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MEMS封装技术的发展及应用

湖北工业大学学报 魏兵 夏明安?? 2011年09月27日 ?? 收藏0

  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。

  2MEMS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。

  3MEMS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。


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IC封装? MEMS封装? 微加速度计?

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