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MEMS封装技术及设备

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Sep． 2010 （总第 188 期） 1
·趋势与展望·
电 子 工 业 专 用 设备
Equipment for Electronic Products Manufacturing
EPE
than Moore)”两 种 观 点 。 这 两 种 观 点 分 别 在 相 关 领 域 影 响 着 电 子 技 术 和 半 导 体 产 业 的 发 展 ，成 为 了许多行业和企业制定技术和产品路线图的重 要依据。
在 MEMS 应用领域中，下一个看好的即为消 费性电子产品以及通讯相关类别，若以通讯来看， 手机搭载加速度计的渗透率增长快速，尤以国内手
2 （总第 188 期）Sep． 2010
EPE 电 子 工 业 专 用 设备 Equipment for Electronic Products Manufacturing
超越摩尔：微型化 基本 CMOS、CPU、存储器、逻辑电路 /nm
超越摩尔：多样化
模拟 / 射频 无源元件 大容量功率器件 件感器执行元件 生物芯片
人与环境相互影响
非指数集成
130 90 65
SiP 信息处理
与
SoC
系统级封装 (SiP)
组 合
45 指数集成系
：更 高
32 统级芯片集成
集 成
(SoC) 22
MEMS Packaging Technology and Equipment
TONG Zhiyi
(The 45th Research Institute of CETC, Beijing 065201, China)
Abstract: This paper overviews the MEMS technology of More than Moore era, through the integration of MEMS and CMOS technology with TSV process, making the emergence of business opportunities that development of semiconductor and MEMS industry based on the integration of technology . and introduces mainly the facing challenges of MEMS device package and its corresponding packaging equipment. Keywords: MEMS packaging technology; MEMS packaging equipment; Wafer Bonding bonder; low temperature wafer bonding bonder; flip-chip bonder
电子市场中的许多应用，如射频器件、电源管 理子系统、被动元件、生物芯片、传感器、执行装置 和微机电系统(MEMS)在半导体产品中正扮演着同 样重要的角色。将各种模拟功能集成到基于 CMOS 的特色技术中，使其成本得以优化、并为系统提供 有增加价值的解决方案的各种多样化的技术，就是 More than Moore(见图 1 所示)。
·趋势与展望·
机产品为最大驱动力，在应用端转往亚洲的趋势 下，将增添 MEMS 相关业者的发展契机。
MEMS 的飞速发展是与相关的制造加工技术 的进展分不开的。微电子集成工艺是其基础。微细加 工技术是在硅微加工方法的基础上发展起来的，由 于微电子工艺是平面工艺,在加工 MEMS 三维结构 方面有一定的难度, 为了实现高深宽比的三维微细 加工, 通过多学科的交叉渗透, 已研究开发出了象 LIGA、激光加工等方法。此外,要构成 MEMS 的各 种特殊结构 ,必须用一系列特殊的工艺技术，主要包 括：体微加工技术；表面微加工技术；高深宽比微加 工技术；组装与键合技术以及超微精密加工技术等。
在 MEMS 生产制造过程中，晶圆制造占成本 比例低，反倒是封测成本高，约占 50%，主要在晶圆 端 MEMS 只需采用 0.35～0.5 μm 等成熟制程，不 需进入更高阶制程，不过封装端的精密度却远高于 半导体封装，测试时间也较长，因此成本较高。
MEMS 技术是广为应用一个柔性很高的平台， 其设计需要开发许多技术并把它们集成到一块来 实现 MEMS 一部分功能。作为一个组成部分，最终 设备必须被封装起来，使之能够在真空或者特殊气 体中工作，这样也可使之保持清洁和安全 , 这也导 致了晶圆级封装 (WLP)的诞生。随着 WLP 逐步走 向成熟，人们发现可以用它来把许多技术集成在一 起，不仅可以把盖子键合到 MEMS 器件上，还可以 把 InP 晶圆键合到 CMOS 及 MEMS 上，或采用电 路接线法，甚至 GaAs 有源技术来垂直集成 MEMS 开关、RF 和热通孔。采用的 WLP 通常包括 TSV (硅通孔) 和整个器件的三维集成。目前国外已经把 3D WLP 用于光开关、电开关、微流体、导航 (加速 度计和陀螺仪)、红外发射 / 传感 / 成像、和插件(包
系 统
来源：PHILIPS
图 1 “超越摩尔定律”的新兴范式(来源：NXP)
厚膜 IC
膜 IC (无源)
混合 IC
QFP
薄膜 IC (HIC)
小规模 IC
BGA
IC
(SSI)
CSP 系统封装
中规模 IC
先进 HIS FC
(SIP/SOP)
(MSI)
有源半 大规模 IC
MCM/MCP
导体 IC (LSI) 超大规模 IC
半导体技术持续突破的另一个方向则是朝向异 种技术融合发展，其中 MEMS 在半导体的融合蓝图 中扮演相当重要的技术。 而隨著半導體與 MEMS 整合程度、甚至進一步融合的深化，未來半導體與 MEMS 產業的界限將愈形模糊，未來業者將同時面 對兩個產業的競爭者，唯有同時掌握半導體與 MEMS 技術整合能力的業者才有機會勝出，成為產 業發展的主導者；以目前來看，經驗、資源與規模相 對較大的半導體業者相對具備優勢。而随着半导体 与 MEMS 整合程度、甚至进一步融合的深化，未来 半导体与 MEMS 产业的界限将愈加模糊，未来业者 将同时面对两个产业的竞争者，唯有同时掌握半导 体与 MEMS 技术整合能力的业者才有机会胜出，成 为产业发展的主导者。觀察目前的主流封裝方式，仍 是以 2 chips（1 MEMS+1 LSI）封裝為單一產品，亦即 以 SiP 方式整合 MEMS 與 ASIC。观察目前的主流 封装方式，仍是以 2 chips（1 MEMS+1 LSI）封装为单 一产品，亦即以 SiP 方式整合 MEMS 与 ASIC。 此 種方式優點除在於將製造步驟單純化外，亦可依據 應用所需的特性需求，彈性調整搭配的晶片組合，適 合目前的多樣化市場生態；而除了目前的 2 chips 封 裝方式外，IMU 亦已嘗試使用 Multi-chip 3D stacking package 進行据应用所需的特性需 求，弹性调整搭配的晶片组合，适合目前的多样化市 场生态；而除了目前的 2 chips 封装方式外，惯性测 量装置亦已尝试使用 Multi-chip 3D stacking package 进行进一步整合。图 2 给出了半导体与 MEMS 产业 技术整合的趋势。
键合在微机械加工中有着广泛应用。它可以把 相同的或不同的衬底、相同的或不同的元件以及衬 底和元件通过力的作用 (或是电作用) 永久地连结 成一体。其中，硅的键合技术是 MEMS 领域中一项 关键技术，可应用在微传感器、微机械器件、SOI 器 件、电力电子器件以及真空微电子器件等领域。
共晶键合利用冶金相变，其中由组分形成的二 元相比其中任一组分的熔点都低。键合技术采用金 属作为媒介层，通常会形成密封以及高真空的兼容 性(低除气材料与低渗透性)。
扩散键合也是一种热压键合，普遍应用于在相 对低的温度时扩散系数变得很快的系统中。这常常 发 生 在 如 金 (Au)、铜 (Cu) 的 材 料 中 ，因 此 可 进 行 Au-Au 或者 Cu-Cu 键合，甚至在低温下利用温度驱 动动力学进行 Cu-Au 键合。在这些情况下，没有形 成合金，界面是两种溶质的混合物。在某些应用中， 相对于金属间化合或共晶合金的形式，扩散键合是 一种更好的选择，因为合金比较脆弱。
EPE 电 子 工 业 专 用 设备 Equipment for Electronic Products Manufacturing
·趋势与展望·
MEMS 封装技术及设备
童志义
(中国电子科技集团公司第四十五研究所， 北京 065201)
摘 要： 概述了进入后摩尔时代的 MEMS 技术，通过 TSV 技术整合 MEMS 与 CMOS 制程，使得
括热导管在内)的制造工艺 。 目前，起主导作用的集成方法有两种：一是晶
圆级 MEMS 的 CMOS 接触和导线键合；二是直接 在 CMOS 晶圆上构建 MEMS。第一种方法在各种 情况下 (具有不同尺寸和良率的各种 MEMS 和 CMOS 圆片) 都适用，而第二种方法在 MEMS 和 CMOS 的良率都很高的情况下可以有效降低成本。 人们将很快看到第三种方法，即把完好的 MEMS 晶圆键合到完好的 CMOS 晶圆上。该方法下的派 生方法包括采用 CMOS 晶圆作为 MEMS 的封装 盖 ， 和 把 晶 圆 引 入 TSV 的 前 端 CMOS 和 后 端 MEMS 用作互连。
半导体与 MEMS 产业的发展由于技术的整合而出现新的商机 。 主要介绍了 MEMS 器件封装所
面临的挑战及相应的封装设备。
关键词： MEMS 封装技术； MEMS 封装设备； 晶圆片键合机； 低温晶圆键合机； 倒装芯片键合机
中图分类号： TN405.97
文献标识码： A
文章编号： 1004-4507(2010)09-0001-08
收 稿 日 期 ：2010-08-25

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MEMS封装技术的发展及应用

MEMS封装技术的发展及应用

MEMS封装技术的发展及应用MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）封装技术是指将微机电系统芯片封装在其中一种材料中，以提供电气连接、机械保护和环境隔离。

随着MEMS技术的不断发展和应用的广泛普及，MEMS封装技术也得到了大幅度改进和创新。

本文将就MEMS封装技术的发展及应用进行详细讨论。

MEMS封装技术的发展可以分为三个阶段：传统封装、无封装和集成封装。

传统封装主要采用目标制造封装（Chip on Board）和倒装芯片（Flip Chip），目标是将MEMS芯片连接到其他器件上，以实现电气和机械连接。

然而，传统封装存在一些问题，如尺寸过大、精度不高和成本较高等。

为了解决这些问题，无封装技术应运而生。

无封装技术采用了更精细的制造工艺和先进的封装材料，以实现更小、更精密和更高性能的封装。

无封装技术主要有三种：LTCC封装、LGA封装和CSP封装。

LTCC封装具有良好的电气性能和机械性能，适用于高频和高速应用。

LGA封装采用了柔性基板，可实现多芯片封装和高密度集成。

而CSP封装则是一种紧凑型封装，适用于小型移动设备。

除了无封装技术，集成封装技术也是MEMS封装技术的重要发展方向。

集成封装技术是指将MEMS芯片和其他电子器件（如射频元件、功率放大器等）集成在同一芯片上，以实现功能更加强大和紧凑的封装。

集成封装技术主要有两种：OLP封装和SiP封装。

OLP封装是通过光刻技术在硅基底上制造保护膜和线路，然后将MEMS芯片集成在其中。

这种封装方式具有尺寸小、可靠性高和操作频率高的优点，适用于无线通信和传感应用。

而SiP封装则是将MEMS芯片和其他芯片（如处理器、存储器等）集成在同一封装中，形成一个具有多种功能的封装。

SiP封装具有先进的处理能力、较低的功耗和较小的尺寸，适用于快速和多功能的应用。

MEMS封装技术的应用非常广泛。

其中最常见的应用是传感器和执行器。

MEMS传感器可以测量和检测环境中的物理和化学参数，如温度、压力、湿度、加速度等。

MEMS封装技术

MEMS封装技术

对于微传感器和微执行器，除电信号外，芯片还有 其他物理信息要与外界连接，如光、声、力、磁等， 这样便要求一方面要气密封，另一方面又不能全密封 的情况，加大了封装的难度。
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。
微机电系统(mems)工程技术 半导体制造工艺技术

微机电系统(mems)工程技术 半导体制造工艺技术

微机电系统(mems)工程技术半导体制造工艺技术微机电系统（MEMS）是一种融合微电子技术、机械工艺和微纳米加工技术的新型技术，具有微小体积、高性能和低功耗等优点，被广泛应用于传感器、执行器、微机械系统等领域。

MEMS制造工艺技术作为其核心技术之一，在MEMS设备的设计、生产和测试过程中起着至关重要的作用。

一、MEMS制造工艺技术的基本原理MEMS制造工艺技术是利用微纳米加工技术对微电子元件进行加工，实现微小尺寸的器件。

其基本原理包括光刻、薄膜沉积、刻蚀、清洗和包装等步骤。

在制造过程中，需要考虑到器件的性能、成本和效率等因素，并采用不同的工艺流程进行处理。

二、MEMS制造工艺技术的工艺流程1.设计阶段：确定MEMS器件的功能和结构，并进行软件仿真和电路设计，制定完整的器件设计方案。

2.掩膜光刻：利用掩膜和紫外光曝光的技术，将器件的图形准确转移到光敏材料上，形成所需的图形。

3.薄膜沉积：采用物理气相沉积、化学气相沉积等技术，在衬底表面沉积一层或多层薄膜，用于制备MEMS器件的功能部件。

4.刻蚀工艺：采用干法或湿法刻蚀技术，将多余的材料去除，形成所需的器件结构。

5.清洗和检测：在制造过程中，需要对器件进行清洗和检测，确保器件的质量和性能。

6.包装封装：将制备好的器件封装在封装体中，保护器件免受外部环境的影响。

三、MEMS制造工艺技术的发展趋势1.纳米加工技术：随着纳米加工技术的发展，MEMS器件的尺寸将进一步减小，性能将得到显著提升。

2.多功能集成：未来的MEMS器件将具有多功能集成的特点，可以同时实现多种功能，提高器件的综合性能。

3.自组装技术：自组装技术的应用将使MEMS制造工艺更加灵活和高效，降低成本，提高生产效率。

4.高可靠性设计：随着MEMS器件在汽车、医疗等领域的广泛应用，高可靠性设计将成为MEMS制造工艺技术的重要发展方向。

四、结语MEMS制造工艺技术是一项复杂而重要的工艺技术，对MEMS器件的性能和质量起着决定性的作用。

mems制造工艺及技术

mems制造工艺及技术

MEMS制造工艺及技术的深度解析一、引言微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）是一种将微型机械结构与电子元件集成在同一芯片上的技术。

由于其体积小、功耗低、性能高等特点，MEMS技术已被广泛应用于各种领域，如汽车、医疗、消费电子、通信等。

本文将详细介绍MEMS的制造工艺及技术，以帮助读者更深入地了解这一领域。

二、MEMS制造工艺1. 硅片准备MEMS制造通常开始于一片硅片。

根据所需的设备特性，可以选择不同晶向、电阻率和厚度的硅片。

硅片的质量对最终设备的性能有着至关重要的影响。

2. 沉积沉积是制造MEMS设备的一个关键步骤。

它涉及到在硅片上添加各种材料，如多晶硅、氮化硅、氧化铝等。

这些材料可以用于形成机械结构、电路元件或牺牲层。

沉积方法有多种，包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和电镀等。

3. 光刻光刻是一种利用光敏材料和模板来转移图案到硅片上的技术。

通过光刻，我们可以在硅片上形成复杂的机械结构和电路图案。

光刻的精度和分辨率对最终设备的性能有着重要影响。

4. 刻蚀刻蚀是一种通过化学或物理方法来去除硅片上未被光刻胶保护的部分的技术。

它可以用来形成机械结构、电路元件或通孔。

刻蚀方法有湿法刻蚀和干法刻蚀两种。

湿法刻蚀使用化学溶液来去除材料，而干法刻蚀则使用等离子体或反应离子刻蚀（RIE）来去除材料。

5. 键合与封装键合是将两个或多个硅片通过化学键连接在一起的过程。

它可以用于制造多层MEMS设备或将MEMS设备与电路芯片集成在一起。

封装是将MEMS设备封装在一个保护壳内以防止环境对其造成损害的过程。

封装材料可以是陶瓷、塑料或金属。

三、MEMS制造技术挑战与发展趋势1. 尺寸效应与可靠性问题随着MEMS设备的尺寸不断减小，尺寸效应和可靠性问题日益突出。

例如，微小的机械结构可能因热膨胀系数不匹配或残余应力而导致失效。

为了解决这些问题，研究人员正在开发新型材料和制造工艺以提高MEMS设备的可靠性。