東莞鋁電解電容MEMS封裝技能的成長及應用

1 引言
當前，海表里半導體集成電路科研程度已根基具備將一些巨大的機電系統集成建造在芯片上的本領，險些整個1000億美元局限的財富基本設施都可以用來支持MEMS技能，那些被批量制造的、同時包括尺寸在納米到毫米量級的電子與機器元器件組成的MEMS，成為國際上微電子系統集成成長的新偏向。多門類實用的MEMS演示樣品向早期產物演繹，可批量出產的微加快度計、力敏傳感器、微陀螺儀、數字微鏡器件、光開關等的商品化日趨成熟，劈頭形成100億美元的市場局限，年增長率在30％以上。當MEMS與其他技能融會時，往往還會催生一些新的MEMS器件，為微電子技能提供了很是大的市場和創新機會，有大概在此后數十年內激發一場家產革命。然而，實現MEMS的商品化、市場化還面對很多挑戰，另有許多財富化的技能困難需要舉辦深條理的研究、辦理，尤其是MEMS封裝技能的成長相對滯后，在某些方面形成封裝障礙，使得許多MEMS器件的研發仍臨時逗留在嘗試室階段，首先辦理這一通往市場的瓶頸，促進財富鏈提速運轉已成為各界共鳴。

2 MEMS封裝的特點
MEMS技能是一門相當典范的多學科交錯滲透、綜合性強、時尚前沿的研發規模，險些涉及到所有自然及工程學科內容，以單晶硅Si、Si02、SiN、SOI等為主要質料。Si機器電氣機能優良，其強度、硬度、楊式模量與Fe相當，密度雷同A1，熱傳導率也與Mo和W八兩半斤。在制造巨大的器件布局時，現多回收的各類成熟的外貌微bD工技能以及體微機器加工技能，正向以LIGA（即深度x射線刻蝕、微電鑄成型、塑料鑄模等三個環節的德文縮寫）技能、微粉末澆鑄、立刻掩膜EFAB為代表的三維加工拓展。因而MEMS封裝具有與IC芯片封裝顯著差異的自身非凡性：
（1）專用性
MEMS中凡是都有一些可動部門或懸空布局、硅杯空腔、梁、溝、槽、膜片，甚至是流體部件與有機部件，根基上是靠外貌效應事情的。封裝架構取決于MEMS器件及用途，對各類差異布局及用途的MEMS器件，其封裝設計要因地制宜，與制造技能同步協調，專用性很強。
（2）巨大性
按照應用的差異，大都MEMS封裝外殼上需要留有同外界直接相連的非電信號通路，譬喻， 33UF 35V，有通報光、磁、熱、力、化等一種或多種信息的輸入。輸入信號界臉蛋大，對芯片鈍化、封裝掩護提出了非凡要求。某些MEMS的封裝及其技能比MEMS還新穎，不只技能難度大，并且對封裝情況的干凈度要求到達100級。
（3）空間性
為給MEMS可勾當部門提供足夠的勾當、可動空間，需要在外殼上刻蝕或留有必然的槽形及其他形狀的空間，灌封好的MEMS需要外貌上的凈空，封裝時能提供一個十分有效的掩護空腔。
（4）掩護性
在晶片上制成的MEMS在完成封裝之前，始終對情況的影響極其敏感。MEMS封裝的各操縱工序、劃片、燒結、互連、密封等需要回收非凡的處理懲罰要領，提供相應的掩護法子，裝網格框架，防備可動部位受機器損傷。系統的電路部門也必需與情況斷絕掩護， 3.3UF 400V，以免影響處理懲罰電路機能，要求封裝及其質料不該對利用情況造成不良影響。
（5）靠得住性
MEMS利用范疇遍及，對其封裝提出更高的靠得住性要求，尤其要求確保產物在惡劣條件下的安詳事情，免受有害情況侵蝕，氣密封裝能發散多余熱量。
（6）經濟性
MEMS封裝主要回收定制式研發，現處于初期成長階段，離系列化、尺度化要求尚遠。其封裝在整個產物價值中占有40％-90％的比重，低落封裝本錢是一個熱門話題。
總而言之，IC封裝和MEMS封裝這兩者最大的區別在于MEMS一般要和外界打仗，而IC剛好相反，其封裝的主要浸染就是掩護芯片與完成電氣互連，不能直接將IC封裝移植于更巨大的MEMS。但從廣義上講，MEMS封裝形式多是成立在尺度化的IC芯片封裝架構基本上。今朝的技能大多沿用成熟的微電子封裝工藝，并加以改造、演變，適應MEMS非凡的信號界面、外殼、內腔、靠得住性、低落本錢等要求。

3 MEMS封裝的成長
MEMS的成長方針在于通過微型化、集成化來摸索新道理、新成果的元器件與系統，開發一個新技能規模和財富，其封裝就是確保這一方針的實現，起著舉足輕重的浸染。險些每次國際性MEMS集會會議城市對其封裝技能舉辦熱烈接頭，多元化研發另辟門路。各類改造后的MEMS封裝不絕涌現，個中較有代表性的思路是涉及物理、化學、生物、微機器、微電子的集成微傳感器及其陣列芯片系統，在實現MEMS片上系統后，再舉辦封裝；另一種是將處理懲罰電路做成專用芯片，并與MEMS組裝在同一基板上，最后舉辦多芯片組件MCM封裝、系統級封裝SIP。在商用MEMS產物中，封裝是最終確定其體積、靠得住性、本錢的要害技能，等候值極高。
MEMS封裝大抵可分為圓片級、單片全集成級、MCM級、模塊級、SIP級等多個層面。圓片級給MEMS建造的前、后道工序提供了一個技能橋梁，整合伙源，具有倒裝芯片封裝與芯片尺寸封裝的特點，對敏捷易碎的元件、執行元件舉辦非凡鈍化掩護，使其免受有害事情介質和潮汽侵蝕，不受或少受其他無關因素的滋擾，制止低落精度，完成MEMS芯片與基座（或管殼）的焊接和鍵合；單片全集成級封裝要對一個集成在同一襯底上的微布局和微電路舉辦密封，使之成為一個可供給用的完整系統產物，尺寸小，內部互連長度短，電氣特性好，輸出／人接點密度高，是MEMS封裝成長的較抱負方案；MCM級將MEMS和信號處理懲罰芯片組裝在一個外殼內，?；厥粘墒斓牡矸e薄膜型多芯片組件MCM-D、殽雜型多芯片組件MCM-C／D、厚膜陶瓷多芯片組件MCM-C的工藝與布局到達高密度、高靠得住性封裝，可以充實操作已有的條件和設備，別離建造MEMS的差異部門。這類封裝在小體積、多成果、高密度、提跨越產效率方面顯出優勢；模塊級封裝旨在為MEMS設計提供一些模塊式的外部接口，一般分為光學接口、流體接口、電學接口，接口數據則由總線系統傳輸，從而使MEMS能利用統一的、尺度化的封裝批量出產，淘汰在封裝設備上的投資，低落本錢，縮短出產周期，并要求封裝可以向二維空間自由擴展和毗連，形成模塊，完成某些成果，擔保盡大概高的封裝密度；SiP稱為超集成計策，在集成異種元件方面提供了最大的機動性，合用于射頻RF-MEMS的封裝，在今朝的通信系統利用了大量射頻片外分立單位，無源元件（電容、電感、電阻等）占到射頻系統元件數目標80％-90％，占基板面積的70％-80％，這些可MEMS化來提高系統集成度及電學機能，但往往沒有現成的封裝可以操作，而SiP是一種很好的選擇，完成整個產物的組裝與最后封裝。
在MEMS封裝技能中，倒裝芯片互連封裝以其高I／O密度、低耦合電容、小體積、高靠得住性等特點而獨具特色，可將幾個差異成果的MEMS芯片通過倒裝互連組裝在同一塊基板上，組成一個獨立的系統。倒裝芯片正面朝下，朝下的光電MEMS可機動地選擇需要吸收的光源，而免受其他光源的影響。研究表白，通過化學鍍沉積柔性化凸點下金屬層UBM、焊膏印刷和凸點轉移在芯片上形成凸點的這一套工藝的設備要求不高， 町作為倒裝芯片封裝布局用于力敏MEMS，尤其適合各研究機構為MEMS開拓的單件小批量的倒裝芯片封裝。而利用光刻掩膜、電鍍和回流的要領形成凸點的UBM，卻適合家產化大批量出產的MEMS壓力傳感器?；厥盏寡b芯片互連技能的MEMS封裝已取得多方面希望，成為研發燒點。
在實際應用中，MEMS的封裝大概是回收多種技能的團結。嚴格地講，有些封裝技能并無明明的差別和界定，另一些卻與微電子封裝密切相關或相似，高密度封裝、大腔體管殼與氣密封裝、晶片鍵合、芯片的斷絕與通道、倒裝芯片、熱學加工、柔性化凸點、準密封封裝技能等倍受存眷。用于MEMS封裝的質料主要有陶瓷、金屬、鑄模塑料等數種，高靠得住性產物的殼體大多回收陶瓷—金屬、陶瓷—玻璃、金屬—玻璃等布局，各有特點，滿意MEMS封裝的非凡信號界面、外殼機能等要求。

4 MEMS封裝的應用
MEMS是今世國際矚日的重大科技摸索前沿陣地之一，新研發的MEMS樣品不絕被披暴露來，從敏感MEMS拓展到全光通信用光MEMS、移動通信前端的RF-MEMS、微流體系統等信息MEMS。光MEMS包羅微鏡陣列、光開關、可變衰減器、無源互連耦合器、光交錯毗連器、光分插復用器和波分復用器等，MEMS與光信號有著天然的親和力；RF-MEMS包羅射頻開關、可調電容器、電感器、諧振器、濾波器、移相器、天線等要害元器件；微流體系統包羅微泵、微閥、微殽雜器、微流體傳感器等，可對微量流體舉辦輸運、組分闡明和疏散以及壓力、流量、溫度等參數的在線測控。MEMS正處在發達成長時期，財富鏈和代價鏈的形成是需要鏈中各環節的配合盡力和密合適作的，封裝不行缺位。

4.1 微加快度計
MEMS最樂成的產物是微加快度計，凡是由一個懸臂組成，梁的一端牢靠，另一端懸掛著一個約10μg的質量塊，由此質量塊敏感加快度后，轉換為電信號，經C／V轉換、放大、相敏解調輸出。有的廠家月產達200萬件，研發出20余種型號產物，主要用于汽車安詳氣囊系統和不變系統的慣性丈量，國際市場年需求量在1億件以上。在市場上較其他類MEMS取得貿易化快速希望的原因是更適宜回收尺度的IC封裝，提供一個相應的微機器掩護情況，無需開拓非凡的外殼布局，從XL50圓型陶瓷封裝演進到XL276型8腳陶瓷雙列直插式、XL202型14腳陶瓷外貌貼裝式封裝，今朝逐漸被更小的XL202E型8引腳陶瓷外貌貼裝所代替，可耐高溫和強烈的機器振動、酸堿腐化。Low-G系列產物回收風行的方形平面無引腳QFN-16封裝，有的回收16腳雙列直插式或單列直插式塑料封裝?；厥誐CM技能凡是能在一個MEMS封裝中納入更巨大的信號調理成果芯片。

4.2 微陀螺儀
MEMS微陀螺儀多操作振動來檢測旋轉的角速度信號，正加快研制高精度、低本錢、集成化、抗高攻擊的產物，研究在芯片上制造光纖陀螺，小批量出產硅MEMS陀螺（俗稱芯片陀螺）和MEMS石英壓電速率陀螺，用于全球衛星定位系統準確制導的信號賠償、汽車導航系統、航行器、天線不變系統等。有回收無引線陶瓷芯片載體LCCC封裝、殽雜集成封裝、MCM封裝、單管殼系統封裝的微陀螺儀，將慣性傳感器與節制專用電路封裝為一體，要求內部必需是真氛圍密條件。

4.3 力敏傳感器
　　以MEMS技能為基本的微型化、多成果化、集成化、智能化的力敏傳感器得到貿易化應用。個中，硅MEMS壓力傳感器的利用最遍及，根基工藝流程分為力敏彈性膜片（硅杯）和組裝兩大進程，在紐裝中如何制止附加應力的發生是封裝工藝的要害，回收靜電封接獨具特色，將力敏彈性膜片與玻璃環通過靜電封接機封接為一體，形成膜片基體，不和接管壓力布局增加膜片的牢靠支撐厚度，然后鍵合內引線、粘結、焊外引線、老化處理懲罰、零點賠償、密封、靜電標定等完成整個封裝進程：封裝技能向低溫玻璃封接、激光硅—玻璃封接成長。

4.4 外貌貼裝麥克風
全球首款外貌貼裝Si Sonic微型麥克風的部件回收MEMS技能制造，并將其與一個CMOS電荷泵IC、兩個RF濾波電容集成在一個封裝中，構成一個外貌貼裝器件。這種外貌貼裝的封裝形式適合大批量自動裝配出產，出產效率極大提高，而今朝回收傳統電容式麥克風ECM是手工貼裝，缺乏局限經濟性。前者總體只有ECM的一半巨細，投影面積是更小的8．61mm2，有望代替一直在便攜式應用中占主導職位的ECM。

4.5 數字微鏡器件
數字微鏡器件DMD（DIGITAL Micromirror DEVICE）主芯片含有高出150萬個能被準確節制、獨立動彈的微鏡，可用于光通信及數字投影裝置、背投彩電等，其成像道理是由微鏡±10°的動彈節制光信號通斷，透鏡成像并投影到屏幕上，優勢是光效高、色彩富厚傳神、亮度易作到2000流明甚至更高、比擬度2000：1、靠得住性好、平均壽命約為50年，現銷售量高出300萬套。DMD回收帶有透明窗口的密封封裝形式，用陶瓷作為基底，玻璃作為窗口，同時利用了吸氣劑，去除大概會對器件靠得住性造成危害的濕氣、氫以及其他一些物質微粒，其封裝可以或許擔保器件內干燥、密封并有一個透明的窗口確保光路的流暢。

4.6 MEMS光開關
用MEMS技能建造的光開關是將光機器布局、微制動器、微光元件在同一基底上集成，具有傳統光機器開關和波導開關的特點，二維和三維MEMS光開關已有貿易化的產物面世，開展對一維的研究，多回收組件或斷絕密封式、模塊形式封裝，其典范代表為MEMS-5200系列互換模塊。有些產物可以或許接管來自數十條光纖的輸入信號，并可將其路由到其他幾百條光纖中去，回收這種產物的主要來由是制止耗費昂貴、且難處理懲罰的大量光—電轉換和電—光轉換，要到達這一目標，就要求，于關與光纖以及其他器件之間舉辦幾百次甚至幾千次的毗連，回收同光纖相適應的封裝，封裝及討論技能甚至比MEMS還新穎，并要盡大概減小溫度、濕度、振動以及其他情況因素對封裝光開關的影響。MEMS光開關市場上尚缺乏配合的封裝技能尺度，因批量小、技能難度大而價值出格昂貴，封裝工藝、封裝質料、機能測試等的不絕改造是熱點存眷的話題。封裝技能還需要更大的成長，才氣充實浮現出MEMS光開關在全光網中可擴展地完成各類光互換的要害浸染的特性。

4.7 RF-MEMS
RF-MEMS可補充CMOS工藝的不敷，MEMS技能建造的無源元件有益于系統集成度與電學機能的提高、本錢低落，成為國際頂級半導體廠商拓展硅芯片應用范疇的研發偏向。RF-MEMS開關的實用化得到相當大的希望，往往沒有現成的封裝可以直接利用，因而需尋求辦理方案，SIP首當其沖。SIP從RF-MEMS設計階段即思量封裝問題，無源元件的集成方法、封裝布局的設計、封裝工藝流程、系統內芯片間的互連、封裝質料的選擇等尤為要害。SIP中內含外貌安裝器件、集成式無源元件、存儲器芯片、CMOS芯片、GaAs高機能功率放大器，在基板上可用高密度互連技能建造掩埋式無源元件、傳輸線等，簡化系統布局，低落寄生效應與損耗，提高應用頻率范疇，縮短產物開拓時間。

5 竣事語
MEMS以及微光電子機器系統MOEMS、納米電子機器系統NEMS的研發為新的技能革命提供了大量機會。差異的MEMS要求詳細相應的封裝布局，封裝技能的特異性高，激發出大量的封裝問題亟待辦理。據海外權威統計公司SPC的統計，海內MEMS的研究處于世界前八位，可批量出產MEMS力敏傳感器，研制樂成MEMS光開關、RF-MEMS開關、微流體系統等多種道理樣品，從總體程度上看，與海外的差距主要表此刻財富化技能上。選擇一些應用量大、面廣的MEMS及其封裝作為成長和市場切人點，形成財富，滿意市場需求，為成長其他MEMS打下基本、探索出紀律，這樣就樂成了一半。沒有一項MEMS的研發會漠視封裝技能，沒有封裝的跟進是不現實的。
從海外成長趨勢看，MEMS的封裝種別一般都沿用已經尺度化的IC封裝布局形式，可能加以改造來適應MEMS要求，力圖回收更多的現有IC封裝架構實現MEMS的封裝?；厥招滦头庋b布局及其技能，成立MEMS封裝單位庫，注重本錢的新封裝布局與MEMS研發之間的進一步整合，成為另一個成長趨勢。
在MEMS問題上，若就其封裝展開充實的探討，則各有各的方法，市場競賽要選擇對路產物，在市場引導下組建起MEMS的完整財富鏈是值得等候的。