《電子封裝、微機(jī)電與微系統(tǒng)》課件第10章

第十章典型MEMS器件封裝10.1壓力傳感器10.2加速度計(jì)10.3RFMEMS開關(guān)10.4風(fēng)傳感器

10.1壓?力?傳?感?器

在現(xiàn)代工業(yè)、科學(xué)研究及日常生活中，壓力測(cè)試技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用。凡是利用液體、氣體等作為動(dòng)力、傳遞介質(zhì)、燃燒體等的儀器儀表，都需要指示壓力變化。10.1.1壓力傳感器的工作原理

1.壓阻式

1)金屬應(yīng)變

圖10-1所示的截面面積為S，長(zhǎng)為l的金屬片，其變形前電阻為

(10-1)

當(dāng)金屬片受軸向拉力F作用時(shí)，其電阻變化率為

(10-2)圖10-1金屬片受軸向力作用變形

2)半導(dǎo)體應(yīng)變

綜合考慮半導(dǎo)體材料和金屬應(yīng)變效應(yīng)，總的電阻變化率為

(10-3)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)半導(dǎo)體材料，1+2μ<<πE，故電阻變化率為

(10-4)

2.電容式

電容式壓力傳感器是利用電容原理，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容的變化來進(jìn)行測(cè)量。圖10-2所示的平行板電容，若長(zhǎng)、寬分別為l和b，相距d，則電容為

(10-5)圖10-2平行板電容

3.壓電式

壓電式壓力傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)。圖10-3所示為壓電式壓力傳感器的工作原理圖。圖中，敏感質(zhì)量塊與壓電晶體相連，當(dāng)外界輸入壓力時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力作用在壓電晶體上。由于壓電效應(yīng)，輸出的電信號(hào)同外界壓力成比例變化。圖10-3壓電式壓力傳感器工作原理10.1.2壓力傳感器的封裝形式

壓力傳感器根據(jù)芯片結(jié)構(gòu)、被測(cè)對(duì)象和應(yīng)用環(huán)境的不同，采用不同的封裝形式。軍品、航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品，對(duì)封裝的要求很高；民品等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品，對(duì)封裝的要求低些。相比于加速度、諧振器和陀螺儀等器件，壓力傳感器的芯片必須直接暴露在被測(cè)量的環(huán)境中，從而要求封裝既要保護(hù)芯片，又要傳遞壓力。因此，壓力傳感器對(duì)封裝要求相當(dāng)高。圖10-4常見壓力傳感器封裝

1.TO封裝

TO封裝是一種低成本的封裝形式，屬非氣密封裝，主要用于監(jiān)測(cè)非腐蝕氣體、干燥氣體，其應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車儀表、醫(yī)藥衛(wèi)生、氣體控制系統(tǒng)、空調(diào)、制冷設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)和儀器儀表等。TO封裝屬于一級(jí)封裝，使用時(shí)需根據(jù)環(huán)境要求，進(jìn)行二次封裝，以滿足性能和可靠性要求。圖10-5TO封裝壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖

2.膜片封裝

不銹鋼膜片封裝壓力傳感器廣泛應(yīng)用于航天、航空、工業(yè)自動(dòng)化控制、汽車等領(lǐng)域，其主要制造工藝為：硅芯片靜電鍵合、膠接粘貼管殼、焊盤管座Au絲引線鍵合。圖10-6所示的不銹鋼膜片法工藝復(fù)雜，成本較高。圖10-6金屬膜片法圖10-7所示為膜片封裝的封裝結(jié)構(gòu)圖。圖10-8所示為膜片封裝的引線框架，實(shí)現(xiàn)芯片與外部電路的連接。圖10-7膜片封裝的結(jié)構(gòu)圖10-8引線框架

3.塑料SOP

圖10-9所示為塑料SOP封裝外形。A孔是壓力傳感器與外界環(huán)境的傳感孔，外界環(huán)境的氣體壓力通過A孔感應(yīng)到壓力芯片上。蓋板下面為壓力傳感器芯片腔體，腔體內(nèi)硅膠保護(hù)芯片表面引線，防止外界氣體腐蝕。B孔為頂針孔，阻止塑封中溢料飛邊，提高塑封成品率。圖10-9塑料SOP圖10-10所示為GE公司的智能傳感器，它集成了由MEMS技術(shù)制作的壓力傳感器、加速度傳感器和一個(gè)包含溫度傳感器、電池電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、取樣/保持(S/H)、SPI接口、傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、ID碼等功能的數(shù)字信號(hào)處理ASIC芯片。圖10-10壓力、加速度和ASIC、MCU組合封裝在一起圖10-11壓力溫度導(dǎo)入孔圖10-12壓阻式壓力傳感器壓力傳感器、加速度傳感器、ASIC/MCU是三個(gè)分別獨(dú)立的裸芯片，它們通過芯片的集成廠商整合封裝在一個(gè)單元里。圖10-13所示是美國(guó)GE公司研制的NPX2芯片，去掉封裝材料后能清晰地看到三個(gè)裸芯片，三個(gè)芯片之間的聯(lián)接、匹配也都做在其中了，如圖10-14所示。圖10-13NPX2芯片圖10-14去掉封裝材料后的三個(gè)裸芯片

10.2加速度計(jì)

10.2.1加速度計(jì)的工作原理

MEMS慣性加速度計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)可以等效為圖10-15所示的二階彈簧—阻尼—質(zhì)量系統(tǒng)。圖10-15MEMS慣性加速度計(jì)模型10.2.2單芯片封裝結(jié)構(gòu)

MEMS器件通常采用單芯片封裝。高量程加速度傳感器的單芯片封裝結(jié)構(gòu)如圖10-16所示，芯片正面為硅蓋板，背面為聚酰亞胺膜，膠水將蓋板與芯片粘貼在一起。圖10-16高量程加速度傳感器的單芯片封裝如圖10-17所示，蓋板下面的凸臺(tái)將膠水擋在芯片中心區(qū)域之外。凸臺(tái)并非完整四邊形，有一邊沒有凸臺(tái)，為引線路徑留有間隙，可將信號(hào)線從芯片中心區(qū)域引到焊盤來。圖10-17蓋板

1.蓋板制作

選擇兩英寸<100>硅片，厚度大約為320μm；利用光刻、漂洗、異性淺腐蝕等正面腐蝕工藝，形成蓋板，如圖10-17所示；利用氧化、光刻、漂洗去膠、異性深腐蝕等背面穿透腐蝕工藝，形成分片槽。

2.蓋板封裝

用筆蘸取少許紫外膠，涂在蓋板的四周(除了焊盤一邊之外)；仔細(xì)地在蓋板與芯片的縫合界面進(jìn)行描膠；120℃加熱固化；貼片和壓焊；描膠和固化焊盤一側(cè)正對(duì)蓋板與芯片的間隙。

3.背面保護(hù)

采用聚酰亞胺薄膜作為載體保護(hù)材料。聚酰亞胺膠帶以聚酰亞胺薄膜為基材，采用丙烯酸聚合物為膠粘劑。

4.貼片

加速度計(jì)的封裝多用管殼封裝，可以用陶瓷管殼，也可以用Kovar合金管殼。如用塑料封裝，則需事先將芯片的正面和背面保護(hù)起來。

5.壓焊

通常使用的壓焊工藝有：超聲熱壓工藝(ThermosonicBonding)、超聲壓焊工藝(UltrasonicBonding)和熱壓工藝(ThermocompressionBonding)。由于金絲球焊工藝過程的速度遠(yuǎn)快于楔焊，符合現(xiàn)代半導(dǎo)體行業(yè)的要求，因此多采用超聲熱壓金絲球焊(150℃～200℃)或超聲室溫鋁線楔焊工藝。圖10-18所示為經(jīng)過壓焊的加速度計(jì)。圖10-18經(jīng)過壓焊的加速度計(jì)

6.灌封

常用的灌封材料有環(huán)氧樹脂、硅橡膠、聚氨酯彈性體等，其中環(huán)氧樹脂應(yīng)用最為廣泛。目前，國(guó)外半導(dǎo)體器件的80%～90%是環(huán)氧樹脂灌封材料封裝。

7.管殼蓋板密封

通?？刹捎闷叫锌p焊或儲(chǔ)能焊對(duì)陶瓷或金屬基管殼進(jìn)行封蓋。平行縫通過電流加熱，局部燒熔金屬，從而使蓋板和管殼焊接成一體，是一種電阻焊。儲(chǔ)能焊以電容儲(chǔ)能方式將電能存儲(chǔ)起來，在焊接過程中迅速釋放。儲(chǔ)能焊適用于時(shí)間短、功率大的焊接要求，既滿足了大功率焊接的需要，又解決了大功率焊接對(duì)電源的影響。10.2.3圓片級(jí)封裝結(jié)構(gòu)

使用手工操作進(jìn)行單芯片封裝，效率低、可靠性不高、穩(wěn)定性差；使用機(jī)械化自動(dòng)化圓片級(jí)封裝，有利于提高封裝的可靠性和穩(wěn)定性，提高工作效率，降低成本。圓片級(jí)封裝是一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，也是加速度計(jì)封裝的發(fā)展趨勢(shì)。圖10-19加速度計(jì)圓片級(jí)封裝圖10-20所示為圓片級(jí)加速度計(jì)封裝結(jié)構(gòu)；圖10-21所示為硅蓋板。蓋板中有環(huán)形凸臺(tái)，將芯片的中心區(qū)域保護(hù)住。環(huán)形凸臺(tái)相對(duì)于蓋板的中心的高度為3μm，相對(duì)于邊緣的高度為100μm。凸臺(tái)可將點(diǎn)膠機(jī)所涂膠擋在四周，避免進(jìn)入中心區(qū)域。蓋板上還有穿通腐蝕槽，露出芯片的焊盤，從而可以進(jìn)行信號(hào)的輸入與輸出。圖10-20圓片級(jí)加速度計(jì)封裝結(jié)構(gòu)圖10-21硅蓋板圓片級(jí)加速度計(jì)封裝工藝流程如圖10-22所示，首先進(jìn)行硅玻璃鍵合，然后再與涂了貼片膠的蓋板進(jìn)行粘接，固化之后形成芯片的保護(hù)性?shī)A層結(jié)構(gòu)。各階段封裝實(shí)物如圖10-23～圖10-27所示。圖10-22圓片級(jí)加速度計(jì)的封裝工藝流程圖10-23涂膠

圖10-24粘接

圖10-25固化

圖10-26劃片

圖10-27放大部分10.2.4BCB圓片級(jí)封裝結(jié)構(gòu)

圖10-28所示為BCB圓片級(jí)封裝結(jié)構(gòu)。圖10-28BCB封裝蓋板硅片腐蝕有通孔，BCB膠把器件硅片和硅蓋板粘接起來，形成空腔，包含MEMS加速度計(jì)。硅蓋板上通孔，暴露硅片上的焊盤，經(jīng)壓焊實(shí)現(xiàn)電路互連。圖10-29BCB封裝蓋板制備工藝流程圖10-30蓋板

10.3RFMEMS開關(guān)

10.3.1RFMEMS開關(guān)概述

RFMEMS開關(guān)是RFMEMS中研究最廣泛的部件。在無線電通信工業(yè)中，RF開關(guān)主要用于信號(hào)路徑選擇、阻抗匹配、天線重構(gòu)和放大器增益改變。從1MHz頻段到100GHz頻段的各種無線電通信都需要RF開關(guān)。圖10-31Rockwell金屬—金屬接觸式開關(guān)圖10-32Michigan大學(xué)RFMEMS開關(guān)圖10-33MIT(麻省理工學(xué)院)林肯實(shí)驗(yàn)室RFMEMS開關(guān)圖10-34RFMEMS開關(guān)接觸通斷10.3.2RFMEMS開關(guān)的封裝要求

1.密封性

密封性是RFMEMS開關(guān)器件的重要指標(biāo)之一。

2.高頻性能

封裝引起的器件高頻性能的變化，主要是由于封裝在高頻時(shí)引入了寄生的電阻、電感、電容，使阻抗不匹配，從而使器件的性能變差。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量彌補(bǔ)封裝引入的寄生效應(yīng)，提高器件的高頻性能。

3.熱性能

由于RFMEMS都是較精細(xì)的結(jié)構(gòu)，不能承受很高的溫度，一般認(rèn)為不能高于350℃，這就限制了很多技術(shù)的應(yīng)用。另外，保證封裝對(duì)RFMEMS開關(guān)自身熱量散熱，是封裝設(shè)計(jì)必須解決的問題。

4.機(jī)械性能

RFMEMS的可靠性問題很大程度上來自封裝。RFMEMS芯片對(duì)封裝殘余應(yīng)力非常敏感。在封裝過程中，熱膨脹系數(shù)不匹配，會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力；機(jī)械振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。各種應(yīng)力使RFMEMS微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。

5.封裝環(huán)境

封裝體內(nèi)的壓力和氣體都會(huì)對(duì)RF開關(guān)器件產(chǎn)生很大的影響。RFMEMS開關(guān)器件需要在常壓的氮?dú)饣蚨栊詺怏w中進(jìn)行封裝。封裝體內(nèi)外壓強(qiáng)的平衡，會(huì)有效地減少外界的濕氣通過封裝體的漏洞進(jìn)入封裝體內(nèi)。10.3.3RFMEMS開關(guān)的封裝過程

RFMEMS開關(guān)封裝的主要工藝過程如圖10-35所示。下面具體說明各過程。圖10-35RFMEMS開關(guān)封裝的主要工藝

1.設(shè)計(jì)

RFMEMS開關(guān)封裝設(shè)計(jì)要遵循以下原則：

●根據(jù)RFMEMS開關(guān)性能，設(shè)計(jì)封裝外殼結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)開關(guān)對(duì)封裝外殼的功能要求。

●設(shè)計(jì)方案要滿足工藝可行性、可靠性、工作環(huán)境等問題。

●要充分考慮有可能對(duì)封裝氣密性有影響的分步工藝。

●根據(jù)現(xiàn)有的組裝方法，以最小的風(fēng)險(xiǎn)，開發(fā)完成整個(gè)封裝系統(tǒng)。

2.貼片

貼片即將開關(guān)芯片粘貼到外殼底板上。RFMEMS開關(guān)的貼片步驟要滿足以下要求：

●要求使RFMEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)與外殼基板有很好的粘接強(qiáng)度，以保證RFMEMS開關(guān)芯片與外殼基板不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，以免承受熱冷溫度、濕氣、沖擊和振動(dòng)。

●粘接材料必須在RFMEMS開關(guān)和外殼基板之間提供良好的熱通道，使開關(guān)芯片產(chǎn)生的熱量順利地從芯片傳到底板，保證RFMEMS開關(guān)工作所要求的溫度范圍。●粘接材料要求有很好的穩(wěn)定性和可靠性，粘接材料的穩(wěn)定性和可靠性取決于RFMEMS開關(guān)芯片和外殼基板材料的熱膨脹系數(shù)，熱膨脹系數(shù)不匹配將導(dǎo)致熱應(yīng)力。

●?RFMEMS開關(guān)的貼片精度要求。

RFMEMS開關(guān)貼片工藝的主要過程為施膠、貼片、固化三個(gè)步驟。

2)貼片

施膠之后，用真空吸頭或鑷子把芯片按要求的引腳方向放上去，輕輕按一下，使芯片緊貼平坦，再放入烘箱中或用紫外光照射，使膠固化，即為貼片。貼片過程易出現(xiàn)以下問題：

●由于貼片膠固化不良或者未完全固化，導(dǎo)致芯片粘接強(qiáng)度不夠，出現(xiàn)芯片脫落。

●傳熱通道熱阻過大。

3)固化

丙烯酸樹脂和環(huán)氧樹脂粘接劑的固化條件不相同，同量的丙烯酸樹脂膠粘劑的粘接強(qiáng)度低于環(huán)氧樹脂膠粘劑的粘接強(qiáng)度。

3.引線鍵合

1)清洗

目前清洗主要采用分子清洗(等離子清洗)和紫外線臭氧清洗兩種。

2)引線鍵合

引線鍵合工藝有焊球鍵合工藝和楔鍵合工藝兩種。

4.檢查

1)界面絕緣層形成

芯片鍵合區(qū)光刻膠或鈍化膜去除不干凈，形成絕緣層。管殼鍍金層質(zhì)量低劣，造成表面疏松、發(fā)紅、鼓泡、起皮等。

2)金屬化層缺陷

金屬化層缺陷主要有：芯片金屬化層過薄，鍵合時(shí)無緩沖作用；芯片金屬化層出現(xiàn)合金點(diǎn)，在鍵合處形成殘缺；芯片金屬化層黏附不牢，壓點(diǎn)掉落。

3)表面沾污

外界環(huán)境凈化度不夠，造成灰塵沾污；人體凈化不良，造成有機(jī)物沾污等；芯片、管殼等未及時(shí)清理干凈，殘留鍍金液，造成沾污。

4)應(yīng)力不當(dāng)

鍵合應(yīng)力包括熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和超聲波力。

鍵合應(yīng)力過小，會(huì)造成鍵合不牢；鍵合應(yīng)力過大，會(huì)影響鍵合點(diǎn)的機(jī)械性能。應(yīng)力過大不僅會(huì)造成鍵合點(diǎn)根部損傷，斷裂失效，而且還會(huì)損傷鍵合芯片，出現(xiàn)裂縫。

5)環(huán)境不良

超聲鍵合時(shí)，外界振動(dòng)、機(jī)件振動(dòng)、管座固件松動(dòng)或位于通風(fēng)口，均可造成鍵合缺陷。

6)靜電損傷

鍵合引線與電源金屬條之間放電會(huì)引起靜電損傷，從而導(dǎo)致失效。當(dāng)鍵合引線與芯片水平面夾角太小時(shí)，在靜電放電作用下，鍵合引線與環(huán)繞芯片的電源線(或地線)之間易發(fā)生電弧放電而造成失效。10.3.4RFMEMS開關(guān)的封帽

封帽的目的是為保護(hù)器件和封裝的金屬鍍層不受環(huán)境腐蝕，避免機(jī)械損傷。潮氣是器件受腐蝕的主要根源之一，電解氧化、金屬遷移均和潮氣的存在相關(guān)。10.3.5RFMEMS開關(guān)的電連接

電連接技術(shù)可以改善RFMEMS開關(guān)封裝的高頻性能、氣密性和熱性能。

1.埋層法

很多研究致力于設(shè)計(jì)新的電連接方式，以減少寄生效應(yīng)。圖10-36所示為采用埋層方法將信號(hào)線輸出。圖10-36信號(hào)線埋層方法

2.通孔法

圖10-37所示為采用通孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻段的信號(hào)傳輸。為適應(yīng)高頻需要，一般在較薄的圓片上加工通孔，長(zhǎng)度較短時(shí)，可以用致密的金或銅填充，確保氣密性。圖10-37通孔技術(shù)封裝

3.雙層FGC法

圖10-38所示為雙層