MEMS封装

MEMS封装从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、计算机控制以及能源供给的系统MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等微机电系统简介什么是微机电系统外界信息传入功能作用与外界•信息系统微型化系统体积大大减小性能、可靠性大幅度上升功耗和价格大幅度降低•信息系统的目标：微型化和集成化微电子解决电子系统的微型化非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键信息系统的发展机械部分传感执行控制部分电子学MEMS微电子学微电子学与微机电系统的区别（1）MEMS(MicroElectorMechanicalSystem)美国是由电子和机械组成的集成化器件或系统。（2）MicroSystem欧洲微系统由多个微元件组成，并作为一个完整的系统进行优化，以提供一种或多种特定功能。（3）MicroMachine日本微机械是由只有几毫米大小的功能元件组成的。国际上对微机电系统的定义与称谓微机电系统的尺度微机电系统不能完全用总尺寸来定义，而应用特征尺寸来表征。特征尺寸是决定微机电系统器件性质和加工工艺的关键尺寸，如扩散硅压力传感器的膜厚。特征尺寸在亚毫米以上的机械电子系统基本上属于传统机电一体化设备；而特征尺寸在亚微米以下的机械电子系统属于纳机电系统。MEMS封装是MEMS设计与制造中的的一个关键因素。最佳的封装能使MEMS产品发挥其应有的功能。MEMS封装应满足以下要求：（1）对微传感器芯片封装应提供一个或多个环境通路。（2）对那些对应力特别敏感的微传感器，封装带来的应力应尽可能的小。（3）封装与封装材料不应对环境造成不良影响。（4）封装应保持微传感器及其电子器件免遭环境不利影响。（5）封装必须提供与外界的通路。MEMS封装与传统集成电路封装相比有很大的特殊性：（1）集成电路主要是二维结构；而MEMS由不同物质、不同层所构成的三维几何构型。（2）集成电路在封装后与环境绝缘。而MEMS的敏感元件和一些核心元件需要与工作介质接触。外部环境会对敏感元件造成不利影响，这就对芯片钝化提出要求。（3）普通集成电路信号界面单一，通常只有电信号。而MEMS和微系统的输入信号界面复杂。（4）大多数MEMS器件的外壳上需要有非电信号通路，所以不能进行简单的封装。从而提出外壳密封要求。（5）随着科学技术的发展，MEMS器件的使用范围越来越广，对封装的可靠性要求越来越高。1、MEMS封装设计MEMS封装的3个级别封装设计需要考虑的问题：（1）对所设计产品的预期其环境影响。（2）对产品封装设计中误操作及偶然事故的充分估计。（3）正确选择材料以保证封装的可靠性。（4）尽量减少电子引线和连接点。（5）在组件制造、装配、封装中所需成本。1.1芯片的封装芯片级封装包括组装和保护微型装置中细微元件，应达到要求：（1）保护芯片，避免变形或破裂。（2）对有些元件提供必要的电、磁、机械隔离。（3）确保系统在正常操作下的功能实现。图压力传感器的芯片级封装图微加速度计的芯片级封装1.2器件级封装包含MEMS芯片+信号调节和处理电路。这类封装包含以下两方面内容：（1）微型硅片和核心元件的界面与其他封装好的部分尺寸处理恰当。（2）这些微型元件在环境中的接口界面。图微加速计器件级封装照片1.3系统级封装包含MEMS芯片器件和主要信号处理电路。这类封装要求：（1）屏蔽——电磁、振动、热（2）安装位置关系精确（3）接口顺畅2、封装工艺封装工艺主要包括表面键合、引线键合、密封工艺和目前的一些先进封装工艺。2.1表面键合作用——组装、振动隔离粘接•简易方便成本低•连接强度、可靠性差•环氧树脂——受热环境影响大•硅橡胶——不适合于高压应用钎焊•化学惰性、密封性•提高温度时容易发生蠕变键合•阳极键合——硅片与玻璃/石英衬底，密封、便宜•硅熔融键合（SFB）——两个硅晶片之间•绝缘硅（SOI）——硅-非结晶质材料（如SiO2）•低温表面键合与剥离——中间薄膜层作用2.2引线键合区别——前为面键合，此为点键合引线材料——主要金或铝，其他铜、银、钯工艺参数•通常速度每秒钟10个线点•引线直径25-75µm热压键合•键合装置——毛细管劈刀•楔压键合——压力、热结合作用•作用点——芯片压点、引线框内端电极超声键合•压力、超声摩擦结合作用•优点——不加热底座、可形成不同金属之间的键合热超声球键合•金丝端部先融化成小球，再压力、超声摩擦结合作用•优点——连接尺寸控制极佳2.3微密封工艺微壳密封反应密封技术2.4先进封装——倒装焊概念在芯片有源面的铝压焊块上做凸焊点，然后将芯片倒扣，直接与基板连接优点•实现圆片级芯片尺寸封装（WLP-CSP）•与基板直接相连——缩小器件的体积、重量•焊球阵列（BGA）凸点可以布满整个管芯——增加了I/O互连密度•“连线”的缩短——引线电感电容小、串扰弱，信号传输时间短实例倒装焊封装的微麦克风2.5先进封装——多芯片封装（MCP）•减小器件体积，小型化•缩短信号从信号芯片到驱动器或执行器的距离，减小信号衰减和外界干扰的影响目的实例加速度微传感器的封装•比小芯片分别封装更容易•提高封装可靠性•提高封装密度、生产效率其他优点Multichipmodule(MCM)2.6插装元器件的结构——降低封装成本、缩短研发时间、使用便利分类外观•金属封装/陶瓷封装——气密性，可靠性高•塑料封装——非气密性，简单、低廉、大批量•金属外壳封装——抗电磁干扰•圆柱形外壳封装（TO）•矩形单列直插式封装（SIP）•双列直插式封装（DIP）•针栅阵列式封装（PGA）3、封装基片材料•导热性能•线膨胀系数（与硅和砷化镓匹配）•高频特性（低介电常数、介质损耗）•电绝缘性能•机械性能•化学性质稳定（抵抗应用与工艺腐蚀）•加工性•成本对基片材料的要求陶瓷1、三氧化二铝陶瓷——占陶瓷基片材料的90%——热导率不足以满足大功率集成电路应用•较好的导热性能•和元器件相近的线膨胀系数•优异的高频特性•高的电绝缘性能•很高的化学性质稳定•机械性能差•加工性复杂•成本高2、氮化铝陶瓷——高热导率（为三氧化二铝5倍以上），适用于高功率——制备工艺复杂，成本高3、氧化铍陶瓷——高导热、理想高频特性（适合上天电子设备）——工艺毒性，成本高环氧玻璃——特别适合引脚封装，特别是塑料、大批量封装。常用于单层、双层或多层印制板•导热性能差•线膨胀系数一般•高频特性一般•电绝缘性能一般•成本低廉——环氧树脂和玻璃纤维为基础材料的复合材料金属最常用铝•热导率很高/重量轻/价格低/易加工•线膨胀系数匹配性差铜类似•很低线膨胀系数•良好的焊接性•导热能力较差镍铁合金/铁镍钴合金钨和钼•线膨胀系数匹配性很好•导热性好•与硅可焊性差、连接工艺复杂且可靠性差•密度大，不适合上天产品•价格昂贵——半导体硅片的支撑材料——小功率整流器的散热和连接材料