MEMS封装技术的发展及应用

1 引言
    当前，国内外半导体集成电路科研水平已基本具备将一些复杂的机电系统集成制作在芯片上的能力，几乎整个1000亿美元规模的产业基础设施都可以用来支持MEMS技术，那些被批量制造的、同时包含尺寸在纳米到毫米量级的电子与机械元器件构成的MEMS，成为国际上微电子系统集成发展的新方向。多门类实用的MEMS演示样品向早期产品演绎，可批量生产的微加速度计、力敏传感器、微陀螺仪、数字微镜器件、光开关等的商品化日趋成熟，初步形成100亿美元的市场规模，年增长率在30％以上。当MEMS与其他技术交融时，往往还会催生一些新的MEMS器件，为微电子技术提供了非常大的市场和创新机遇，有可能在今后数十年内引发一场工业革命。然而，实现MEMS的商品化、市场化还面临许多挑战，尚有很多产业化的技术难题需要进行深层次的研究、解决，尤其是MEMS封装技术的发展相对滞后，在某些方面形成封装障碍，使得很多MEMS器件的研发仍暂时停留在实验室阶段，首先解决这一通往市场的瓶颈，促进产业链提速运转已成为各界共识。
 
2 MEMS封装的特点
    MEMS技术是一门相当典型的多学科交叉渗透、综合性强、时尚前沿的研发领域，几乎涉及到所有自然及工程学科内容，以单晶硅Si、Si02、SiN、SOI等为主要材料。Si机械电气性能优良，其强度、硬度、杨式模量与Fe相当，密度类似A1，热传导率也与Mo和W不相上下。在制造复杂的器件结构时，现多采用的各种成熟的表面微bD工技术以及体微机械加工技术，正向以LIGA（即深度x射线刻蚀、微电铸成型、塑料铸模等三个环节的德文缩写）技术、微粉末浇铸、即刻掩膜EFAB为代表的三维加工拓展。因而MEMS封装具有与IC芯片封装显著不同的自身特殊性：
（1）专用性
    MEMS中通常都有一些可动部分或悬空结构、硅杯空腔、梁、沟、槽、膜片，甚至是流体部件与有机部件，基本上是靠表面效应工作的。封装架构取决于MEMS器件及用途，对各种不同结构及用途的MEMS器件，其封装设计要因地制宜，与制造技术同步协调，专用性很强。
（2）复杂性
    根据应用的不同，多数MEMS封装外壳上需要留有同外界直接相连的非电信号通路，例如，有传递光、磁、热、力、化等一种或多种信息的输入。输入信号界面复杂，对芯片钝化、封装保护提出了特殊要求。某些MEMS的封装及其技术比MEMS还新颖，不仅技术难度大，而且对封装环境的洁净度要求达到100级。
（3）空间性
    为给MEMS可活动部分提供足够的活动、可动空间，需要在外壳上刻蚀或留有一定的槽形及其他形状的空间，灌封好的MEMS需要表面上的净空，封装时能提供一个十分有效的保护空腔。
（4）保护性
    在晶片上制成的MEMS在完成封装之前，始终对环境的影响极其敏感。MEMS封装的各操作工序、划片、烧结、互连、密封等需要采用特殊的处理方法，提供相应的保护措施，装网格框架，防止可动部位受机械损伤。系统的电路部分也必须与环境隔离保护，以免影响处理电路性能，要求封装及其材料不应对使用环境造成不良影响。
（5）可靠性
    MEMS使用范围广泛，对其封装提出更高的可靠性要求，尤其要求确保产品在恶劣条件下的安全工作，免受有害环境侵蚀，气密封装能发散多余热量。
（6）经济性
    MEMS封装主要采用定制式研发，现处于初期发展阶段，离系列化、标准化要求尚远。其封装在整个产品价格中占有40％-90％的比重，降低封装成本是一个热门话题。
    总而言之，IC封装和MEMS封装这两者最大的区别在于MEMS一般要和外界接触，而IC恰好相反，其封装的主要作用就是保护芯片与完成电气互连，不能直接将IC封装移植于更复杂的MEMS。但从广义上讲，MEMS封装形式多是建立在标准化的IC芯片封装架构基础上。目前的技术大多沿用成熟的微电子封装工艺，并加以改进、演变，适应MEMS特殊的信号界面、外壳、内腔、可靠性、降低成本等要求。
 
3 MEMS封装的发展
    MEMS的发展目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元器件与系统，开辟一个新技术领域和产业，其封装就是确保这一目标的实现，起着举足轻重的作用。几乎每次国际性MEMS会议都会对其封装技术进行热烈讨论，多元化研发另辟蹊径。各种改进后的MEMS封装不断涌现，其中较有代表性的思路是涉及物理、化学、生物、微机械、微电子的集成微传感器及其阵列芯片系统，在实现MEMS片上系统后，再进行封装；另一种是将处理电路做成专用芯片，并与MEMS组装在同一基板上，最后进行多芯片组件MCM封装、系统级封装SIP。在商用MEMS产品中，封装是最终确定其体积、可靠性、成本的关键技术，期待值极高。
    MEMS封装大致可分为圆片级、单片全集成级、MCM级、模块级、SIP级等多个层面。圆片级给MEMS制作的前、后道工序提供了一个技术桥梁，整合资源，具有倒装芯片封装与芯片尺寸封装的特点，对灵敏易碎的元件、执行元件进行特殊钝化保护，使其免受有害工作介质和潮汽侵蚀，不受或少受其他无关因素的干扰，避免降低精度，完成MEMS芯片与基座（或管壳）的焊接和键合；单片全集成级封装要对一个集成在同一衬底上的微结构和微电路进行密封，使之成为一个可供应用的完整系统产品，尺寸小，内部互连长度短，电气特性好，输出／人接点密度高，是MEMS封装发展的较理想方案；MCM级将MEMS和信号处理芯片组装在一个外壳内，常采用成熟的淀积薄膜型多芯片组件MCM-D、混合型多芯片组件MCM-C／D、厚膜陶瓷多芯片组件MCM-C的工艺与结构达到高密度、高可靠性封装，可以充分利用已有的条件和设备，分别制作MEMS的不同部分。这类封装在小体积、多功能、高密度、提高生产效率方面显出优势；模块级封装旨在为MEMS设计提供一些模块式的外部接口，一般分为光学接口、流体接口、电学接口，接口数据则由总线系统传输，从而使MEMS能使用统一的、标准化的封装批量生产，减少在封装设备上的投资，降低成本，缩短生产周期，并要求封装可以向二维空间自由扩展和连接，形成模块，完成某些功能，保证尽可能高的封装密度；SiP称为超集成策略，在集成异种元件方面提供了最大的灵活性，适用于射频RF-MEMS的封装，在目前的通信系统使用了大量射频片外分立单元，无源元件（电容、电感、电阻等）占到射频系统元件数目的80％-90％，占基板面积的70％-80％，这些可MEMS化来提高系统集成度及电学性能，但往往没有现成的封装可以利用，而SiP是一种很好的选择，完成整个产品的组装与最后封装。
    在MEMS封装技术中，倒装芯片互连封装以其高I／O密度、低耦合电容、小体积、高可靠性等特点而独具特色，可将几个不同功能的MEMS芯片通过倒装互连组装在同一块基板上，构成一个独立的系统。倒装芯片正面朝下，朝下的光电MEMS可灵活地选择需要接收的光源，而免受其他光源的影响。研究表明，通过化学镀沉积柔性化凸点下金属层UBM、焊膏印刷和凸点转移在芯片上形成凸点的这一套工艺的设备要求不高， 町作为倒装芯片封装结构用于力敏MEMS，尤其适合各研究机构为MEMS开发的单件小批量的倒装芯片封装。而使用光刻掩膜、电镀和回流的方法形成凸点的UBM，却适合工业化大批量生产的MEMS压力传感器。采用倒装芯片互连技术的MEMS封装已取得多方面进展，成为研发热点。
    在实际应用中，MEMS的封装可能是采用多种技术的结合。严格地讲，有些封装技术并无明显的差异和界定，另一些却与微电子封装密切相关或相似，高密度封装、大腔体管壳与气密封装、晶片键合、芯片的隔离与通道、倒装芯片、热学加工、柔性化凸点、准密封封装技术等倍受关注。用于MEMS封装的材料主要有陶瓷、金属、铸模塑料等数种，高可靠性产品的壳体大多采用陶瓷—金属、陶瓷—玻璃、金属—玻璃等结构，各有特点，满足MEMS封装的特殊信号界面、外壳性能等要求。
 
4 MEMS封装的应用
    MEMS是当代国际瞩日的重大科技探索前沿阵地之一，新研发的MEMS样品不断被披露出来，从敏感MEMS拓展到全光通信用光MEMS、移动通信前端的RF-MEMS、微流体系统等信息MEMS。光MEMS包括微镜阵列、光开关、可变衰减器、无源互连耦合器、光交叉连接器、光分插复用器和波分复用器等，MEMS与光信号有着天然的亲和力；RF-MEMS包括射频开关、可调电容器、电感器、谐振器、滤波器、移相器、天线等关键元器件；微流体系统包括微泵、微阀、微混合器、微流体传感器等，可对微量流体进行输运、组分分析和分离以及压力、流量、温度等参数的在线测控。MEMS正处在蓬勃发展时期，产业链和价值链的形成是需要链中各环节的共同努力和密切合作的，封装不可缺位。
 
4.1 微加速度计
    MEMS最成功的产品是微加速度计，通常由一个悬臂构成，梁的一端固定，另一端悬挂着一个约10μg的质量块，由此质量块敏感加速度后，转换为电信号，经C／V转换、放大、相敏解调输出。有的厂家月产达200万件，研发出20余种型号产品，主要用于汽车安全气囊系统和稳定系统的惯性测量，国际市场年需求量在1亿件以上。在市场上较其他类MEMS取得商业化快速进展的原因是更适宜采用标准的IC封装，提供一个相应的微机械保护环境，无需开发特殊的外壳结构，从XL50圆型陶瓷封装演进到XL276型8脚陶瓷双列直插式、XL202型14脚陶瓷表面贴装式封装，目前逐渐被更小的XL202E型8引脚陶瓷表面贴装所取代，可耐高温和强烈的机械振动、酸碱腐蚀。Low-G系列产品采用流行的方形平面无引脚QFN-16封装，有的采用16脚双列直插式或单列直插式塑料封装。采用MCM技术通常能在一个MEMS封装中纳入更复杂的信号调节功能芯片。
 
4.2 微陀螺仪
    MEMS微陀螺仪多利用振动来检测旋转的角速度信号，正加速研制高精度、低成本、集成化、抗高冲击的产品，研究在芯片上制造光纤陀螺，小批量生产硅MEMS陀螺（俗称芯片陀螺）和MEMS石英压电速率陀螺，用于全球卫星定位系统精确制导的信号补偿、汽车导航系统、飞行器、天线稳定系统等。有采用无引线陶瓷芯片载体LCCC封装、混合集成封装、MCM封装、单管壳系统封装的微陀螺仪，将惯性传感器与控制专用电路封装为一体，要求内部必须是真空气密条件。
 
4.3 力敏传感器
　　以MEMS技术为基础的微型化、多功能化、集成化、智能化的力敏传感器获得商业化应用。其中，硅MEMS压力传感器的使用最广泛，基本工艺流程分为力敏弹性膜片（硅杯）和组装两大过程，在纽装中如何避免附加应力的产生是封装工艺的关键，采用静电封接独具特色，将力敏弹性膜片与玻璃环通过静电封接机封接为一体，形成膜片基体，背面接受压力结构增加膜片的固定支撑厚度，然后键合内引线、粘结、焊外引线、老化处理、零点补偿、密封、静电标定等完成整个封装过程：封装技术向低温玻璃封接、激光硅—玻璃封接发展。
 
4.4 表面贴装麦克风
    全球首款表面贴装Si Sonic微型麦克风的部件采用MEMS技术制造，并将其与一个CMOS电荷泵IC、两个RF滤波电容集成在一个封装中，组成一个表面贴装器件。这种表面贴装的封装形式适合大批量自动装配生产，生产效率极大提高，而目前采用传统电容式麦克风ECM是手工贴装，缺乏规模经济性。前者总体只有ECM的一半大小，投影面积是更小的8．61mm2，有望取代一直在便携式应用中占主导地位的ECM。
 
4.5 数字微镜器件
    数字微镜器件DMD（DIGITAL Micromirror DEVICE）主芯片含有超过150万个能被精确控制、独立转动的微镜，可用于光通信及数字投影装置、背投彩电等，其成像原理是由微镜±10°的转动控制光信号通断，透镜成像并投影到屏幕上，优势是光效高、色彩丰富逼真、亮度易作到2000流明甚至更高、对比度2000：1、可靠性好、平均寿命约为50年，现销售量超过300万套。DMD采用带有透明窗口的密封封装形式，用陶瓷作为基底，玻璃作为窗口，同时使用了吸气剂，去除可能会对器件可靠性造成危害的湿气、氢以及其他一些物质微粒，其封装能够保证器件内干燥、密封并有一个透明的窗口确保光路的畅通。
 
4.6 MEMS光开关
    用MEMS技术制作的光开关是将光机械结构、微制动器、微光元件在同一基底上集成，具有传统光机械开关和波导开关的特点，二维和三维MEMS光开关已有商业化的产品面世，开展对一维的研究，多采用组件或隔离密封式、模块形式封装，其典型代表为MEMS-5200系列交换模块。有些产品能够接受来自数十条光纤的输入信号，并可将其路由到其他几百条光纤中去，采用这种产品的主要理由是避免花费昂贵、且难处理的大量光—电转换和电—光转换，要达到这一目的，就要求，于关与光纤以及其他器件之间进行几百次甚至几千次的连接，采用同光纤相适应的封装，封装及接头技术甚至比MEMS还新颖，并要尽可能减小温度、湿度、振动以及其他环境因素对封装光开关的影响。MEMS光开关市场上尚缺乏共同的封装技术标准，因批量小、技术难度大而价格特别昂贵，封装工艺、封装材料、性能测试等的不断改进是热点关注的话题。封装技术还需要更大的发展，才能充分体现出MEMS光开关在全光网中可扩展地完成各种光交换的关键作用的特性。
 
4.7 RF-MEMS
    RF-MEMS可弥补CMOS工艺的不足，MEMS技术制作的无源元件有益于系统集成度与电学性能的提高、成本降低，成为国际顶级半导体厂商拓展硅芯片应用范围的研发方向。RF-MEMS开关的实用化获得相当大的进展，往往没有现成的封装可以直接使用，因而需寻求解决方案，SIP首当其冲。SIP从RF-MEMS设计阶段即考虑封装问题，无源元件的集成方式、封装结构的设计、封装工艺流程、系统内芯片间的互连、封装材料的选择等尤为关键。SIP中内含表面安装器件、集成式无源元件、存储器芯片、CMOS芯片、GaAs高性能功率放大器，在基板上可用高密度互连技术制作掩埋式无源元件、传输线等，简化系统结构，降低寄生效应与损耗，提高应用频率范围，缩短产品开发时间。
 
5 结束语
    MEMS以及微光电子机械系统MOEMS、纳米电子机械系统NEMS的研发为新的技术革命提供了大量机遇。不同的MEMS要求具体相应的封装结构，封装技术的特异性高，引发出大量的封装问题亟待解决。据国外权威统计公司SPC的统计，国内MEMS的研究处于世界前八位，可批量生产MEMS力敏传感器，研制成功MEMS光开关、RF-MEMS开关、微流体系统等多种原理样品，从总体水平上看，与国外的差距主要体现在产业化技术上。选择一些应用量大、面广的MEMS及其封装作为发展和市场切人点，形成产业，满足市场需求，为发展其他MEMS打下基础、摸索出规律，这样就成功了一半。没有一项MEMS的研发会漠视封装技术，没有封装的跟进是不现实的。
    从国外发展趋势看，MEMS的封装类别一般都沿用已经标准化的IC封装结构形式，或者加以改进来适应MEMS要求，力争采用更多的现有IC封装架构实现MEMS的封装。采用新型封装结构及其技术，建立MEMS封装单元库，注重成本的新封装结构与MEMS研发之间的进一步整合，成为另一个发展趋势。
    在MEMS问题上，若就其封装展开充分的探讨，则各有各的方式，市场角逐要选择对路产品，在市场引导下组建起MEMS的完整产业链是值得期待的。