文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了MEMS封裝的需求與封裝方案。

MEMS 封裝的特殊性

當(dāng)前，盡管針對 MEMS 器件的制備工藝與相關(guān)設(shè)備已開展了大量研究，但仍有不少 MEMS 傳感器未能實(shí)現(xiàn)廣泛的商業(yè)化落地，其中一個(gè)重要原因便是 MEMS 器件的封裝問題尚未得到妥善解決。MEMS 封裝技術(shù)雖源于微電子封裝技術(shù)，兩者存在一定共性，但 MEMS 器件因包含微機(jī)械結(jié)構(gòu)，且對力隔離、真空環(huán)境、氣密性等方面有特殊要求，使其封裝與微電子封裝存在顯著差異。

多數(shù) MEMS 器件在完成全部制造流程后，其機(jī)械結(jié)構(gòu)才會(huì)暴露在外，因此 MEMS 封裝首先要實(shí)現(xiàn)對器件的物理防護(hù)。MEMS 器件的性能易受水汽、摩擦作用、化學(xué)腐蝕等因素影響而下降，這就需要進(jìn)行微型化的保護(hù)與密封處理。例如，微機(jī)械開關(guān)在濕度較高的環(huán)境中，性能會(huì)明顯變差甚至完全失效。從長期可靠使用的角度來看，MEMS 封裝需具備良好的密封性，通過密封形成的空氣環(huán)境或真空狀態(tài)，可減少器件內(nèi)部的摩擦、振動(dòng)及腐蝕等問題。特別是對于植入式醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的 MEMS 器件，密封更是必不可少的條件。

MEMS 封裝技術(shù)具有自身的特殊性與復(fù)雜性，通常需滿足以下要求：

(1)低應(yīng)力特性。由于 MEMS 器件尺寸微小、精度極高且結(jié)構(gòu)脆弱，因此要求封裝過程對器件產(chǎn)生的應(yīng)力盡可能最小化。

(2)高真空環(huán)境。將 MEMS 器件中的可動(dòng)結(jié)構(gòu)置于真空環(huán)境中，能夠減小摩擦作用，提升器件的可靠性并延長其使用壽命。

(3)高氣密性保障。部分 MEMS 器件如微陀螺儀，在氣密性不足的情況下，無法實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的可靠工作。

(4)高隔離度設(shè)計(jì)。為避免其他信號對器件造成干擾，需要對 MEMS 器件的特定部位進(jìn)行封裝，以達(dá)到隔離干擾的目的。

(5)其他特殊需求。部分 MEMS 傳感器（如光學(xué)傳感器、微流體傳感器、化學(xué)傳感器等）需要設(shè)計(jì)與外界環(huán)境交互的接口。

鑒于 MEMS 封裝的特殊性與復(fù)雜性，其封裝成本占 MEMS 整體成本的比例可達(dá) 50% 至 95%，遠(yuǎn)高于微電子封裝的成本占比。一方面，MEMS 產(chǎn)品的高度多樣性導(dǎo)致不同產(chǎn)品對可靠封裝的要求存在本質(zhì)差異。例如，壓力傳感器的封裝要求與汽車安全氣囊系統(tǒng)中常用的慣性傳感器截然不同，后者需要在多塵、溫度劇烈波動(dòng)、存在腐蝕性介質(zhì)的苛刻環(huán)境中，以及汽車行駛時(shí)的強(qiáng)烈振動(dòng)下保持正常工作。這些由系統(tǒng)使用環(huán)境決定的封裝要求，使得生產(chǎn)廠家必須為每一款新產(chǎn)品重新調(diào)整所有封裝設(shè)備，因此，每款新 MEMS 產(chǎn)品往往需要大量的資金投入，以及對新方法和新工藝設(shè)備的研發(fā)投入。

另一方面，MEMS 產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)元件的微小尺寸給封裝帶來了諸多特殊問題。許多封裝工序涉及的工藝本質(zhì)上屬于物理 - 化學(xué)過程，這些過程常會(huì)產(chǎn)生各種附加效應(yīng)。例如，鍵合過程中及完成后必然會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力與應(yīng)變，較大的殘余熱應(yīng)力可能導(dǎo)致鍵合表面出現(xiàn)裂痕，過大的殘余應(yīng)變則可能因膨脹系數(shù)的差異使鍵合表面發(fā)生變形凸起。這些問題都會(huì)引發(fā)一系列可靠性測試相關(guān)的難題，進(jìn)而增加MEMS 產(chǎn)品的封裝成本。

晶圓級 MEMS 封裝

MEMS 封裝可分為芯片級封裝與晶圓級封裝兩種類型。芯片級封裝工藝借鑒現(xiàn)有集成電路的封裝流程與設(shè)備，待晶圓切割成獨(dú)立裸片后，再對 MEMS 器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)釋放與密封。以德州儀器公司的數(shù)字微鏡器件（digital micromirror device，DMD）為例，其芯片貼合在封裝基座上，通過鍵合引線與陶瓷基底連接，密封光學(xué)窗口與陶瓷基底則借助密封圈實(shí)現(xiàn)密封。由于陶瓷的熱膨脹系數(shù)處于 5×10??~9×10??/℃之間，與硅的熱膨脹系數(shù)（約 2.6×10??/℃）接近，因此可實(shí)現(xiàn)陶瓷與硅的鍵合。熱膨脹系數(shù)的匹配能減輕熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力，尤其在器件面積較大時(shí)，這種應(yīng)力緩解作用更為關(guān)鍵。

芯片級封裝的主要缺陷在于，在完成 MEMS 器件整體封裝前，需對每個(gè)裸片單獨(dú)執(zhí)行結(jié)構(gòu)釋放、密封等操作，導(dǎo)致成本偏高且效率低下。作為替代方案，晶圓級封裝技術(shù)選擇在晶圓切割前完成結(jié)構(gòu)釋放與密封等工序，之后再進(jìn)行劃片處理。

三維晶圓級封裝已成為 MEMS 封裝的重要發(fā)展方向，當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)方案通常涉及三個(gè)晶圓，分別是 MEMS 器件晶圓、接口 ASIC 晶圓和蓋帽晶圓（cap-wafer）。以下介紹幾種以低成本、高性能、少引腳為目標(biāo)的三維 MEMS 封裝設(shè)計(jì)及工藝流程。這三類晶圓的封裝形式各有不同，例如 MEMS 器件晶圓可采用引線鍵合、倒裝、硅通孔等封裝形式，而 ASIC 晶圓與蓋帽晶圓則可選擇帶硅通孔或無硅通孔的封裝方案。

晶圓級 MEMS 封裝存在多種結(jié)構(gòu)形式，其中部分方案的共性在于將蓋帽芯片與 ASIC 芯片通過密封圈粘合，信號線從密封圈下方穿過后，再通過鍵合引線與封裝外部的其他器件或系統(tǒng)襯底連接（如直接接入系統(tǒng)級封裝內(nèi)的其他芯片襯底或印刷電路板）。它們的差異主要體現(xiàn)在 MEMS 器件與 ASIC 芯片的連接方式上：有的通過引線鍵合實(shí)現(xiàn)連接，有的采用硅通孔與微凸點(diǎn)鍵合，還有的借助倒裝鍵合方式連接。

另一種封裝形式中，ASIC 芯片通過硅通孔與凸點(diǎn)直接與襯底或印刷電路板相連，引線無需經(jīng)過密封圈下方布線，而 MEMS 器件與 ASIC 芯片的連接方式可與上述方案保持一致。還有一種結(jié)構(gòu)是 ASIC 芯片利用貫穿蓋帽芯片的硅通孔及凸點(diǎn)鍵合實(shí)現(xiàn)與外界的連接，當(dāng)需要與封裝襯底或印刷電路板對接時(shí)，需將整個(gè)封裝倒置，其 MEMS 器件與 ASIC 芯片的連接方式同樣可采用上述各類鍵合形式。

晶圓級 MEMS 封裝的簡化流程可概括如下：若 MEMS 器件與 ASIC 芯片采用直接引線鍵合，那么 MEMS 器件在自身晶圓完成釋放后，可直接劃片轉(zhuǎn)移至 ASIC 芯片晶圓；若采用硅通孔或倒裝鍵合方式，則需先完成通孔成型或微凸點(diǎn)制備，再轉(zhuǎn)移至 ASIC 芯片晶圓。隨后，將 MEMS 器件與 ASIC 晶圓進(jìn)行芯片到晶圓（chip-to-wafer，C2W）鍵合，接著把已鍵合 MEMS 器件的 ASIC 芯片晶圓與蓋帽晶圓進(jìn)行鍵合密封，最終劃片形成單個(gè)封裝器件。其他封裝形式的實(shí)現(xiàn)步驟與此類似。

從上述實(shí)例可見，MEMS 晶圓級封裝與普通微電子三維封裝的核心差異在于蓋帽結(jié)構(gòu)。蓋帽除了發(fā)揮保護(hù)、隔離作用或作為被檢測量的窗口外，還可作為布線通道。蓋帽封裝可采用多種技術(shù)，包括各類鍵合技術(shù)、薄膜密封技術(shù)及聚合物密封技術(shù)，其中鍵合技術(shù)目前應(yīng)用最為廣泛。