医用MEMS传感器特殊封装技术研究

王伦波，张政林

（无锡华润安盛科技有限公司，江苏 无锡214028）

1 引言

随着信息技术的日益发达，物联网将广泛应用于智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、个人健康、平安家居等诸多领域。而物联网的支撑技术则融合了传感器技术、RFID（射频识别）、计算机技术、通信网络技术、电子技术等多种技术。其中传感器技术是构成物联网的关键技术之一。

MEMS传感器是一种采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点，这些特点必须通过新型封装技术的开发才能实现。

与其他电子产品相比，便携式医疗电子产品需求较为特殊。随着经济与社会的发展，人的健康意识、健康需求以及医疗支付能力正不断提高，在个体需求上，经济形势的转好对人们的医疗保健需求将产生影响，这也使得便携医疗电子产品特别是家用便携医疗电子产品市场继续稳步扩大，如电子血压计等。而对于医用便携医疗电子产品，由于政府已经成为这类产品的购买主力，在我国民生以及社会保障体系建设力度逐步加大的推动下，该类市场的增长也取得进一步突破。

2 电子血压计用MEMS传感器封装技术

2.1 MEMS传感器特殊封装结构

众所周知，集成电路封装是采用带有IC功能的硅芯片，通过金丝键合、塑封等一系列工序，形成一个具有完整电路功能的集成电路。在这里，硅芯片是厚度均匀、内部没有空腔的刚体。而MEMS传感器芯片内部有一个空的腔体。在血压计实际应用中由于需要感知脉搏的压力，封装体内部要和外界沟通，以便让压力信号通过芯片表面薄膜电阻转换成电信号，见图1。因此这种产品的封装形式跟传统IC封装有很大的不同，必须采用特殊的封装结构，见图2。

2.2 MEMS传感器特殊封装工艺流程

与传统的IC封装一样，MEMS圆片也要经过背面减薄、划片分割过程。但减薄的目的不仅仅是控制芯片的厚度，同时也起到控制芯片内腔口径的作用。

在装片之前，需要预塑封好的引线框架，以备装片、键合使用。这里的引线框架由于经过预塑封，对引线指端金属表面状态会产生一些影响。因此要经过清洁处理。

装片工序是MEMS传感器特殊封装过程的中心环节。在这里通过对芯片四周的点胶形成芯片到封装件外接气嘴的密封管道。是否漏气成为封装产品的重要技术指标。

键合采用金丝将芯片PAD和外引线连接，形成电信号通路。最后点胶封盖给芯片一个机械保护和工作气氛。整个封装主要工艺流程为：

MEMS芯片接收→接收检查→磨片→贴膜→划片→塑封→清洗→装MEMS芯片→键合→点胶→烘干固化→加胶封盖→切筋→检验→出厂→客户成测

2.3 MEMS传感器特殊封装关键技术

2.3.1 MEMS传感器芯片减薄及划片技术

由于MEMS传感器芯片上的压力感应电阻做在芯片表面薄膜上，薄膜下面是空腔，在圆片贴膜、卸膜及划片分割的过程中，防止芯片上表面二十几微米的薄膜发生破裂，是保证封装产品可靠性的重要环节，见图3。

通常，薄膜破裂常常和以下一些因素有关：

（1）圆片贴膜及施加的压力；

（2）圆片卸膜操作方法；

（3）划片冲洗过程中水的压力；

（4）适合工艺操作的膜的材料等。

另外，划片中的芯片碎裂也是工艺中要注意防止的。对设备、刀片、工艺参数等都要进行优选，见图4。

2.3.2 密封式装片技术

通过对芯片四周的点胶形成芯片到封装件外接气嘴的密封管道。密封性如何，不产生漏气是至关重要的，见图5。

通常，密封式装片产生漏气与密封胶材料的选择、应选择硅胶、胶的粘度、强度、流动性、工艺的可操作性等因素有关。图6为硅胶不同温度条件下产品受压状态测试结果。

将产品置于恒温恒湿试验机KTHA-515TBS中，在-20℃、0℃、25℃、50℃、25℃、0℃、-20℃七个温度点，每个温度点包括升温降温时间共7h，最终保持恒温时间至少1h，取其中20个点求平均值。常压下不同温度条件下的产品输出参数结果一致性很好。

关于机器和工艺参数的选择，合适的工艺参数也是保证产品气密性的关键因素，见图7。

2.3.3 画胶与密封式装片工艺方法

首先要将硅胶双组分及稀释剂配好，保证胶有良好的流出和合适的流动性，画出的胶形有合适的高度。以便芯片放置后形成理想的厚膜胶层，见图8。

由于传感器芯片中间有腔体，选择装片顶针就显得十分重要，选择单顶针或多顶针应根据芯片腔口的大小来决定，见图9。

2.3.4 引线键合

经预塑封的引线框架键合面和传统IC封装的引线框架键合面表面状态有很大不同。预塑封框架在塑封过程中会受到塑封树脂的沾污，严重影响键合强度和产品的可靠性。因此，在预塑封后还必须对框架进行一次清洁处理或采用特殊方法在框架键合面上形成挡料环，防止对键合面的污染，见图10。

3 总结

通过以上工艺技术，MEMS传感器特殊封装产品经随机振动强化试验、高温试验、低温试验、高低温冲击试验、高温高湿强化试验，每组45只产品无一失效。

用于电子血压计的MEMS传感器芯片，由于其结构的特殊和应用领域的特殊要求，必须采用特殊的电子封装方式，其封装工艺技术有别于传统IC封装工艺技术，但部分流程仍然可以和传统IC塑料封装很好地兼容，充分利用在线基础设备。开发医用MEMS传感器特殊封装技术，对降低MEMS传感器制造成本、扩大应用领域、推动物联网的快速发展有着现实意义。