装中的封帽工艺技术,微纳电子技术,2007,5:259-263第九讲封装第6页1、封装概述20％95％普通微压力传感器高温特种微压力传感器80％一般MEMS器件封装成本在整个MEMS器件制造成本中所占的比例NationalResearchCouncil,1997第九讲封装第7页1、封装概述压力变送器芯片充油芯体变送器补偿电路第九讲封装第8页1、封装概述封装设计的一般考虑成本预期的环境影响（湿度、温度、化学毒性）误操作及偶发事故的充分估计可靠性（金属、陶瓷、玻璃还是塑料）尽量减少引线和连接点，以使得引线断裂的故障减少到最少第九讲封装第9页1、封装概述芯片级封装：先划片再释放，以避免划片过程中的芯片损坏，所得到的成品较大，成本高圆片级封装：先释放后封装，所得到的成品较小，成本低第九讲封装第10页2、芯片级封装芯片级封装示意图第九讲封装第11页2、芯片级封装芯片级封装＃1：芯片级测试第九讲封装第12页2、芯片级封装芯片级封装＃2：减薄/喷金CMP组成抛光盘硅片夹具浆料第九讲封装第13页2、芯片级封装芯片级封装＃2：减薄/喷金厚度测量曲率测量LogiTech减薄/抛光三件套（PM5)减薄/抛光第九讲封装第14页2、芯片级封装芯片级封装＃3：划片第九讲封装第15页2、芯片级封装芯片级封装＃4：上芯点胶第九讲封装第16页2、芯片级封装芯片级封装＃4：上芯贴片第九讲封装第17页2、芯片级封装芯片级封装＃5：压焊名词解释：压焊(引线键合/打线)第九讲封装第18页2、芯片级封装芯片级封装＃5：压焊第九讲封装第19页2、芯片级封装芯片级封装＃5：压焊第九讲封装第20页2、芯片级封装芯片级封装＃5：压焊第九讲封装第21页2、芯片级封装芯片级封装＃5：压焊跨距1、拉力测试2、剪切测试第九讲封装第22页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽气密性封帽材料金属玻璃陶瓷非气密性封帽材料塑料管壳盖板管脚吸附剂第九讲封装第23页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽第九讲封装第24页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽气密性封帽规范水汽含量：封装内部水汽含量在100℃条件下不得超过5000ppmvGJB33A≪半导体分立器件总规范≫GJB597A≪半导体集成电路总规范≫GJB2438≪混合集成电路总规范≫第九讲封装第25页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽气密性封帽规范容许的气密性漏率MIL-STD-883和GJB548A方法1014.4第九讲封装第26页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽控制内部水汽的关键1.封帽时的环境气氛。用链式炉或管式炉钎焊，炉内的水汽含量应不大于100ppmv。平行缝焊或点焊操作箱内所充氮气的水汽含量应不大于10ppmv。2.烘烤温度，时间一般在几百Pa的真空度下烘烤,去除材料吸附的水汽。第九讲封装第27页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽水汽含量和烘烤温度和时间关系（陶瓷封装）第九讲封装第28页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽气密性封帽工艺电阻焊平行缝焊点焊钎焊玻璃熔封激光焊超声焊冷压焊胶粘封帽（环氧树脂）低熔玻璃封帽（黑陶瓷封装）MEMS常用封帽工艺第九讲封装第29页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽平行缝焊原理优点：局部加热，对芯片热冲击小；成本低。第九讲封装第30页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽整个回路的高阻点在电极与盖板接触处,电流在接触处产生大量热量,使得盖板与焊框上的镀层呈熔融状态,凝固后形成一个焊点。在焊接过程中,电流是脉冲式的,每一个脉冲电流形成一个焊点,由于管壳做匀速直线运动,滚轮电极在盖板上做滚动,因此就在外壳盖板的两个边的边缘形成了两条平行的、由重叠的焊点组成的连续焊缝,平行缝焊机操作箱内可充惰性气体,内连的烘箱,可对预封器件烘烤,从而有效控制封装腔体内的水汽含量。平行缝焊原理第九讲封装第31页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽钎焊原理第九讲封装第32页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽是将焊料放在盖板和外壳之间施加一定的力并一同加热,焊料熔融并润湿焊接区表面,在毛细管力作用下扩散填充盖板和外壳焊接区之间的间隙,冷却后形成牢固焊接的过程。盖板焊料有金锡(Au80Sn20)、锡-银-铜(Sn95.5Ag3.8Cu0.7)等。高可靠MEMS器件最常用的盖板钎焊材料是熔点为280℃的金锡(Au80Sn20)共晶焊料。焊料可以涂在盖板上,或根据盖板周边尺寸制成焊料环。在炉内密封时,需要采用惰性气体(一般为N2)保护,以防止氧化;或真空焊接。钎焊原理第九讲封装第33页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽Au80Sn20合金在20℃时的物理性能第九讲封装第34页2、芯片级封装芯片级封装＃6：封帽不同MEMS封帽工艺的比较封帽工艺特点平行缝焊适用于圆形、椭圆形、矩形金属及陶瓷封装;局部加热,对内部芯片热冲击小;可充惰性气体,可控制水汽含量;可靠钎焊适用于小腔体的金属及陶瓷封装;整体加热,芯片要经受较高的温度;可真空焊接或充惰性气体,可控制水汽含量;可靠性、气密性高激光焊接适用于热塑性塑料、陶瓷和金属封装与几乎所有透明材料制成的盖板密封,对于大腔体不规则几何形状的封装优势明显;局部加热,对内部芯片热冲击小;可靠性及密封性好超声焊接适用于金属及塑料封装;局部加热,对内部芯片热冲击小;能效高、生产效率高、成本低胶粘封帽适用于所有的封装类型;气密性及可靠性较低;设备简单,封帽成本低第九讲封装第35页2、芯片级封装－低熔玻璃双列直插封装2清洗盖板芯片管壳1划片3上芯点胶贴片固化4压焊5封帽6清洗去氧化层8检漏7搪锡9打标10切边11测试12电老化拉力测试低熔玻璃热熔封氦保压氮气吹氦质谱BycourtesyofXi’anRedsemiCDIP—CeramicDualIn-LinePackage，陶瓷双列直插第九讲封装第36页2、芯片级封装－低熔玻璃双列直插封装BycourtesyofXi’anRedsemi第九讲封装第37页2、芯片级封装－低熔玻璃双列直插封装BycourtesyofXi’anRedsemi第九讲封装第38页2、芯片级封装－低熔玻璃双列直插封装BycourtesyofXi’anRedsemi第九讲封装第39页2、芯片级封装－低熔玻璃双列直插封装BycourtesyofXi’anRedsemi第九讲封装第40页2、芯片级封装－低熔玻璃双列直插封装BycourtesyofXi’anRedsemi第九讲封装第41页2、芯片级封装－低熔玻璃双列直插封装BycourtesyofXi’anRedsemi第九讲封装第42页2、芯片级封装－低熔玻璃双列直插封装BycourtesyofXi’anRedsemi第九讲封装第43页2、芯片级封装－压力传感器固态隔离封装麦克传感器有限公司第九讲封装第44页2、芯片级封装－压力传感器固态隔离封装张生才,2002,高温压力传感器固态隔离封装技术的研究,电子科技大学学报,31(2):196-199体积补偿陶瓷2充硅油1上芯4充油孔密封5检漏3膜片焊接第九讲封装第45页2、芯片级封装－压力传感器固态隔离封装芯片隔离方法第九讲封装第46页3、圆片级封装intel第九讲封装第47页3、圆片级封装intel第九讲封装第48页3、圆片级封装中国电子科技集团公司第十三研究所硅基通孔、金硅共晶(Eutectic)键合圆片级封装陀螺样品照片第九讲封装第49页3、圆片级封装金硅共晶键合示意图表贴式MEMS器件圆片—圆片气密封装芯片在电路板上安装应用示意图硅-玻阳极键合工艺中国电子科技集团公司第十三研究所第九讲封装第50页3、圆片级封装张大成，北京大学第九讲封装第51页3、圆片级封装intel第九讲封装第52页3、圆片级封装intel第九讲封装第53页3、圆片级封装intel第九讲封装第54页3、圆片级封装intel第九讲封装第55页3、圆片级封装阳极键合(AnodicBonding)Si+碱金属玻璃(Pyrex7740)键合过程外加电压：200-1500V键合温度：180-500玻璃中的正离子将发生迁移，在硅-玻界面处形成耗尽层，电场力使表面紧密贴合Si-O键的强度是Si-Si键强度的2.5倍陈兢，北京大学Si-O键第九讲封装第56页3、圆片级封装阳极键合(AnodicBonding)陈兢，北京大学第九讲封装第57页3、圆片级封装熔融键合(FusionBonding)硅片表面平整(10Åroughness)无需粘合剂，甚至无需外力键合过程：表面处理接触退火键合前表面处理：O2Plasma退火温度600-1200℃陈兢，北京大学第九讲封装第58页3、圆片级封装熔融键合(FusionBonding)键合面由点扩散到面高温退火与很多工艺不兼容表面粗糙度、平整度和操作洁净度要求高陈兢，北京大学第九讲封装第59页3、圆片级封装熔融键合(FusionBonding)键合表面质量好可以形成电学pn结键合前硅片表面可以有图形M.Schmidt,MIT,JetEngineProject,7Wafersbondedtogethertoformtheturbine第九讲封装第60页3、圆片级封装阳极键合简单易行，但过高的工作电压有可能使得硅片上的脆弱结构发生形变，与其他结构粘连从而造成失效；熔融键合需要很高的温度（1000℃以上），不适用于带铝引线的结构，对颗粒非常敏感，并需要表面活化和亲水性处理等复杂的工艺步骤；共晶键合方法融合了以上两种键合的优点，不需要加高电压，不需要很高的温度（400℃左右），对环境的要求也不是很高，对硅片表面平整性要求不是很苛刻，所以在很多MEMS结构中都可以应用第九讲封装第61页3、圆片级封装共晶键合(EutecticBonding)键合表面质量好在两片硅片之间有一层金薄膜，即金硅二相系（硅含量19at%）熔点为363℃，其熔点要比纯金或纯硅的熔点都要低得多）。将样品加热到稍高于金硅共晶点的温度，金硅混合物将从键合的硅片中夺取硅原子以达到硅在金硅二相系中的饱和状态，冷却以后就形成了良好的键合第九讲封装第62页3、圆片级封装有机物键合(光刻胶,Polyimide,Parylene)低温（低热应力）无需外加电压对表面粗糙度不敏感较高的键合强度且低成本化学稳定性和生物兼容性好后续加工温度受限长期稳定性受限非气密非导电有机物涂覆易产生空洞陈兢，北京大学第九讲封装第63页3、圆片级封装陈兢，北京大学阳极键合强度：30-40MPa~300-400kg/cm2第九讲封装第64页3、圆片级封装玻璃粉(GlassFrit)键合丝网印刷350－450℃；玻璃回流气密性好很宽的线条（500微米）陈兢，北京大学OpenforQuestion食物不咀嚼不好消化，知识不讨论不易吸收