福英達(dá)淺談MEMS封裝焊接技術(shù)

1. MEMS封裝介紹

MEMS是將微傳感器，微執(zhí)行器，信號(hào)處理，電路等元件連接在一起的系統(tǒng)，目前主要用于各類傳感器。在對IC封裝進(jìn)行長時(shí)間的研究后，人們決定將IC封裝理論的實(shí)踐延伸到MEMS中。盡管許多MEMS封裝形式是IC封裝的延伸，MEMS的高度復(fù)雜性加大了封裝難度和成本。通常來說MEMS封裝成本占到了總設(shè)備費(fèi)用的一半或更高，是因?yàn)镸EMS的獨(dú)特性導(dǎo)致沒有標(biāo)準(zhǔn)的封裝技術(shù)。傳統(tǒng)的IC封裝需要提供芯片管腳的合理分布并且能夠?qū)崿F(xiàn)電氣連通。不同的是由于MEMS應(yīng)用場景的不同，封裝外殼需要為各種能量和介質(zhì)的流通提供通道，例如光信號(hào)，電信號(hào)，流體成分等的流通，這加大了封裝難度。

2. MEMS封裝要求

由于要接收外界信號(hào)和介質(zhì)，MEMS不可避免要與外界接觸。由于體積太小且封裝外殼需要與外界保持連通，應(yīng)用環(huán)境中的雜質(zhì)會(huì)腐蝕元件并影響可靠性。另外封裝時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)，沖擊，溫度變化會(huì)影響機(jī)械結(jié)構(gòu)脆弱的元件可靠性和性能。為減少對敏感高精度傳感器的影響，焊接受到的應(yīng)力應(yīng)控制在盡量小的范圍。內(nèi)部電路系統(tǒng)需要有效與外部環(huán)境隔絕開來。MEMS往往是不可拆卸清洗的，因此需要焊接點(diǎn)揮發(fā)物保持在低量范圍。過量的揮發(fā)殘留物會(huì)影響元件的可靠性。

3. MEMS封裝工藝

相比于常用的引線鍵合，目前還探索了新型的倒裝封裝技術(shù)。倒裝芯片顧名思義就是將芯片倒裝焊接在基板上的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是大大增加了I/O的數(shù)量。相比引線鍵合，倒裝技術(shù)避免了引線產(chǎn)生的信號(hào)干擾。單芯片/多芯片封裝和晶圓級(jí)(WLP)很好的應(yīng)用了該技術(shù)。為了使元件保持高精度，封裝焊接通常是在真空下完成。

①　單芯片/多芯片封裝

芯片級(jí)封裝是將芯片從大塊晶圓中取出后進(jìn)行封裝。主要采用陶瓷或玻璃基板進(jìn)行封裝。MEMS芯片和陶瓷基板的工藝不同導(dǎo)致了它們需要單獨(dú)加工。MEMS芯片通過貼片，引線鍵合或直接倒裝與基板連接，然后將芯片與陶瓷基板相焊接并進(jìn)行封帽處理。常見的封帽材料有金屬，陶瓷等。封帽的主要目的時(shí)能給芯片帶來高氣密性和可靠性。

②　晶圓級(jí)封裝。

晶圓級(jí)封裝是在還未進(jìn)行切割的大塊晶圓上直接進(jìn)行封裝的技術(shù)。需要對晶圓鈍化層進(jìn)行聚合物涂覆，對銅焊區(qū)域線層重新排布后進(jìn)行第二層聚合物涂覆，加入球下金屬層，并進(jìn)行植球。進(jìn)行封裝測試后將大塊完整晶圓進(jìn)行切割取出單個(gè)的成品芯片，隨后芯片在經(jīng)過性能檢測后被倒裝焊在基板上，其中需要使用錫膏/錫膠進(jìn)行粘連焊接。芯片最后通過多種鍵合工藝與封帽形成互連結(jié)構(gòu)。

目前兩種封裝線路仍存在缺陷，但是晶圓級(jí)封裝隨著技術(shù)的演變無疑是MEMS封裝的主流線路，不同廠家逐漸開發(fā)出不同晶圓級(jí)封裝的分支路線。