MEMS封装面临的挑战

    为了适应MEMS技术的发展，人们开发了许多新的MEMS封装技术和工艺，如阳极键合，硅熔融键合、共晶键合等，已基本建立起自己的封装体系。现在人们通常将MEMS封装分为四个层次：即裸片级封装（Die Level）、器件级封装（Device Level）、硅圆片级封装（Wafer Lever Packaging）、单芯片封装（Single Chip Packaging）和系统级封装（System on Packaging）。但随着MEMS技术研究的深入和迅猛发展，以及MEMS器件本身所具有的多样性和复杂性，使得MEMS封装仍然面临着许多新的问题需要解决，如在硅圆片切割时，如何对微结构进行保护，防止硅粉尘破坏芯片；在微结构的释放过程中，如何防止运动部件与衬底发生粘连等；在器件封装中应力的释放，以及封装及接口的标准化等问题，此外还有封装性能的可靠性及可靠性评价问题等。下面从MEMS封装的四个层次以及封装标准和封装的可靠性方面来
阐述MEMS封装中所面临的一些问题。

    1）裸片级封装（Die level）

    裸片级封装通常是指钝化、隔离、键合和划片等工艺，其目的是为裸片的后续加工和使用提供保护。从硅圆片上分离裸片的常用方法是采用高速旋转的晶刚石刀片进行切割，在切割的同时，必须用高净化水对硅圆片表面进行冲洗。这种为集成电路开发的裸片切割方法对保护裸片上的关键电路不受硅粉尘的污染是非常有效的。硅片表面的水膜对集成芯片有很好的保护作用。然而，由于MEMS比IC有更复杂的结构，如有腔体、运动部件以及更复杂的三维结构等，用这种裸片切割方法分离这些MEMS芯片，却因为水、硅粉尘的原因而很容易损坏或阻塞芯片的灵巧结构。为了防止MEMS芯片受损，必须在设计芯片阶段就开始考虑对芯片结构的保护。

    裸芯片腔体封装是一种常用的方法。封装时有一个硅片基板裸片和一个硅“盖帽”裸片，先将MEMS芯片贴到基板裸片上，再将“盖帽”裸片键合到基板裸片上，从而形成一个密封腔体来保护MEMS器件。

    钝化保护器件的方法也常用，这层保护层的厚度约为2－3μm。用有机保护层对芯片进行保护是很有效的，但存在的问题是有机物随着时间容易老化，典型的涂层是硅胶，硅胶容易变干和变硬，这在许多应用中限制了它的有效寿命。

    此外，将裸片与环境隔离的方法还有粘接工艺和键合工艺。粘接工艺主要使用环氧树脂、RTV、硅橡胶等粘接剂，环氧树脂用作粘接具有使用更简单，在固化时不要求升温，对冲击、振动能提供了很好的保护，具有价格优势等特点。粘接方式的缺点是没有抗拉强度，易老化，而且不能做到密封，这在要求有可靠的机械强度和密封性能或者要求器件不受过强运动冲击的应用中是远远不能满足实际要求的。解决这一问题的方法是用键合工艺对裸片进行封装，键合工艺包括阳极键合、焊料焊接、硅熔融键合、玻璃粉键合及共晶键合等。

    2）器件级封装（Device level）

    器件级封装通常由MEMS器件、电源、信号调理和补偿、以及与系统的机械和电的接口等几部分组成。器件级封装旨在提高和确保器件的性能、减小尺寸和降低价格。与电子器件相比，MEMS接口更复杂、涉及的面更广。缺乏标准和标准化产品一直阻碍着MEMS的商业化。

    器件封装连接的方法很多，包括环氧树脂或其它粘接方法、热熔方法（如电阻焊、回流焊）、芯片的互连包括引线键合、载带自动焊、倒装芯片技术等。尽管对特定的工作环境没有确切的定义，但要求在整个工作环境中，封装结构在机械强度、抵抗水压或空气压力的能力以及引线连接强度等方面必须是可靠的。

    3）圆片级封装（Wafer Level）

    在应用MEMS技术制造传感器过程中，人们一直努力想通过器件设计和制造工艺本身来减小MEMS封装所面临的挑战。

   一个MEMS器件，如惯性传感器，不仅在其制造过程中，而且在其使用过程中，都必须进行保护，避免环境对其造成损坏。因为传感器，在许多情况下，是为了对检测的环境产生动态响应。传感器被悬挂在基板上，能沿纵向或侧向运动。因此，在圆片工艺完成之后，即在所有的前道工艺完成之后，这些器件很容易受到划片和组装等后序工艺的影响而损坏。为了解决这些问题，人们已开发了许多新的工艺和技术，其中，圆片级封装是一类重要的封装形式。

    圆片级封装是将释放后的传感器用一个帽子或盖子进行保护。这种帽子可使用平面集成制造工艺在圆片级制成，或使用另外的硅、玻璃或石英圆片制成。对帽层结构的主要要求有高的气密性、方便的引线传递、低的价格，以及制造方便和小的覆盖区域。平面帽层结构可采用淀积多晶硅或氮化硅等薄膜形成。在这一工艺中，额外的牺牲层材料淀积在传感器结构的顶层，紧跟着就是帽层结构材料，例如，在表面微机械共振器中，把一个额外的牺牲层磷硅玻璃（PSG）淀积在传感器结构顶层；然后，用低压等离子化学汽相沉积（LPCVD）在上面淀积氮化硅薄膜作为盖帽结构，盖帽结构常为富硅的氮化硅薄膜，因为这种薄膜具有低的拉伸应力且淀积厚度可达1μm而不会破裂。此外，还必须在盖帽层上制作用来去除整个牺牲层的刻蚀孔。一旦通过牺牲层刻蚀将器件释放，刻蚀孔或口必须被密封。因此，刻蚀孔应位于盖帽结构层的外围。根据化学刻蚀对结构层和隔离层的选择性，使用牺牲层刻蚀工艺能释放的最大距离将决定器件的大小，同时，在设计和制作工艺中，还要考虑环境压力对盖帽结构的影响。

    将硅圆片键合到器件圆片上是形成盖帽结构的另一种方法。人们已经开发了多种键合盖帽圆片的方法：如阳极键合、热压键合、金属共晶键合、玻璃粉磨键合。例如在摩托罗拉z-轴加速度传感器开发过程中，硅盖帽圆片是用玻璃粉键合的。玻璃粉圆片键合技术是将微机械圆片键合到体硅微机械盖帽结构上，盖帽圆片是在圆片上用图形转移和湿化刻蚀硅方法在基板形成腔体结构的工艺制作的，腔体容许为探针测试引入金属焊盘。粘接层也常用来建立两个圆片之间的永久键合，并充当作隔离层。用硅作为盖帽圆片使得两圆片的热膨胀系数（CTE）差别达到最小，同时要求玻璃粉的CTE与硅圆片的CTE接近匹配也是非常重要的，这样可以使键合界面应力达到最小。丝网印刷工艺也常用在玻璃焊膏的应用中，圆片进行干燥后，再放在高温炉中蒸发和烧结成玻璃，再将盖帽圆片对准器件圆片并使用热压方法形成气密密封，两圆片在大于500℃的温度和适当的键合压力下完成键合。阳极键合常用来将硅键合到玻璃上，它提供了可靠的键合性能，可用作形成气密性封装。共晶焊料键合也能形成可靠的键合性能，也常用作气密圆片级封装中。键合技术可用在圆片级封装和裸片级封装（包括倒装芯片技术）中。由于键合工艺常在制造过程的最后进行，而器件中铝材料的存在，键合容许的温度是很有限的，早期开发的硅熔融键合温度高达上1000℃，这种键合工艺的使用就受到很大限制。因为这个原因，人们又开发了多种在400℃以下键合的工艺。

    4）系统级封装（System on Packaging）

    系统级封装和组装的目的主要是使MEMS器件满足不同类型产品的需要。与微电子产品相比其主要的差别在于品种繁多、结构复杂、与应用环境的接口类型很多，在尺寸、加工夹具和设备上的限制也很大。这些基本的设施必须借用或采用现有的微电子工业设施或为微系统进行专门开发。微系统用户必须为器件定义环境和提出使用的条件，对复杂的MEMS系统，则要求设计、制造和封装等各方面的专家一起制定解决方案，确定系统结构和制造流程等。应用辅助的有限元方法建立模型和进行模拟也是解决这一问题的有效手段。

    在微米尺度，组装和装配容差要求更高，而且具有方向性。在宏观系统中主要考虑的力为重力，在微系统中的影响变小，而其它的力如表面吸附力、范德华力等，必须认真理解和处理好。微系统的应用范围很宽、很广，这一范围从气密密封简单器件的应用如用于空气气囊的加速度计，到暴露在严酷环境如热、冲击、振动和辐射的工业应用，以及到具有更高温度、压力和辐射的太空应用和要求更苛刻的人体植入应用等。对于一般的应用情况，要求封装简单且能使用便宜的批量化工艺进行制造；对复杂的情况，要求产品既能实现所要求的功能，又能防止恶劣环境影响产品功能或损坏产品。满足这些复杂的要求和高可靠性指标使得MEMS的商业化进程受到延迟，这是目前MEMS所面临的又一重大挑战。

    5）接口的标准化

    MEMS器件的接口种类很多，接口的标准化要包括电、光、流体等所有的这些接口的标准化。

    与外界相连的电源和信号接口一般遵循为IC工业建立起的标准，这些标准将继续被常规应用所采用。电源连接遵循Cu、Al、Au线等适用于标准载荷和应用环境的标准化连接器对。信号连接遵循一样的标准或应用新型的光纤连接技术。当然，后者更适合应用于许多新兴的应用领域，特别适合于有机体植入系统的应用。需要将通信作为关键特征的微系统在设计和实施中将会引起电磁兼容（EMC）、电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）问题。与所有的微电子器件一样，需要恰当的接地才能预防静电荷聚集和瞬时放电问题。

    流体的I/O也需要开发标准的连接器。这个问题在IC世界中还没有出现，在IC器件中，只有一些大的芯片使用冷却管道。流体包括气体和液体，应用时必须考虑流体的类型、压力、温度、流动性及化学毒性和对材料的腐蚀特性。许多应用需要具有自清洁特性的精细过滤功能来防止阻塞或过早的失效。流体通道可能要求内部隔离以避免微系统中的残余物，通常按宏观尺寸要求设计的规则和封装及组装方法不适应用常规的微米和纳米尺寸。应该开发适用于这一应用范围的标准连接器和管道系统。

    在封装设计及材料选择时，屏蔽好使用环境对器件造成损坏是最基本的要求。同样的，微系统必须有一个定义好的接口用来测量或者控制它所在的环境参数，并能充分的隔离所有其它可能引起干扰或损坏的参数。一些MEMS在高功率RF和激光设备中应用时，将需要特别注意适当的屏蔽设计。在许多应用中贴装方法也是需要的，为了在其所希望的环境中运行，微系统必须朝着一个方向可靠的固定好。微系统还需要防止在其工作的环境中受到热、冲击、振动等的影响。

    6）可靠性和媒质的兼容性

    为了使低价位的传感器能够经得起长期暴露在上面所列的环境中，必须考虑多种因数。传感器在整过所希望的寿命期间，在化学、电、机械和热环境中实现其特定的微机电功能的能力称为媒质的兼容性。如果传感器不进行钝化和保护，显然MEMS器件不能够工作在上面所列的环境中。在大多数环境中，传感器的金属区域将迅速的被腐蚀而导致重大的失效，在腐蚀不多的情况下，其电信号输出会发生改变。例如在人们检查一个体微机械压阻压力传感器时，发现有下列金属区域已经被腐蚀：在钝化层下的Al线、Al焊盘、Au线以及镀金的引线框架等。下面从对封装的热机性能要求和耐化学腐蚀性能两方面进行讨论。

    （1）机械考虑

    有许多机械方面的考虑用于评价MEMS封装或半导体器件。MEMS封装关于机械方面的要求有以下四个方面：（a）在封装制造时引起的残余应力最小；（b）由外部载荷引起的应力最小；（c）尽量减小与时间变形机制有关引起的应力；（d）防止器件在使用寿命期的机械失效，最后一点是对所有的半导体器件封装的要求。长期以来，人们一直致力于通过优化封装设计和封装材料来减小这些问题。在对应力敏感器件，如压力传感器、压阻压力传感器、电容加速度传感器等在设计时应着重考虑对前三点的要求。

    将封装引起的应力减小到不影响输出信号这对MEMS传感器的设计是十分重要的。这对于设计敏感力或位移变化的器件（如压阻和电容压力传感器）或设计的器件是位移敏感的（如一些电容惯性器件）是特别困难的。MEMS传感器通常设计用来检测十分小的应力或位移。这类器件对高灵敏度性质的要求最高。然而，对封装设计者来说，高灵敏度意味着对裸芯片的应力隔离的要求更严格。这就是为什么MEMS封装是一个非常具有挑战性的任务：在大部分的半导体封装中通常容许的变形水平不得不大大的减小，必须低于精度已经非常高的敏感元件的精度，而且，常常不能够足够好的隔离因温度变化和外力引起的裸片变形，裸片也必须避免当没有外部刺激变化时，由于在封装上发生的与时间相关的结构变形机制引起的机械平衡的变化。这些与时间相关的变形尽管非常小，但变形可能通过对灵敏度的影响而影响传感器的响应，因此，必须在传感器的灵敏度和可靠性方面进行折中优化。

    （2）振动问题

    有些传感器封装必须将惯性力有效的传递到敏感器件。例如对惯性传感器，必须在整个工作频率范围内将加速度传递给器件。加速度传感器的工作频率范围是与敏感结构的固有基频成正比的。因此，避免共振效应是非常重要的。所以，封装体加上与封装体相连的PCB所代表的整个系统的基频应该位于系统所希望的工作频率之外。这些要求可用来指导我们选择封装材料和特定的封装集合结构（如引线长度和尺寸）。在表面贴装（SMT）情况时，焊料的性质和厚度也是应该考虑的。

    （3）应力的变化

    在封装和器件中残余应力的最小化是一个及重要的要求，必须很好的隔离外部的影响。减小残余应力的方法通常是通过恰当的材料选择和一定的工艺要求来实现的。应力的数值并不是最重要的的问题，因为制造后的器件是平衡的，器件的偏移（offset）和灵敏度（sensitivity）是在相应的应力状态下调整的，真正的问题是应力的变化。应力的变化将会通过MEMS器件的敏感单元以电信号的形式反应到输出信号上，从而使传感器的输出发生偏移。

    （4）材料的选择

    封装开发的一个重要的问题是材料的选择问题。热机参数中最重要的参数有：热膨胀系数、弹性模量、玻璃转化温度、填料含量、松弛特性等。由于温度变化对MEMS的影响是一个重要的外部因素，减小应力通常是通过选择相似的CTE值的材料来实现。对经历相变的材料，玻璃化转变温度可能是一个要考虑的非常重要的参数。一个突然的相变可能影响到封装的性能和可靠性。例如在双芯片压力传感器塑料封装中，IC芯片由模塑料保护，而敏感芯片由涂覆层保护，两芯片之间往往通过引线键合进行连接，这样引线的一部分在模塑料中，另一部分在涂覆层中。涂覆层的突然相变会引起引线的断裂。

    （5）隔离封装

    MEMS器件潜在的工作在腐蚀性环境中的能力对将这些器件引入到一些新的市场是及其重要的。例如最普通的传感器是压阻压力传感器，这种类型的传感器以及流体或化学传感器在汽车、工业和医药市场上的应用可能会急剧的增加。传统的硅压力传感器必须工作在特定的干燥的、非腐蚀性气体环境中。然而在汽车环境的应用中，要求在不同流体中工作，也常常要求其工作温度范围达-50℃到150℃。此外，一些汽车的技术说明还要求传感器能暴露在盐水或强酸环境中，这对传感器的耐温特性和耐腐蚀特性要求是极高的。又如医药传感器经常要求传感器暴露在体液中，体液是一种腐蚀性很强的液体。