东莞铝电解电容MEMS封装技能的成长及应用

1 引言
当前，海表里半导体集成电路科研程度已根基具备将一些巨大的机电系统集成建造在芯片上的本领，险些整个1000亿美元局限的财富基本设施都可以用来支持MEMS技能，那些被批量制造的、同时包括尺寸在纳米到毫米量级的电子与机器元器件组成的MEMS，成为国际上微电子系统集成成长的新偏向。多门类实用的MEMS演示样品向早期产物演绎，可批量出产的微加快度计、力敏传感器、微陀螺仪、数字微镜器件、光开关等的商品化日趋成熟，劈头形成100亿美元的市场局限，年增长率在30％以上。当MEMS与其他技能融会时，往往还会催生一些新的MEMS器件，为微电子技能提供了很是大的市场和创新机会，有大概在此后数十年内激发一场家产革命。然而，实现MEMS的商品化、市场化还面对很多挑战，另有许多财富化的技能困难需要举办深条理的研究、办理，尤其是MEMS封装技能的成长相对滞后，在某些方面形成封装障碍，使得许多MEMS器件的研发仍临时逗留在尝试室阶段，首先办理这一通往市场的瓶颈，促进财富链提速运转已成为各界共鸣。

2 MEMS封装的特点
MEMS技能是一门相当典范的多学科交错渗透、综合性强、时尚前沿的研发规模，险些涉及到所有自然及工程学科内容，以单晶硅Si、Si02、SiN、SOI等为主要质料。Si机器电气机能优良，其强度、硬度、杨式模量与Fe相当，密度雷同A1，热传导率也与Mo和W八两半斤。在制造巨大的器件布局时，现多回收的各类成熟的外貌微bD工技能以及体微机器加工技能，正向以LIGA（即深度x射线刻蚀、微电铸成型、塑料铸模等三个环节的德文缩写）技能、微粉末浇铸、立刻掩膜EFAB为代表的三维加工拓展。因而MEMS封装具有与IC芯片封装显著差异的自身非凡性：
（1）专用性
MEMS中凡是都有一些可动部门或悬空布局、硅杯空腔、梁、沟、槽、膜片，甚至是流体部件与有机部件，根基上是靠外貌效应事情的。封装架构取决于MEMS器件及用途，对各类差异布局及用途的MEMS器件，其封装设计要因地制宜，与制造技能同步协调，专用性很强。
（2）巨大性
按照应用的差异，大都MEMS封装外壳上需要留有同外界直接相连的非电信号通路，譬喻， 33UF 35V，有通报光、磁、热、力、化等一种或多种信息的输入。输入信号界脸蛋大，对芯片钝化、封装掩护提出了非凡要求。某些MEMS的封装及其技能比MEMS还新颖，不只技能难度大，并且对封装情况的干净度要求到达100级。
（3）空间性
为给MEMS可勾当部门提供足够的勾当、可动空间，需要在外壳上刻蚀或留有必然的槽形及其他形状的空间，灌封好的MEMS需要外貌上的净空，封装时能提供一个十分有效的掩护空腔。
（4）掩护性
在晶片上制成的MEMS在完成封装之前，始终对情况的影响极其敏感。MEMS封装的各操纵工序、划片、烧结、互连、密封等需要回收非凡的处理惩罚要领，提供相应的掩护法子，装网格框架，防备可动部位受机器损伤。系统的电路部门也必需与情况断绝掩护， 3.3UF 400V，以免影响处理惩罚电路机能，要求封装及其质料不该对利用情况造成不良影响。
（5）靠得住性
MEMS利用范畴遍及，对其封装提出更高的靠得住性要求，尤其要求确保产物在恶劣条件下的安详事情，免受有害情况侵蚀，气密封装能发散多余热量。
（6）经济性
MEMS封装主要回收定制式研发，现处于初期成长阶段，离系列化、尺度化要求尚远。其封装在整个产物价值中占有40％-90％的比重，低落封装本钱是一个热门话题。
总而言之，IC封装和MEMS封装这两者最大的区别在于MEMS一般要和外界打仗，而IC刚好相反，其封装的主要浸染就是掩护芯片与完成电气互连，不能直接将IC封装移植于更巨大的MEMS。但从广义上讲，MEMS封装形式多是成立在尺度化的IC芯片封装架构基本上。今朝的技能大多沿用成熟的微电子封装工艺，并加以改造、演变，适应MEMS非凡的信号界面、外壳、内腔、靠得住性、低落本钱等要求。

3 MEMS封装的成长
MEMS的成长方针在于通过微型化、集成化来摸索新道理、新成果的元器件与系统，开发一个新技能规模和财富，其封装就是确保这一方针的实现，起着举足轻重的浸染。险些每次国际性MEMS集会会议城市对其封装技能举办热烈接头，多元化研发另辟门路。各类改造后的MEMS封装不绝涌现，个中较有代表性的思路是涉及物理、化学、生物、微机器、微电子的集成微传感器及其阵列芯片系统，在实现MEMS片上系统后，再举办封装；另一种是将处理惩罚电路做成专用芯片，并与MEMS组装在同一基板上，最后举办多芯片组件MCM封装、系统级封装SIP。在商用MEMS产物中，封装是最终确定其体积、靠得住性、本钱的要害技能，等候值极高。
MEMS封装大抵可分为圆片级、单片全集成级、MCM级、模块级、SIP级等多个层面。圆片级给MEMS建造的前、后道工序提供了一个技能桥梁，整合伙源，具有倒装芯片封装与芯片尺寸封装的特点，对敏捷易碎的元件、执行元件举办非凡钝化掩护，使其免受有害事情介质和潮汽侵蚀，不受或少受其他无关因素的滋扰，制止低落精度，完成MEMS芯片与基座（或管壳）的焊接和键合；单片全集成级封装要对一个集成在同一衬底上的微布局和微电路举办密封，使之成为一个可供给用的完整系统产物，尺寸小，内部互连长度短，电气特性好，输出／人接点密度高，是MEMS封装成长的较抱负方案；MCM级将MEMS和信号处理惩罚芯片组装在一个外壳内，常回收成熟的淀积薄膜型多芯片组件MCM-D、殽杂型多芯片组件MCM-C／D、厚膜陶瓷多芯片组件MCM-C的工艺与布局到达高密度、高靠得住性封装，可以充实操作已有的条件和设备，别离建造MEMS的差异部门。这类封装在小体积、多成果、高密度、提跨越产效率方面显出优势；模块级封装旨在为MEMS设计提供一些模块式的外部接口，一般分为光学接口、流体接口、电学接口，接口数据则由总线系统传输，从而使MEMS能利用统一的、尺度化的封装批量出产，淘汰在封装设备上的投资，低落本钱，缩短出产周期，并要求封装可以向二维空间自由扩展和毗连，形成模块，完成某些成果，担保尽大概高的封装密度；SiP称为超集成计策，在集成异种元件方面提供了最大的机动性，合用于射频RF-MEMS的封装，在今朝的通信系统利用了大量射频片外分立单位，无源元件（电容、电感、电阻等）占到射频系统元件数目标80％-90％，占基板面积的70％-80％，这些可MEMS化来提高系统集成度及电学机能，但往往没有现成的封装可以操作，而SiP是一种很好的选择，完成整个产物的组装与最后封装。
在MEMS封装技能中，倒装芯片互连封装以其高I／O密度、低耦合电容、小体积、高靠得住性等特点而独具特色，可将几个差异成果的MEMS芯片通过倒装互连组装在同一块基板上，组成一个独立的系统。倒装芯片正面朝下，朝下的光电MEMS可机动地选择需要吸收的光源，而免受其他光源的影响。研究表白，通过化学镀沉积柔性化凸点下金属层UBM、焊膏印刷和凸点转移在芯片上形成凸点的这一套工艺的设备要求不高， 町作为倒装芯片封装布局用于力敏MEMS，尤其适合各研究机构为MEMS开拓的单件小批量的倒装芯片封装。而利用光刻掩膜、电镀和回流的要领形成凸点的UBM，却适合家产化大批量出产的MEMS压力传感器。回收倒装芯片互连技能的MEMS封装已取得多方面希望，成为研发烧点。
在实际应用中，MEMS的封装大概是回收多种技能的团结。严格地讲，有些封装技能并无明明的差别和界定，另一些却与微电子封装密切相关或相似，高密度封装、大腔体管壳与气密封装、晶片键合、芯片的断绝与通道、倒装芯片、热学加工、柔性化凸点、准密封封装技能等倍受存眷。用于MEMS封装的质料主要有陶瓷、金属、铸模塑料等数种，高靠得住性产物的壳体大多回收陶瓷—金属、陶瓷—玻璃、金属—玻璃等布局，各有特点，满意MEMS封装的非凡信号界面、外壳机能等要求。

4 MEMS封装的应用
MEMS是今世国际瞩日的重大科技摸索前沿阵地之一，新研发的MEMS样品不绝被披暴露来，从敏感MEMS拓展到全光通信用光MEMS、移动通信前端的RF-MEMS、微流体系统等信息MEMS。光MEMS包罗微镜阵列、光开关、可变衰减器、无源互连耦合器、光交错毗连器、光分插复用器和波分复用器等，MEMS与光信号有着天然的亲和力；RF-MEMS包罗射频开关、可调电容器、电感器、谐振器、滤波器、移相器、天线等要害元器件；微流体系统包罗微泵、微阀、微殽杂器、微流体传感器等，可对微量流体举办输运、组分阐明和疏散以及压力、流量、温度等参数的在线测控。MEMS正处在发达成长时期，财富链和代价链的形成是需要链中各环节的配合尽力和密合适作的，封装不行缺位。

4.1 微加快度计
MEMS最乐成的产物是微加快度计，凡是由一个悬臂组成，梁的一端牢靠，另一端悬挂着一个约10μg的质量块，由此质量块敏感加快度后，转换为电信号，经C／V转换、放大、相敏解调输出。有的厂家月产达200万件，研发出20余种型号产物，主要用于汽车安详气囊系统和不变系统的惯性丈量，国际市场年需求量在1亿件以上。在市场上较其他类MEMS取得贸易化快速希望的原因是更适宜回收尺度的IC封装，提供一个相应的微机器掩护情况，无需开拓非凡的外壳布局，从XL50圆型陶瓷封装演进到XL276型8脚陶瓷双列直插式、XL202型14脚陶瓷外貌贴装式封装，今朝逐渐被更小的XL202E型8引脚陶瓷外貌贴装所代替，可耐高温和强烈的机器振动、酸碱腐化。Low-G系列产物回收风行的方形平面无引脚QFN-16封装，有的回收16脚双列直插式或单列直插式塑料封装。回收MCM技能凡是能在一个MEMS封装中纳入更巨大的信号调理成果芯片。

4.2 微陀螺仪
MEMS微陀螺仪多操作振动来检测旋转的角速度信号，正加快研制高精度、低本钱、集成化、抗高攻击的产物，研究在芯片上制造光纤陀螺，小批量出产硅MEMS陀螺（俗称芯片陀螺）和MEMS石英压电速率陀螺，用于全球卫星定位系统准确制导的信号赔偿、汽车导航系统、航行器、天线不变系统等。有回收无引线陶瓷芯片载体LCCC封装、殽杂集成封装、MCM封装、单管壳系统封装的微陀螺仪，将惯性传感器与节制专用电路封装为一体，要求内部必需是真氛围密条件。

4.3 力敏传感器
　　以MEMS技能为基本的微型化、多成果化、集成化、智能化的力敏传感器得到贸易化应用。个中，硅MEMS压力传感器的利用最遍及，根基工艺流程分为力敏弹性膜片（硅杯）和组装两大进程，在纽装中如何制止附加应力的发生是封装工艺的要害，回收静电封接独具特色，将力敏弹性膜片与玻璃环通过静电封接机封接为一体，形成膜片基体，不和接管压力布局增加膜片的牢靠支撑厚度，然后键合内引线、粘结、焊外引线、老化处理惩罚、零点赔偿、密封、静电标定等完成整个封装进程：封装技能向低温玻璃封接、激光硅—玻璃封接成长。

4.4 外貌贴装麦克风
全球首款外貌贴装Si Sonic微型麦克风的部件回收MEMS技能制造，并将其与一个CMOS电荷泵IC、两个RF滤波电容集成在一个封装中，构成一个外貌贴装器件。这种外貌贴装的封装形式适合大批量自动装配出产，出产效率极大提高，而今朝回收传统电容式麦克风ECM是手工贴装，缺乏局限经济性。前者总体只有ECM的一半巨细，投影面积是更小的8．61mm2，有望代替一直在便携式应用中占主导职位的ECM。

4.5 数字微镜器件
数字微镜器件DMD（DIGITAL Micromirror DEVICE）主芯片含有高出150万个能被准确节制、独立动弹的微镜，可用于光通信及数字投影装置、背投彩电等，其成像道理是由微镜±10°的动弹节制光信号通断，透镜成像并投影到屏幕上，优势是光效高、色彩富厚传神、亮度易作到2000流明甚至更高、比拟度2000：1、靠得住性好、平均寿命约为50年，现销售量高出300万套。DMD回收带有透明窗口的密封封装形式，用陶瓷作为基底，玻璃作为窗口，同时利用了吸气剂，去除大概会对器件靠得住性造成危害的湿气、氢以及其他一些物质微粒，其封装可以或许担保器件内干燥、密封并有一个透明的窗口确保光路的流畅。

4.6 MEMS光开关
用MEMS技能建造的光开关是将光机器布局、微制动器、微光元件在同一基底上集成，具有传统光机器开关和波导开关的特点，二维和三维MEMS光开关已有贸易化的产物面世，开展对一维的研究，多回收组件或断绝密封式、模块形式封装，其典范代表为MEMS-5200系列互换模块。有些产物可以或许接管来自数十条光纤的输入信号，并可将其路由到其他几百条光纤中去，回收这种产物的主要来由是制止耗费昂贵、且难处理惩罚的大量光—电转换和电—光转换，要到达这一目标，就要求，于关与光纤以及其他器件之间举办几百次甚至几千次的毗连，回收同光纤相适应的封装，封装及讨论技能甚至比MEMS还新颖，并要尽大概减小温度、湿度、振动以及其他情况因素对封装光开关的影响。MEMS光开关市场上尚缺乏配合的封装技能尺度，因批量小、技能难度大而价值出格昂贵，封装工艺、封装质料、机能测试等的不绝改造是热点存眷的话题。封装技能还需要更大的成长，才气充实浮现出MEMS光开关在全光网中可扩展地完成各类光互换的要害浸染的特性。

4.7 RF-MEMS
RF-MEMS可补充CMOS工艺的不敷，MEMS技能建造的无源元件有益于系统集成度与电学机能的提高、本钱低落，成为国际顶级半导体厂商拓展硅芯片应用范畴的研发偏向。RF-MEMS开关的实用化得到相当大的希望，往往没有现成的封装可以直接利用，因而需寻求办理方案，SIP首当其冲。SIP从RF-MEMS设计阶段即思量封装问题，无源元件的集成方法、封装布局的设计、封装工艺流程、系统内芯片间的互连、封装质料的选择等尤为要害。SIP中内含外貌安装器件、集成式无源元件、存储器芯片、CMOS芯片、GaAs高机能功率放大器，在基板上可用高密度互连技能建造掩埋式无源元件、传输线等，简化系统布局，低落寄生效应与损耗，提高应用频率范畴，缩短产物开拓时间。

5 竣事语
MEMS以及微光电子机器系统MOEMS、纳米电子机器系统NEMS的研发为新的技能革命提供了大量机会。差异的MEMS要求详细相应的封装布局，封装技能的特异性高，激发出大量的封装问题亟待办理。据海外权威统计公司SPC的统计，海内MEMS的研究处于世界前八位，可批量出产MEMS力敏传感器，研制乐成MEMS光开关、RF-MEMS开关、微流体系统等多种道理样品，从总体程度上看，与海外的差距主要表此刻财富化技能上。选择一些应用量大、面广的MEMS及其封装作为成长和市场切人点，形成财富，满意市场需求，为成长其他MEMS打下基本、探索出纪律，这样就乐成了一半。没有一项MEMS的研发会漠视封装技能，没有封装的跟进是不现实的。
从海外成长趋势看，MEMS的封装种别一般都沿用已经尺度化的IC封装布局形式，可能加以改造来适应MEMS要求，力图回收更多的现有IC封装架构实现MEMS的封装。回收新型封装布局及其技能，成立MEMS封装单位库，注重本钱的新封装布局与MEMS研发之间的进一步整合，成为另一个成长趋势。
在MEMS问题上，若就其封装展开充实的探讨，则各有各的方法，市场竞赛要选择对路产物，在市场引导下组建起MEMS的完整财富链是值得等候的。