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MEMS封装中会遇到的问题有哪些

2020-12-20
来源:电子发烧友

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。

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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。


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