芯片层叠塑料封装的MEMS惯性器件的开封方法

2018-09-04林晓玲梁朝辉何春华

电子产品可靠性与环境试验 2018年4期

林晓玲，梁朝辉，何春华

(1.电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广东广州 510610；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610)

0 引言

惯性技术是导航定位、制导控制、稳瞄稳像和姿态测量的核心技术，惯性陀螺仪和加速度计的技术状态是表示惯性技术的基础[1-2]。其中，陀螺用于测量运动体的角速度，加速度计用于测量运动体的加速度。微电子系统 (MEMS：Micro Electro Mechanical System)的惯性器件是指敏感结构采用微加工手段加工的微机械陀螺和微加速度计，具有体积小、重量轻、功耗低、可大批量生产、成本低和抗过载能力强等一系列的优点，因而得到了广泛的应用。

为了确保MEMS惯性器件的应用可靠性[3-4]，研发过程中或使用前，需根据标准对器件进行内部目检。内部目检前的样品开封制备应避免损坏封装的内部结构。由于MEMS的封装比微电子封装更为复杂，并且没有统一的标准，因而不同的MEMS器件，其封装差别很大[5-8]。采用芯片层叠塑料封装的MEMS惯性器件的结构特殊，除了具有悬臂梁、梳齿等可动微结构外，封装中还含有空腔和上下层的层叠结构，这些特点给传统的开封方法带来了极大的困难。利用传统的、用于塑封集成电路的化学腐蚀开封方法，通过发烟硝酸或浓硫酸等对塑封材料有高效分解作用的化学腐蚀液刻蚀，可以将专用集成电路 (ASIC：Application Specific Integrated Circuit)芯片上方的塑封材料局部腐蚀去除，暴露出封装结构中的ASIC芯片并观察分析。但是化学腐蚀液无法腐蚀硅，因此无法将封帽硅片直接腐蚀去除，无法暴露封帽硅片所形成的空腔中的加速度计MEMS和陀螺仪MEMS，也就无法对它们进行观察分析。而对于ASIC芯片置于下方的MEMS惯性器件，用塑封集成电路的化学腐蚀刻蚀方法将其外部塑封材料去除之后，得到的则是封帽硅片的背部，也是无法观察到其形成的空腔内的加速度计MEMS和陀螺仪MEMS。

为了解决芯片层叠塑料封装的MEMS惯性器件封装复杂、开封难的问题，本文提出了一种针对芯片层叠塑料封装MEMS惯性器件的开封技术及其流程，可实现芯片层叠塑料封装MEMS惯性器件的开封，暴露其中的加速度计MEMS、陀螺仪MEMS和ASIC芯片，实现对该类型封装器件的内部目检，以弥补传统的开封技术的不足，为此类型封装器件的内部目检提供技术支撑。

1 芯片层叠塑料封装MEMS惯性器件的主要工艺过程

在以硅为基础的MEMS加工技术中，加速度计、陀螺仪等需要对微机械的可动器件结构部分实施保护，这种保护的方法就是在器件上方采用空腔封帽片保护结构，通过硅硅直接键合、阳极键合、铝锗薄膜键合和玻璃熔融键合等表面键合技术，使器件硅片和封帽硅片密闭结合在一起。这种芯片层叠塑料的封装结构的MEMS惯性器件将加速度计MEMS、陀螺仪MEMS和共用ASIC芯片等集成在一个封装里面，既提供了器件与外界环境交互作用的通道，也使微机械的器件结构和外部环境得到隔离，保护器件敏感结构不因外界的作用而遭到损坏，使器件的性能保持稳定。通常，芯片层叠塑料封装的MEMS惯性器件中的加速度计MEMS、陀螺仪MEMS会制作于空腔中，之后加上封帽硅片形成保护腔，而它们的共用ASIC芯片则是置于封帽硅片上方或是下方，形成层叠结构。各层芯片通过引线键合的方式与外界实现电连接。

为了满足体积小、重量轻和多功能等要求，MEMS惯性器件正在向芯片叠层封装的方向发展。芯片叠层封装是利用倒装、引线键合等混合互连技术，把不同功能的微装置和信号处理芯片通过层叠的方式，堆积成紧凑的三维立体结构。叠层封装的层叠是在垂直于芯片表面的方向上进行的，采用混合互连技术的目的是为了适应不同层、不同器件之间的互连需要。图1所示的微加速度计是一个典型的芯片叠层封装实例。其中，封帽硅片 (Cap die)所构成的就是层叠塑料封装MEMS器件的密封腔，微加速度计制作于该腔体中，和信号处理单元 “堆积”在一起，实现了三维封装。

密封腔 (图1中Cap die和Sensor die组成)的主要工艺过程示意图如图2所示。这个制程的步骤为：1)在晶圆上生成一层2.5 μm厚的热二氧化硅 (如图2a所示)；2)首先，用LPCVD沉积一个多晶硅层 (多晶硅层1)，在这个多晶硅层上做版图然后蚀刻，制成埋入式电连接结构，用于传感器向外部传递电位和电容信号 (如图2b所示)；然后，用PECVD沉积一层1.6 μm厚的二氧化硅层。这个PEVCD氧化层与2.5 μm厚的热二氧化硅构成一个4.1 μm厚的复合氧化层，用作THELMA制程中的牺牲层；最后，在PECVD沉积氧化物层上做版图和蚀刻，用作厚多晶硅器件的锚定区，稍后制成锚定组件 (如图2c所示)；3)首先，用外延沉积法沉积一层厚多晶硅 (如图2d所示)，这个层的厚度可以根据器件设计做相应的调整，厚度范围是15～50 μm，通过沉积、版图和蚀刻工艺，制作一个连接传感器的金属导电层 (如图2e所示)；然后，用深反应离子蚀刻方法 (DRIE)在厚多晶硅层上做图和蚀刻，一直到底部的氧化层 (如图2f所示)；最后，用氢氟酸蒸汽去除牺牲层，释放多晶硅结构层 (如图2g所示)。

图1 加速度计的层叠封装

图2 制造惯性传感器的THELMA制程工艺

2 芯片层叠塑料封装MEMS的开封技术及其流程

结合芯片层叠塑料封装MEMS惯性器件的结构特点，本文提出了一种适合于芯片层叠塑料封装MEMS惯性器件的开封技术及流程，将芯片层叠塑料封装MEMS惯性器件中的各层芯片和密封腔中的可动微结构等暴露出来供观察分析。具体的技术方案如下所述。

a)利用X射线检查法观察芯片层叠塑料封装MEMS惯性器件，获得其内部结构信息，例如：芯片大小、芯片数量、芯片层数和引线键合分布情况等等。

b)利用3D X-ray或金相切片技术制作剖面，进一步地明确MEMS惯性器件的空腔位置和芯片的分布情况，确认加速度计MEMS、陀螺仪MEMS和共用ASIC芯片等结构的具体位置。

c)如果通过步骤b)的剖面观察，确认MEMS惯性器件是ASIC芯片在上一层、加速度计MEMS和陀螺仪MEMS在下一层的层叠结构，则先通过发烟硝酸或浓硫酸等化学腐蚀液作用，将ASIC芯片上方的塑封料局部去除，露出ASIC芯片及与其相连的键合引线，以进行后续的检查分析。

d)通过步骤c)观察完毕顶层ASIC芯片之后，将器件浸泡至腐蚀液中，利用腐蚀作用，去除封帽硅片和器件硅片之间的键合结构，使封帽硅片与器件硅片分离，露出空腔中的加速度计MEMS、陀螺仪MEMS，以进行后续的检查分析。

e)如果通过步骤b)的剖面观察，发现MEMS惯性器件是ASIC芯片在下层、加速度计MEMS和陀螺仪MEMS在上层的结构，则ASIC上方和加速度计MEMS、陀螺仪MEMS的密闭结构之间的塑封料，以及加速度计MEMS和陀螺仪MEMS上方的塑封料，都利用发烟硝酸或浓硫酸等化学腐蚀液去除，将含ASIC芯片的结构、含加速度计MEMS、陀螺仪MEMS的密闭结构分离，并将ASIC芯片暴露出来检查分析。之后，封帽硅片及制作有加速度计MEMS、陀螺仪MEMS的器件硅片的密闭结构，再通过腐蚀液的浸泡去除键合部位实现两者之间的分离，露出空腔中的加速度计MEMS、陀螺仪MEMS，以进行后续的检查分析。

3 芯片层叠塑料封装MEMS的开封实例

以一款栅格阵列式封装 (LGA：Land Grid Array)技术封装的MEMS产品 (封装型号为LGA-14L，尺寸为2.5 mm×3 mm×0.83 mm)为例介绍芯片层叠塑料封装MEMS的开封流程及结果。该产品中含有高性能加速度计 (3轴)和陀螺仪 (3轴)双芯片，并排分布于ASCI芯片 (0.11 μm工艺)上方。

通过X射线透视了解器件的封装结构，包括芯片数量、芯片位置、芯片朝向和引线键合高度等各种信息，得到了其内部结构的X-ray图片，如图3所示。

芯片采用叠层封装结构，使用3D X-ray或金相切片技术制作剖面。本例中通过金相切片技术制作了样品的剖面 (如图4所示)，从图4中可以看出，在封帽硅片和器件硅片所构成的密封空腔中，制作了MEMS惯性器件的可动微结构 (加速度计和陀螺仪)。ASIC芯片则放置于器件硅片下方，形成层叠结构封装于塑封料中。

采用化学开封法完成主体部分的开封。首先，用发烟硝酸去除外围塑封料，露出ASIC芯片的一部分；然后，改用浓硫酸去除ASIC和器件硅片之间的芯片粘接层，将ASIC芯片和由器件硅片和封帽硅片之间的组合体分离，完整地露出ASIC芯片的整体形貌 (如图5所示)；最后，将器件硅片和封帽硅片之间的组合体浸泡至酸腐蚀液中，使封帽硅片与器件硅片分离，露出封帽硅片的形貌以及由其密封的腔内结构 (加速度计和陀螺仪芯片)，具体如图6-9所示。

从图中可以看出，利用该方法可以实现芯片层叠塑料封装的MEMS惯性器件的开封，可以将封装中的叠层芯片、可动微结构等暴露出来，并进行观察与分析。

需注意的是，上述步骤中，均需要采用金相显微镜或扫描电子显微镜，对剖面制作、化学腐蚀法的效果进行监测，避免腐蚀过度或者不足而导致的

样品损坏或者器件观察效果不佳。