MEMS传感器的封装

MEMS传感器的封装【来源:《电子工业专用设备》】【作者:】【时间:2006-8-99:40:32】【点击:299】1引言MEMS作为21世纪的前沿高科技，在产业化道路上已经发展了20多年，今天，MEMS产品由于其具有大批量生产、低成本和高性能等特点，已经有了很大的市场，早期的封装技术大多数是借用半导体集成IC领域中现成的封装工艺，MEMS产品中，由于各类产品的使用范围和应用环境的差异，其封装也没有一个统一的形式[1]，应根据具体的使用情况选择适当的封装，同时，在MEMS产品的制造过程中，封装只能单个进行而不能大批量同时生产，因此封装在MEMS产品总费用中占据70％－80％，封装技术已成为MEMS生产中的瓶颈。CSP和WLP封装是MEMS进行批量生产和微型化的主要途径。2MEMS封装的挑战[2－4]目前的MEMS封装技术大都是由集成电路封装技术发展和演变而来，但是由于其应用环境的复杂性，使其与集成电路封装相比又有很大的特殊性[5]，不能简单将集成电路封装直接去封装MEMS器件。与IC封装类似，MEMS封装主要实现3个功能：机械支撑、环境保护和电气连接[6]。2.1机械支撑MEMS芯片有的带有腔体，有的带有悬梁，这些微机械结构的尺寸很小，强度极低，容易因机械接触而损坏和因暴露而沾污，特别是单面加工的器件，是在很薄的薄膜上批量加工的，结构的强度就更低，它能承受的机械强度远远小于IC芯片，对封装的机械性能提出了更高要求。2.2环境保护MEMS封装一方面需要对微结构、电路和电气连接进行保护，确保系统的稳定性和可靠性：另一方面又必须对传感器芯片提供一个或多个环境接口，使其能充分感知待测物理量的变化，从信号界面来说，MEMS的输入信号界面复杂，可能为光信号（光电探测器）、磁信号（磁敏器件），还有机械力的大小（压力传感器）、温度的高低（温度传感器）、气体的成分（敏感气体探测器）等，这种复杂的信号界面给封装带来很大的难度。2.3电气连接[7]电气连接不仅指MEMS器件与上一级系统之间的信号连接（包括提供通往芯片的电源和接地连接），而且包括MEMS器件内部的信号通路连接。当MEMS器件与电路集成时，就需要考虑系统的信号分配和功率分配。除此之外，在实际的MEMS封装中，其必须考虑下面一些因素，首先，封装必须给传感器带来的应力要尽可能小，材料的热膨胀系数（CTE）必须与硅的热膨胀系数相近或稍大，由于材料的不匹配，很容易导致界面应力，从而使芯片发生破裂或者分层。对于应力传感器，在设计时就必须考虑封装引起的应力给器件性能的影响，其次，对于一般的MEMS结构和电路封装，散热是必须要给予充分重视的，高温下器件失效的可能性会大大增加，而对于热流量计和红外传感器，适当的热隔离会提高传感器的灵敏度。再次，对于一些特殊的传感器和执行器，需要对封装的气密性进行考虑，封装的气密性和漏气对于提高压力传感器的精度和使用寿命是至关重要的。而对于一些有可动部件的传感器，进行真空封装可以避免振动结构的空气阻尼，提高使用寿命，最后，由于MEMS传感器的输出信号都是微纳量级的，所以必须考虑封装给器件带来的寄生效应。3先进的MEMS封装技术[8－10]传统的MEMS封装主要有金属封装，陶瓷封装和塑料封装三种形式，金属封装和陶瓷封装由于其导热性能好，气密性好等优点在一些单个器件的封装中经常使用，铸模塑料由于密封性能不够好，而限制了塑料封装在某些对密封性能要求较高的领域的应用，目前，吸气剂方面的研究成果则给了塑料封装在MEMS方面应用的新契机。吸气剂可以用来去除MEMS器件内部的湿气以及其他一些会影响器件可靠性的微粒，使用适量的吸气剂和塑料封装技术就可能获得准密封的封装效果，从而在降低封装成本的同时保证了MEMS器件的可靠性。最近几年，MEMS封装技术取得了很大进展，出现了众多的MEMS封装技术，大多数研究都集中在特殊应用的不同封装工艺，但有开发了一些较通用、较完善的封装设计，尽管要区分出不同封装方法之间的细微差别十分困难，但通常可将其分为3个基本的封装层次：（1）芯片级封装；（2）圆片级封装；（3）系统级封装[11]。3.1芯片级封装随着集成IC电路的MEMS系统的发展，MEMS芯片的面积越来越大，管脚越来越多，使得原有的封装形式不再适合，芯片尺寸封装CSP（ChipScalePackage）的出现，使长期以来芯片小而封装大的矛盾终于得到解决。芯片尺寸封装是指芯片封装面积不大于其芯片面积的120％，或其芯片封装每边不大于1mm的产品，CSP的种类很多，有柔性封装CSP（FPBGA）、刚性基板CSP（CSTP）、引线框架CSP（LOC型CSP）、栅阵引线型CSP（LGA型CSP）和微小模塑型CSP等，不同的CSP结构，其技术也不尽相同，但都是基于两个根本技术：倒装焊（FCB）和球栅阵列（BGA）。3.1.1倒装焊技术[12，13]倒装芯片技术源于IBM的C4技术（ControlledCollapseChipConnection），是一种将晶片直接与基板相互连接的先进封装技术。在封装过程中，芯片以面朝下的方式让芯片上的结合点透过金属导体与基板的结合点相互连接的封装技术，和传统的引线键合技术相比，使用倒装芯片技术后，引脚可以放在芯片正下方的任何地方，而不是只能排列在其四周，这样就能使得引线电感变小、串扰变弱、信号传输时间缩短，从而提高电性能；同时，由于倒装芯片技术可以将芯片直接覆盖的在基板上，从而能够大副缩小封装的尺寸，实现芯片尺寸封装（CSP）。倒装焊技术有3种电气连接方法：焊球凸点法（Solderbump），热压焊法（和热超声焊法）（见图1）、导电胶粘接法（见图2）。无论哪一种电气连接方式，凸点的制作是非常关键的。凸点根据组分的不同分为软凸点（焊料金属）和硬凸点（Au或Cu），根据形状分为球状凸点和柱状凸点，柱状凸点可以实现小节距，并且间隙可调。[14、15]焊球凸点法是IC中最常用的FC技术，工艺成熟，成本低。其采用软凸点，回流（Reflow）焊实现凸点焊接，最后用Underfill工艺进行填充，热压焊法（和热超声焊法）采用硬凸点，通过加热加压或超声的方法焊接，最后也采用Underfill工艺进行填充，缓解热应力失配。导电胶粘接法包括两种：各向导性导电胶和各向同性导电胶。各向异性导电胶施加在整个空隙之间，只在垂直方向导电，可以实现小节距工艺（Finepitch）。各向同性导电胶只加在接触点空隙之间，一般采用含银颗粒的环氧树脂浆液。倒装焊的凸点具有高精度的自对准，并且可以通过控制凸点高度来调整芯片与基板间隙，采用AuSn的柔性凸点还可以用来补偿凸点高度的不一致性。热压焊法的凸点材料为Au，其制作工艺可以用来实现隔离环，流体通道，热沉等，如果结合光刻可以用来制造一些特殊的MEMS结构。值得注意的是倒装焊技术需要底部填充物来完全填充芯片间隙，但对MEMS器件来说，填满间隙会影响活动部件的运动，从而在一定程度上限制了其在MEMS中的应用。3.1.2球栅阵列技术球栅阵列技术（BGA）是利用球状焊盘作为连接点进行表面安装的芯片封装技术，BGA通过穿过底板的电通孔（Throughhole）和底面的电互联图形，将底板上的节距很少的焊点再分布（Redistribute）到底板底面节距较大（约几百微米量级）的焊球阵列上。与TSOP相比，BGA最大的进步是从四周引脚变为面阵列引脚，从而可以大大提高其封装密度。这种封装的特点是结构紧凑、多引脚和低的感应参数。BGA封装包括PBGA（PlasticBGA）基板、CBGA（CeramicBGA）基板和TBGA（TapeBGA）基板。PBGA底板为2－4层有机材料构成的多层硬质板，即LaminaterigidSubstrate（见图3）。芯片和载体底板（Carriersubstrate）的电连接方式可以是wirebonding，也可以是FC。CBGA采用陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（FlipChip）的安装方式（见图4）。陶瓷封装可实现芯片的真空气密封装要求，留有空腔，不妨碍MEMS器件可动结构的工作，TBGA是载带自动焊接技术的延伸，利用载带互连实现芯片到焊料球和基板的连接，陶瓷封装的BGA和塑料封装的BGA并不是真正意义上的芯片尺寸封装。微球栅阵列μBGA是真正的芯片尺寸封装，它采用薄的柔性基板作为衬底，低应力的弹性体作为模片固定。安装时，薄片面朝下并且电路的焊盘与衬底相连接进行键合，键合后，引线用环氧材料密封进行保护，焊锡球附着在衬底上的焊盘上形成矩形阵列，模片的背面裸露以利于散热。3.2圆片级封装[16－20]圆片级封装WLP（WaferLevelPackage）是一种全新的封装思想，和传统的工艺将封装的各个步骤分开来加工不同，WLP用传统的IC工艺一次性完成后道几乎所有的步骤，包括装片、电连接、封装、测试、老化，所有过程均在圆片加工过程中完成，之后再划片，划完的单个芯片即是已经封装好的成品，然后利用该芯片成品上的焊球阵列，倒装焊到PCB板上实现组装。WLP的封装面积与芯片面积比为1：1，而且标准工艺封装成本低，便于圆片级测试和老化。实现圆片级封装的方法很多，主要有再分布WLP、包封WLP和柔性载带WLP，其中再分布WLP应用最为广泛（见图5），再分布WLP的核心工艺是利用二级钝化层（薄膜聚合物）和金属层将芯片的周边布局的焊盘重新分布成面阵列布局，常用的介质层材料是BCB和聚酰亚胺（PI），常用的再分布金属连线材料为铝和铜。图6是一种典型的再分布工艺，最终形成的焊料凸点呈面阵列布局，该工艺中，采用BCB作为再分布的介质层，Cu作为再分布连线金属，采用溅射法淀积凸点底部金属层（UBM），丝网印刷法淀积焊膏并回流，其中底部金属层工艺对于减少金属间化合反应和提高互连可靠性来说十分关键。包封WLP技术的关键工艺为键合，包括硅直接键合、阳极键合、共晶键合和熔融玻璃键合等，在Shellcase的工艺中，芯片包封在玻璃板中，通过玻璃表面凸点实现外界互连，该技术采用与再分布工艺类似的材料和技术将芯片的周边焊盘扩展到划片槽的位置，圆片的正面键合到玻璃板上，对圆片背面进行研磨或抛光，减薄到100μm，是整个封装的最终厚度在0.3－0.5mm。然后将圆片的背面与玻璃进行键合。对这种玻璃－芯片－玻璃的结构进行划片，露出划片槽处的扩展焊盘。对圆片表面进行金属化，刻蚀出图形用于淀积焊球阵列，淀积UBM，刻出图形，淀积凸点，回流，测试并切片分割。柔性载带WLP技术将常规的柔性载带合引线键合工艺结合起来，采用柔性铜箔聚酰亚胺载带进行周边焊盘的再分布，通过引线键合实现IC周边焊盘与载带焊盘的互连。对于MEMS光器件来说，封装必须在保证芯片能够充分接触到光线的前提下进行，SCHOTT提出OPTO－WLP的解决方法：芯片正面与光线接触，而背面应用BGA等封装方法安装到PWB上，OPTO－WLP的主要工艺步骤如图7所示，其核心工艺为利用通孔再分布和键合，是WLP封装原理的一种典型应用。3.3系统级封装利用标准的IC工艺和MEMS后处理工艺，在单芯片上实现简单的MEMS系统即SoC（SystemonChip）是可行的。但是在单芯片上实现复杂的MEMS系统，往往因为工艺的兼容性和成本问题变的不可行。为了要达到高度整合的目的，同时保持系统应有的功能及可接受的成本，System－In－Package（SIP）被提出来，成为系统单芯片之外的另一种选择，目前，主要有日本业界所领导的SIP（System－in－Package）与美国乔治亚理工学院（GeorgiaInstituteofTechnology）大力提倡的SOP（System－on－Package）。SIP利用多层薄膜封装与组装技术，来达到3D集成电路堆栈，或是含集成电路的封装堆栈，而整合成系统，美国乔治亚理工学院率先从事SOP的研究，以创造最精巧的多功的结合系统（convergentsystems）为目的，本文中两者不予区分，统称为SIP。实现SIP的方法很多，主要包括多芯片组件技术和3D封装两大技术。3.3.1