高度集成MEMS传感器封装结构及封装方法

2023-11-16马勉之庞宝龙

电子元器件与信息技术 2023年8期

马勉之，庞宝龙

华天科技（西安）有限公司，陕西西安，710018

0 引言

MEMS是微机电系统的简称，是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。作为一个独立的智能系统，它是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，它通过光刻、腐蚀等半导体技术，融入超精密机械加工，并结合材料、力学、化学、光学等，使一个毫米或微米级的MEMS系统具备精确而完整的电气、机械、化学、光学等特性。进入21世纪后，集成电路尺寸微缩的技术路线遭遇了物理节点失效、经济学定律失效，以及性能、功耗指标难以达到等各种挑战，单纯依靠尺寸微缩的发展道路变得越来越窄，因此制造商开始逐渐意识到实现三维集成产业化的重要性。随着MEMS深入发展，MEMS的应用也越来越广泛，用户对MEMS的技术参数要求也越来越高，随着电子产品的发展，对利用MEMS器件进行的检测精度等提出了更高要求。MEMS的检测通过微机械运动来实现。这个运动对微机械造成的机械应力，一直是困扰MEMS性能提升的主要因素之一，其应力来源主要是MEMS封装后相互接触的不同材料，例如包裹MEMS芯片的塑封树脂、贴盖后的焊接回流等。目前主流发展的多芯片组装技术可应用于薄而小的电子产品中，但是这种技术对MEMS产品的外形体积要求越来越小。同时，把多种材料置于一起的封装结构产生应力影响在温度变化时特别明显，这种应力可能造成产品的灵敏度、零点漂移等性能恶化。后来，有研究人员试图采用开孔的金属帽封装结构，封盖后的金属帽，由于要确保后续电子装配的回流高温，必须采用上部开孔的方式，但是封盖后的产品有与外界通气的小孔，外界的灰尘、湿气等会进入传感器内，对产品性能造成影响，最终导致长期使用的MEMS传感器信号逐渐恶化。因此，又出现通过边沿侧开孔的工艺，采用覆膜树脂抽真空的方式，较好地解决了小孔封闭，内腔由于真空存在，避免了高温回流的小孔涨开的问题。真空覆膜技术虽然很成熟，但是在该类产品中存在如下缺陷：因为覆膜树脂具有一定的厚度，通常厚度有0.2mm，这就使得产品厚度增加了0.2mm；而且覆膜树脂价格昂贵，一张进口90*90mm的树脂价格超过100元，使得产品单颗成本上升近0.1元；另外，覆膜工艺也需要增加昂贵的覆膜设备，其单机达到30万美元。覆膜技术造成产品厚度的增加，使得客户端要求的产品超薄应用受到限制，影响市场推广；产品成本的上升，又使产品的竞争力受到影响。

本文旨在介绍一种高度集成的MEMS传感器封装结构及其封装方法，该封装结构包括由若干个基板围成的空腔，空腔内设若干芯片和电子元器件，空腔上开设气孔，空腔内外气压相同。本技术采用三层基板压合工艺得到封装结构且其内进行FCCSP芯片的倒装贴装，实现了MEMS传感器芯片的功能，同时FCCSP芯片也可作为控制芯片使用。这种封装技术可以有效缩小封装结构的面积，降低成本；封装结构上的气孔既可以满足MEMS传感器如声学、气压等功能需求，同时也可在回流焊中减少对FCCSP芯片的碰撞，还可使封装结构内外气压平衡，满足可靠性和高散热需求；本结构高度集成化、体积小型化，为MEMS传感器的发展提供了新思路。

1 文献综述

陈德勇、曹明威等提出了一种基于绝缘体上硅-玻璃阳极键合工艺的谐振式微电子机械系统压力传感器的制作及真空封装方法[1]。刘进长、刘振忠等概述了MEMS传感器技术发展现状与趋势[2]。田斌、胡明介绍了MEMS封装技术的研究现状和存在的问题，重点介绍了倒装芯片技术、上下球栅阵列封装技术和多芯片模块封装技术三种封装技术的特点及其在MEMS领域的应用实例，并且对MEMS封装的发展趋势进行了分析[3]。韩雷、张丽娜等陈述了一套吹气装置设计，并分别采用相位相关法和二元二次曲面拟合亚像素法计算未启用吹气装置和启用吹气装置后图像间的平移，采用梯度函数对图像清晰度进行评价[4]。李浩、王从香等基于多层共烧陶瓷基板开展预埋芯片混合集成基板技术的研究，通过对混合集成基板的内应力进行仿真分析，得到了预埋芯片基板工艺中芯片和腔体结构的最佳匹配关系[5]。李瑜、刘志远等通过对比实验，验证纳米银玻璃浆用于芯片Cr/Pt/Au多层金属电极与高温管座可伐（4J29）转接端子之间导电烧结的可行性，经过仿真计算及实验验证，用纳米银玻璃浆烧结的感压元件可以耐受5个循环-55℃～350℃的温冲考核，并且用其制作出高频响且在高温、常温、低温下输出性能稳定的MEMS压力传感器，满足航天、工业、民用等各领域的应用需求[6]。张迪雅、梁庭等介绍了倒装焊接技术在MEMS压阻式压力传感器封装领域的优势和目前研制的压力敏感芯片的倒装焊的关键技术，根据封装结构设计和基板材料的不同，论述了国内外MEMS压阻式压力传感器倒装焊技术的研究成果，最后总结了MEMS压力传感器倒装焊技术的发展前景和所面临的挑战[7]。马婷婷、马书鯼结合了器件的工作环境，分别从高温、高湿、温度冲击、过电压、压力过载、温湿循环等环境负载方面探讨硅压阻式MEMS压力传感器的工艺可靠性问题，参照工厂制定的工艺标准，通过封装级器件测试数据，有效监控产品的工艺质量[8]。周伟、秦明对芯片倒装技术尤其是凸点加工工艺在MEMS设计中的作用进行实例分析，指出倒装芯片不仅是一种高性能的封装模式，还能为MEMS器件提供立体通道或是热力载体，并形成许多特殊的结构[9]。

由此可见，MEMS传感器的高度集成封装对于理论研究和实践应用都有相当重要的意义。相对于目前MEMS器件或系统的设计与制作技术，落后的封装技术已成为制约MEMS产品进入市场的瓶颈。本文介绍了MEMS封装技术的特点和功能，分析了封装成本的影响因素，并给出了一种新型MEMS封装的工艺流程和主要封装技术，并对MEMS封装的发展趋势做了一定分析。

2 技术方案及讨论

2.1 技术背景

随着MEMS的快速发展，科研机构和企业研发出大量MEMS芯片，但大部分设计难以投入实际生产，其中主要的原因之一就是受限于相对落后的MEMS封装技术。长期以来，“封装无技术”的思想直接导致落后的封装技术成为MEMS新产品进入市场的瓶颈。因而能否研发先进的MEMS封装材料和封装方式，在相当程度上决定了一款MEMS新产品是作为样品滞留在实验室，还是走上生产线为社会创造经济效益。鉴于此，加强对MEMS封装工艺的研发，尤其是开发出性价比高的材料和封装技术，对于MEMS产业具有极其重要的意义。概括地说，MEMS芯片对封装材料的要求主要包括介电常数低、传热性好、密封性好，从而保证器件的高可靠性和高性能。目前用于MEMS封装的主要材料有陶瓷、塑料和金属。MEMS封装是在微电子封装的基础上发展起来的，但它与集成电路（IC）封装存在一定的差异。与传统的IC封装相比，MEMS封装过程中需要重点考虑的问题有四个，分别是硅片厚度问题、划片问题、热设计问题、保护层问题。此外，封装技术也会影响MEMS材料的固有属性。本技术采用三层基板压合工艺得到封装结构且其内进行FCCSP芯片的倒装贴装，实现MEMS传感器芯片的功能，同时FCCSP芯片也可作为控制芯片使用。

2.2 封装结构

如图1所示，这种高度集成的MEMS传感器封装结构包括由若干个基板围成的空腔，该空腔内集成设置有若干个芯片和电子元器件，芯片的类型可相同或不同，空腔上开设有若干个气孔11，通过设置气孔11，既可以实现声音、气体等进出，也可以使空腔内外气压相同，还能起到散热作用，气孔11可根据实际需求设置于空腔上方或侧壁。作为其中一个实施例，高度集成的MEMS传感器封装结构包括由第一基板1、第二基板3和第三基板7围成的空腔，该空腔内且位于第一基板1上设置有电子元器件和若干个同类型或不同类型的芯片，优先在第一基板1上设置电子元器件4、MEMS芯片5和ASIC芯片6，该空腔内且位于第三基板7上设置若干个FCCSP芯片，空腔上开设有若干个气孔，优选在第二基板3或第三基板7上开设若干个气孔，使得空腔内外气压相同。

图1 空腔

2.3 封装方法

本技术选取的封装方法不但能够替代传统的单芯片封装结构，而且明显提高了MEMS器件的性能和可靠性。本文所指的高度集成的MEMS传感器封装方法具体包括以下步骤。

（1）准备第一基板、第二基板和第三基板；

（2）在第一基板上贴装电子元器件，并在其相对的两端分别贴合第二基板，再将若干个同类型或不同类型的芯片贴装在第一基板表面，第一基板上的芯片和电子元器件位于第一基板的同一面，随后进行打线连接，使得第一基板与其上的芯片互联导通；

（3）在第三基板正面进行FCCSP芯片的倒装贴装，将耐高温胶膜贴在第三基板的背面；随后，对FCCSP芯片进行点胶，增强FCCSP芯片的焊接强度；再在第三基板四周进行点胶或者锡膏，同时撕掉第三基板背面的耐高温胶膜；

（4）将步骤（3）所得基板倒扣在步骤（2）所得基板上面，形成具有空腔的三层基板压合结构，该结构即所需封装结构，其上具有若干个气孔；

（5）进行印字、切割，形成单颗的成品结构。

3 分析结果

3.1 本技术方案的优点

（1）该封装采用三层基板压合工艺，得到具有空腔的三层基板压合结构，无需设置金属罩或类似结构，在最上面的第三基板上进行FCCSP芯片的倒装贴装，可以实现MEMS传感器芯片的功能，同时FCCSP芯片也可以作为控制芯片使用，FCCSP芯片可以通过气孔进行散热，从而防止芯片因温度过高导致内部烧坏的缺陷。

（2）将FCCSP芯片集成在封装结构内部，有效缩小了封装结构的面积，减少空间占用率，在不影响正常使用的前提下显著降低了成本。

（3）本封装结构上的气孔可容许声音、气体等进出，既可以满足MEMS传感器如声学、气压等功能需求，同时也可以在回流焊中减少对FCCSP芯片的碰撞，避免出现破裂或裂纹等，且气孔的存在使得封装结构内外气压平衡，无压差，满足可靠性需求，气孔位置可根据实际需求选择。本方案将气孔设置于第二基板上，即封装结构的侧壁上，气孔数量至少有两个，其他两块基板也可以作为后端上PCB模组时的焊接面，便于终端客户灵活选择，气孔数量的增多有助于加快封装结构内外气体流动，同时也可以降低在回流焊中基板爆开的风险。