1. 引言
微機電系統(tǒng)(MEMS)是指包括微傳感器、微致動器(也稱微執(zhí)行器)、微能源等微機械基本部分以及高性能的電子集成線路組成的微機電器件或裝置,也可稱為微機械系統(tǒng)??梢哉f微機電系統(tǒng)是一種獲取、處理信息和執(zhí)行機械操作的集成器件,它是微機械學(xué)、微電子學(xué)、自動控制、物理、化學(xué)、生物以及材料等多學(xué)科、高技術(shù)的邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科。
經(jīng)過十幾年的發(fā)展,MEMS芯片已經(jīng)相當(dāng)成熟,但是,很多芯片沒有得到實際應(yīng)用,其主要原因就是沒有解決封裝問題。雖然MEMS封裝采用了許多與微電子封裝相似的技術(shù),但不能簡單地將微電子封裝技術(shù)直接用于MEMS器件的封裝中去。MEMS封裝的功能包括了微電子封裝的功能部分,即電源分配、信號分配和散熱等。但由于MEMS器件的特殊性、復(fù)雜性和MEMS應(yīng)用的廣泛性,對封裝的要求是非??量痰模庋b的功能還應(yīng)增加以下幾個方面的內(nèi)容:
(1) 應(yīng)力:在MEMS器件中,微米或微納米尺度的零部件其精度高但十分脆弱,因此,MEMS封裝應(yīng)對器件產(chǎn)生最小的應(yīng)力;
(2) 高真空:可動部件在真空中,就可以減小摩擦,達(dá)到長期可靠工作的目標(biāo);
(3) 高氣密性:一些MEMS器件,如微陀螺必須在穩(wěn)定的氣密條件下才能可靠長期地工作,有的MEMS封裝氣密性要達(dá)到1×10^(-12) Pa?m3/s;
(4) 高隔離度:MEMS常需要高的隔離度,對MEMS射頻開關(guān)就更為重要。為了保證其他干擾信號盡可能小,就要求對傳感器的某些部位進行封裝隔離。否則,干擾信號疊加在所采樣的有用信號上將使MEMS的正常功能難以發(fā)揮;
(5) 特殊的封裝環(huán)境和引出:某些MEMS器件的工作環(huán)境是氣體、液體或透光的環(huán)境,MEMS封裝就必須構(gòu)成穩(wěn)定的環(huán)境,并能使氣體、液體穩(wěn)定流動。
MEMS封裝的特殊性大大增加了MEMS封裝的難度和成本,據(jù)估計,MEMS器件的封裝成本占整個MEMS成本的50%~90%,成為MEMS進一步發(fā)展的瓶頸。目前,國內(nèi)MEMS封裝技術(shù)比較落后,必須予以重視,并積極發(fā)展MEMS封裝技術(shù)。
MEMS給封裝帶來極大挑戰(zhàn),也有很多自相矛盾之處。像噴墨頭和安全氣囊傳感器等早期產(chǎn)品都使用了合理的簡單封裝形式。但新出現(xiàn)的領(lǐng)域(比如生物MEMS)具有特殊的要求,就需要新方法,這類封裝需要操作流體等新形式。但如果從MEMS的一般要求來考慮,對應(yīng)的封裝方法是針對具體器件來定制的,也就是說,器件定制的解決方案意味著MEMS封裝方面的研究進展較慢,而且標(biāo)準(zhǔn)化也面臨挑戰(zhàn)。
MEMS芯片在封裝完成之前,會對機械撞擊非常敏感,而且特別容易被劃片時的顆粒污染損壞。因而,一些晶圓加工廠會進行部分或全部的封裝工藝。在使用掩膜版進行分割或者晶圓級工藝操作過程中,必須很好的保護MEMS芯片的動作空間。最常見的MEMS封裝要求是在不限制機械行為的前提下進行保護,但是,并不能簡單地從過去針對單純的電子芯片開發(fā)的技術(shù)中直接得到解決方法。電子器件通常會過成型操作,并有密封劑接觸芯片表面,因而這種方法會影響MEMS器件中的可動部分。
2. MEMS封裝遇到的挑戰(zhàn)
MEMS封裝技術(shù)嚴(yán)重滯后的主要原因是MEMS封裝完全不同于傳統(tǒng)集成電路(IC)的封裝。傳統(tǒng)IC封裝的目的是提供IC芯片的物理支撐、保護其不受環(huán)境的干擾與破壞,同時實現(xiàn)與外界信號、能源及接地的電氣互連。MEMS 器件一般都含有由多種材料組成的三維結(jié)構(gòu)和活動構(gòu)件,且常處于高溫、高濕或酸、堿性等惡劣環(huán)境之中。由于這種與外部環(huán)境的交互作用關(guān)系及其自身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,MEMS封裝與傳統(tǒng)IC封裝存在著相當(dāng)大的差別,對封裝技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
(1)MEMS 器件或微系統(tǒng)是在一塊硅片(或其他材料)上高度集成的多功能器件與系統(tǒng)。在實現(xiàn)電氣互連的同時,還要實現(xiàn)機械、熱、光、流體等之間的連接,因此它涉及多介質(zhì)間的互連技術(shù)。
(2)由于MEMS需要感知外部世界,因此對封裝技術(shù)而言,需要提供讓芯片敏感區(qū)與外界環(huán)境交互作用的通道, 如流體傳感器則需要相應(yīng)的流體通道,微光機電系統(tǒng)(MOEMS) 則需要光通道。這使得封裝同時面臨兩方面的問題:一是如何保證芯片敏感區(qū)與外界環(huán)境充分交互作用,并保護芯片敏感區(qū)不因兩者間的交互作用產(chǎn)生性能惡化,保持其性能穩(wěn)定;二是需要保護芯片的其他區(qū)域。
(3)由于MEMS器件一般工作在各種強振動、酸堿性物質(zhì)及其它化學(xué)物質(zhì)或有機溶劑等應(yīng)用環(huán)境下,因此要求封裝結(jié)構(gòu)與封裝材料能適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境。在保持穩(wěn)定性能的同時避免帶來傳感測量噪音。
(4)由于MEMS器件是集成的多功能器件,對工作環(huán)境有相應(yīng)的要求,如溫度、濕度以及大氣壓力等。如MEMS典型應(yīng)用之一的加速度測量儀的最佳工況是運行在接近大氣壓下的可控干燥大氣氛圍;而陀螺儀則需要真空環(huán)境。此外,上述兩者均對溫度敏感,因此需要在其中封裝傳感器,以便測量和控制溫度。對于具有活動構(gòu)件的MEMS 器件而言,對封裝的要求更高。
(5)MEMS封裝工藝參數(shù)引起的MEMS可靠性問題比較嚴(yán)重,如封裝熱應(yīng)力、封裝殘余應(yīng)力、封裝過程對芯片的污染、封裝除氣等。因此,對封裝工藝參數(shù)必須加以嚴(yán)格的要求和控制。
(6)鑒于MEMS制造工藝的多樣性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及應(yīng)用環(huán)境的多樣性,使得MEMS 封裝技術(shù)難以像IC 封裝技術(shù)一樣實現(xiàn)規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化,無法采用統(tǒng)一的封裝形式與封裝工藝。
綜上所述,對MEMS的封裝來說,除了要考慮高密度封裝所面臨的多層互聯(lián)、散熱、可靠性、可測試性等問題之外,還必須考慮將MEMS芯片、封裝與工作環(huán)境作為一個交互作用的系統(tǒng)來進行MEMS封裝的設(shè)計與制造。