MEMS封装技术
MEMS封装技术
由于这些输入输出的界面往往对MEMS器件的特性 有较大的影响。因此，IC开发的传统封装技术只能应 用于少数的MEMS产品。
典型MEMS 微系统封装示例
多批自组装流程图
自组装结果 LED与衬底的电学装配集成
MEMS芯片级封装技术
概述 MEMS芯片级封装主要功能是为MEMS器件提供
必要的微机械结构支撑、保护、隔离和与其他系统 的电气连接，以提高芯片的机械强度和抗外界冲击 的能力，确保系统在相应的环境中更好地发挥其功 能。
该类封装通常是在圆片级实现，所以又称为圆片 级封装(wafer level package) 。圆片级封装一次可以 同时封装许多个微传感器和执行器，提高了MEMS 前后道工序协作的效益，是目前MEMS封装研究中 的热点。
通常，经过多道工序加工的MEMS硅片表面粗糙 度无法满足其要求，而且直接键合使用的高温也会对 电路和MEMS器件带来损坏。所以，硅片直接键合 大多用于制作SOI圆片而不用于直接封装MEMS硅片。
硅片熔融键合
(2)阳极键合(anodic bonding)
又称静电键合，这种技术将玻璃与金属或硅等半导 体键合起来，不用任何粘合剂，键合界面气密性和 稳定性很好。一般的键合条件：硅片接阳极，玻璃 接阴极，温度为300-4000C，偏压500-1000V。
芯片级装配不仅完全消除了器件加工工艺不兼容对系 统性能的影响，而且整个系统完全模块化，有利于来自不 同领域设计人员之间的协同。
由于MEMS器件尺寸微小，对微装配的精度要求达 到了微米、亚微米级，甚至达到纳米级，这对装配工 艺设计、连接方式、装配设备、操作环境、对准方式 以及操作方法都提出了非常严格的要求。
mems晶圆级封装
mems晶圆级封装mems晶圆级封装是一种先进的封装技术，用于封装微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的晶圆级封装。
MEMS晶圆级封装具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高等特点，被广泛应用于微机电传感器、微机电执行器和微机电系统等领域。
MEMS晶圆级封装的主要目的是将MEMS器件封装在晶圆级别上，以提高封装密度和可靠性。
传统的MEMS封装往往需要将MEMS 器件单独封装起来，然后再与电路板连接。
而MEMS晶圆级封装则将MEMS器件直接封装在晶圆上，可以在晶圆级别上进行测试、封装和组装，从而大大提高了封装效率和产品质量。
MEMS晶圆级封装的关键技术包括封装工艺、封装材料和封装结构。
封装工艺是指将MEMS器件与晶圆进行精密的对位、粘接和封装等工艺。
封装材料则需要具备良好的粘接性、密封性和耐腐蚀性，以保护MEMS器件免受外界环境的影响。
封装结构则需要根据MEMS器件的特点和应用需求设计，以实现最佳的性能和可靠性。
MEMS晶圆级封装的优势主要体现在以下几个方面：MEMS晶圆级封装可以实现高集成度。
由于MEMS器件直接封装在晶圆上，可以实现多个MEMS器件在同一晶圆上的集成，从而大大提高了封装密度和系统集成度。
这对于一些对尺寸和重量要求较高的应用非常有利。
MEMS晶圆级封装可以提高封装效率。
由于MEMS器件在晶圆级别上进行封装，可以通过自动化的生产线进行大规模的生产，大大提高了封装效率和生产能力。
这对于工业化生产和大规模应用非常重要。
MEMS晶圆级封装可以提高产品质量和可靠性。
由于MEMS器件在晶圆级别上进行测试、封装和组装，可以及时发现和修复封装过程中的问题，从而提高了产品质量和可靠性。
这对于一些对产品质量和可靠性要求较高的应用非常关键。
MEMS晶圆级封装还可以降低成本。
由于MEMS晶圆级封装可以实现高集成度和高封装效率，可以大幅降低封装成本。
这对于一些对成本要求较高的应用非常有利。
mems封装技术
2. 电功能
3. 散热功能
4. 接口功能
封装功能
区别对比
封装工艺
封装实例
1.2 MEMS的封装设计考虑
1 2 3 4 5 6
明确封装等级
环境影响
MEMS封装的3个级别
封装结构和材料
接口问题
封装外壳设计
封装可靠性和成本
封装功能
区别对比
封装工艺
封装实例
2. MEMS封装与微电子封装的差异
封装功能
区别对比
封装工艺
封装实例
3. MEMS封装工艺
C4凸点工艺
表面键合
多芯片封装
封装工艺
引线封装
3D封装
微密封封装
封装功能
区别对比
封装工艺
封装实例
3.1 表面键合
粘接
钎焊
•化学惰性、密封性 钎焊•作业温度低，热应力小 •提高温度时容易发生蠕变
键合 •阳极键合——硅片与玻璃/石英衬底，密封、便宜
•硅熔融键合（SFB）——两个硅晶片之间 •环氧树脂——受热环境影响大 粘接 •简易方便成本低 Text •共晶键合——硅-金属材料（如铝） 键合 •连接强度、可靠性差 •硅橡胶——不适合于高压应用 in here •低温表面键合——硅-硅酸钠-硅的键合
封装实例
3.6 多芯片封装
多芯片封装已成为MEMS
封装的另一发展趋势,将传感、 控制和信号处理等芯片固定在同一基板上, 然后封装在一个 管壳内。
优点 • 缩短封装延迟时间
•提高封装可靠性和密度 •节约材料和成本，并具有好的散热性
封装功能 区别对比 封装工艺
封装实例
4.1 MEMS封装实例 芯片准备
MEMS系统的封装
MEMS传感器的外部封装结构、MEMS传感器及电子设备的制作方法
MEMS传感器的外部封装结构、MEMS传感器及电子设备的制作方法1. 引言传感器技术在现代电子设备中扮演着重要的角色，而微机电系统（MEMS）传感器则是一类先进的传感器技术。
本文将讨论MEMS传感器的外部封装结构以及MEMS传感器及电子设备的制作方法。
2. MEMS传感器的外部封装结构MEMS传感器的外部封装结构是保护其内部组件免受物理损害，并实现与外部电子设备的连接和集成的重要组成部分。
下面将介绍几种常见的MEMS传感器外部封装结构：2.1 裸片封装（Die-level packaging）裸片封装是一种简单的封装方法，将MEMS传感器芯片直接封装在无引脚的封装底座上。
该封装结构紧凑、成本低、响应速度快，但其易受外界环境的影响，需要额外的外壳保护。
2.2 表面贴装封装（Surface Mount Packaging）表面贴装封装是一种常见的MEMS传感器封装方法，适用于大规模生产。
该封装结构通过焊接或粘贴将MEMS传感器芯片封装在具有引脚的封装器件上，便于与其他电子设备进行连接和集成。
2.3 有源封装（Active Packaging）有源封装是一种高级MEMS传感器封装技术，可以在封装中集成电子元件，如放大器、滤波器等。
这种封装结构能够提高传感器性能，并减少外部干扰。
3. MEMS传感器的制作方法MEMS传感器的制作方法是实现其微纳制造的关键步骤。
下面将介绍MEMS传感器的常见制作方法：3.1 衬底制备（Substrate Preparation）MEMS传感器的制作通常从衬底制备开始。
衬底可以是硅、玻璃或其他材料，需要具备一定的导电性和机械性能。
3.2 模板制备（Template Fabrication）模板制备是制作MEMS传感器的重要步骤。
通常采用光刻技术将设计好的图案转移到衬底上，并在其上形成隔离膜、导电层等。
3.3 薄膜沉积（Thin Film Deposition）薄膜沉积是为了在衬底上形成所需的功能膜层，例如感应电极、传感层等。
mems封装的工艺方法
mems封装的工艺方法MEMS（微机电系统）是一种将微观机械与电子技术相结合的先进技术，用于制造各种微型传感器、执行器和微加工器件等。
而MEMS封装则是将制造好的MEMS器件进行保护和连接，以保证器件在实际工作环境中能够正常运行。
在MEMS封装过程中，通常会采用以下工艺方法：1. 清洗与去除表面杂质：在封装之前，必须确保MEMS器件表面干净无杂质。
使用化学清洗方法或等离子体清洗等技术，去除表面的油脂、灰尘和颗粒。
2. 封装材料选择：根据MEMS器件的特性和封装需求，选择适合的封装材料。
常见的封装材料包括塑料、玻璃、金属等。
封装材料应具备良好的热导性、机械稳定性和化学稳定性。
3. 芯片贴合与粘结：将MEMS芯片粘结到封装基底上。
这可以通过微接触技术、金属焊接或UV胶黏剂等方法实现。
贴合过程需要确保芯片位置准确，避免偏移和多余空气气泡产生。
4. 封装结构设计：根据MEMS器件的功能和使用环境，设计合适的封装结构。
封装结构应保护MEMS器件免受外部环境的影响（如温度、湿度、机械冲击等），并提供稳定的电气连接。
5. 密封封装：将MEMS芯片与封装结构完全密封，以避免外部杂质进入。
常见的密封方法包括焊接、粘结和涂覆密封材料等。
6. 引线连接：根据器件的电气连接需求，在封装结构上添加引线。
引线通常采用金属线或导线，通过焊接或金属连接等方式与芯片进行连接。
MEMS封装的工艺方法对于保护和维持MEMS器件的性能至关重要。
通过选择合适的封装材料、精确的贴合和封装结构设计，可以确保MEMS器件在各种复杂环境下的可靠性和稳定性。
这些工艺方法为MEMS器件的广泛应用提供了坚实的基础。
MEMS封装技术
• 倒装焊 (Flip-chip)
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引线键合
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引线键合
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封装形式
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封装形式
• DIP (Dual In-line Package)双列直插式
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封装形式
• SOP(Small Outline Package)小外形封装
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封装形式
• BGA球栅阵列封装
– I/O引脚数增多，但距离远大于QFP封装方式 ，提高了成品率
– 信号传输延迟小，适应频率大大提高 – 组装可用共面焊接，可靠性大大提高
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TAB载带自动键合
• 在柔性聚合物载带上完成芯片安装和互联
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TAB载带自动键合
• 优点
– 可以处理小焊盘 – 消除了大的引线圈 – 增强传热性 – 提高电气特性 – 可以处理更多的I/O – 减小重量
MEMS工艺(12键合与封装)
微流体学接口
微流体的密封和通道的接触壁与流体之间的
接口是与接口相关联的两个主要的封装问题
三、封装技术
1、芯片准备 2、表面键合 3、引线键合 4、密封
1、芯片准备
使用一个完整的硅晶片只生产一个芯片或者
使用一个晶片制作一个装臵，这在MEMS和微 系统中是很少见的
2、表面键合
微系统元件的键合是在微系统封装中最具有
MEMS封装的特点
具有可动结构；目前的技术水平难以实现单 片集成；有些MEMS器件的检测信号比较微 弱，需要减小传输损耗，进行微封装；需要 电、声、光、流体等多种I/O端口，而电路部 分需要气密封装；需要研究封装与MEMS器 件之间的应力、温度传导。 气密MEMS封装能给芯片提供气密环境，减 少了恶劣环境中的酸性气体、水汽、灰尘等 对微机构的腐蚀和破坏。
试验证明： 惰性气体（如氩气Ar ）与硅表面上的原 子不发生反应，但却能激活硅表面。 在真空环境下，采用Ar离子束对已预处 理过的硅表面进行腐蚀，并使表面清洁 化，经过这样的处理的一对硅表面，在 室温、真空条件下，便能实现牢固的键 合。其键合强度与高温下直接键合的强 度等同。
键合的过程
先对要键合的一对硅片进行表面处理和清洗；
5）、金属共熔键合
所谓金属共熔键合，是指在被键合的 金属表面夹上一层金属材料膜，形成3 层结构，然后在适当的温度和压力下 实现熔接。 共熔键合常用材料： 金－硅，共熔温度为360～400C
铝－硅，共熔温度接近600C
金硅共熔
金硅共熔键合常用于微电子器件的 封装中，用金硅焊料将管芯烧结在 管座上。金硅焊料是金硅二相系 （硅含量为19at.%），熔点为363C， 要比纯金或纯硅的熔点低得多。
挑战性的问题； 微系统工业对发展新的，更有效的键合技术 和工艺进行了顽强的努力
mems封装
MEMS封装技术主要源于IC封装技术。
IC封装技术的发展历程和水平代表了整个封装技术（包括MEMS封装和光电子器件封装）的发展历程及水平。
MEMS中的许多封装形式源于IC封装。
目前在MEMS封装中比较常用的封装形式有无引线陶瓷芯片载体封装（LCCC-Leadless Ceramic Chip Carrier）、金属封装、金属陶瓷封装等,在IC封装中倍受青睐的球栅阵列封装（BGA-Ball Grid Array）、倒装芯片技术（FCT-Flip Chip Technology）、芯片尺寸封装（CSP-Chip Size Package）和多芯片模块封装（MCM-Multi-Chip Module）已经逐渐成为MEMS 封装中的主流。
BGA封装的主要优点是它采用了面阵列端子封装、使它与QFP（四边扁平封装）相比，在相同端子情况下，增加了端子间距（1.00mm，1.27mm，1.50mm），大大改善了组装性能，才使它得以发展和推广应用。
21世纪BGA将成为电路组件的主流基础结构。
从某种意义上讲，FCT是一种芯片级互连技术（其它互连技术还有引线键合、载带自动键合），但是它由于具有高性能、高I/O数和低成本的特点，特别是其作为“裸芯片”的优势，已经广泛应用于各种MEMS封装中。
CSP的英文含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大。
日本电子工业协会对CSP规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于80%。
CSP与BGA结构基本一样，只是锡球直径和球中心距缩小了、更薄了，这样在相同封装尺寸时可有更多的I/O数，使组装密度进一步提高，可以说CSP是缩小了的BGA。
在MCM封装中最常用的两种方法是高密度互连（High Density Interconnect简称HDI）和微芯片模块D型（Micro Chip Module D简称MCM-D）封装技术。
高密度互连（HDI）MEMS 封装的特点是把芯片埋进衬底的空腔内，在芯片上部做出薄膜互连结构。
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杨振川 北京大学微电子学研究院
May 27, 2008
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MEMS 器件与设计 -2008
May 27, 2008
主要内容
? 微系统封装技术 ? MEMS封装的特殊性 ? MEMS封装介绍
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– SOP实际上是 DIP的变形，即将 DIP的直插式 引脚向外弯曲成 90度，就成了适于表面贴装 SMT (Surface Mount Technology ）的封装了 ，只是外形尺寸和重量比 DIP小得多。
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封装形式
? QFP(Quad Flat Package) 四边引脚扁平封装
QFP的分类：
QFP封装结构
? 塑（Plastic）封 QFP(PQFP) ? 薄型QFP(TQFP) ? 窄（Fine）节距 QFP(FQFP)
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封装形式
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封装的作用
? 对芯片起机械支撑和机械保护作用 ? 对芯片起着传输信号和分配电源的作用 ? 对芯片起着热耗散的作用。 ? 对芯片起着环境保护的作用。
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封装的内容
? 通过一定的结构设计、工艺设计、电设 计、热设计和可靠性设计制造出合格的 外壳或引线框架等主要零部件；
? 改进封装结构、确定外形尺寸，使之达 到通用化、标准化，并向多层次、窄节 距、多引线、小外形和高密度方向发展
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封装的内容 (Con't)
? 保证自硅晶圆的减薄、划片和分片开始 ，直到芯片粘接、引线键合和封盖等一 系列封装所需工艺的正确实施，达到一 定的规模化和自动化
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引线键合
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引线键合
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引线键合
? 优点
– 使用灵活 – 高成品率 – 易于编程自动实现 – 高可靠性引线结构 – 工业基础好，技术设备更新迅速
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封装形式
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封装形式
? DIP (Dual In-line Package) 双列直插式
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封装形式
? SOP(Small Outline Package)小外形封装
Al丝 Au丝
保形的涂敷材料
加工好的金属 聚合物密封剂
塑模化合物
分类 管芯键合 引线绑定
密封 管壳焊封
型模
引线框架 陶瓷管壳
管帽
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测试
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封装基本过程
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? PGA插针网格阵列封装
– PGA(Pin Grid Array Package) 芯片封装形 式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个 方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列 。根据引脚数目的多少，可以围成 2-5圈。
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引线形式
? 引线键合(Wire bonding)
? 载带自动键合 (TAB, Tape automated bonding)
? 倒装焊 (Flip-chip)
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? 在原有的材料基础上，提供低介电系数 、高导热、高机械强度等性能优越的新 型有机、无机和金属材料；
? 提供准确的检验测试数据，为提高器件 封装的性能和可靠性提供有力的保证。
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材料 晶圆
工序 划片
部件
封装 基本 过程
加工好的焊料 聚合物粘结剂
? 缺点
– 生产效率较低 – 长引线，降低电气特性 – 焊盘大，面积大 – 密封时引线容易被破坏
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TAB载带自动键合
? 在柔性聚合物载带上完成芯片安装和互联
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封装形式
? BGA 球栅阵列封装
– I/O引脚数增多，但距离远大于 QFP封装方式 ，提高了成品率
– 信号传输延迟小，适应频率大大提高 – 组装可用共面焊接，可靠性大大提高
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封装形式
? CSP芯片尺寸封装
– 减小了芯片封装外形的 尺寸，做到裸芯片尺寸 有多大，封装尺寸就有 多大。即封装后的器件 尺寸边长不大于芯片的 1.2倍，器件面积只比裸 片大不超过 1.4倍。
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微系统封装
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微系统封装
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封装
? 在整个芯片制造的流程中，封装是后道 工序
? 采用一定的材料以一定的形式将芯片封 装起来
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TAB载带自动键合
? 优点
– 可以处理小焊盘 – 消除了大的引线圈 – 增强传热性 – 提高电气特性 – 可以处理更多的 I/O – 减小重量
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TAB载带自动键合
? 缺点
– I/O增加时封装尺寸加大 – 工艺不够灵活 – 投入较大 – 特殊材料和设备