MEMS封裝中會(huì)遇到的問題有哪些？

為了適應(yīng)MEMS技術(shù)的發(fā)展，人們開發(fā)了許多新的MEMS封裝技術(shù)和工藝，如陽極鍵合，硅熔融鍵合、共晶鍵合等，已基本建立起自己的封裝體系。

現(xiàn)在人們通常將MEMS封裝分為四個(gè)層次：即裸片級(jí)封裝(Die Level)、器件級(jí)封裝(Device Level)、硅圓片級(jí)封裝(Wafer Lever Packaging)、單芯片封裝(Single Chip Packaging)和系統(tǒng)級(jí)封裝(System on Packaging)。

但隨著MEMS技術(shù)研究的深入和迅猛發(fā)展，以及MEMS器件本身所具有的多樣性和復(fù)雜性，使得MEMS封裝仍然面臨著許多新的問題需要解決，如在硅圓片切割時(shí)，如何對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，防止硅粉塵破壞芯片;在微結(jié)構(gòu)的釋放過程中，如何防止運(yùn)動(dòng)部件與襯底發(fā)生粘連等;在器件封裝中應(yīng)力的釋放，以及封裝及接口的標(biāo)準(zhǔn)化等問題，此外還有封裝性能的可靠性及可靠性評(píng)價(jià)問題等。

下面從MEMS封裝的層次以及封裝標(biāo)準(zhǔn)和封裝的可靠性方面來闡述MEMS封裝中所面臨的一些問題。

1、裸片級(jí)封裝(Die level)

裸片級(jí)封裝通常是指鈍化、隔離、鍵合和劃片等工藝，其目的是為裸片的后續(xù)加工和使用提供保護(hù)。從硅圓片上分離裸片的常用方法是采用高速旋轉(zhuǎn)的晶剛石刀片進(jìn)行切割，在切割的同時(shí)，必須用高凈化水對(duì)硅圓片表面進(jìn)行沖洗。這種為集成電路開發(fā)的裸片切割方法對(duì)保護(hù)裸片上的關(guān)鍵電路不受硅粉塵的污染是非常有效的。硅片表面的水膜對(duì)集成芯片有很好的保護(hù)作用。

然而，由于MEMS比IC有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如有腔體、運(yùn)動(dòng)部件以及更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)等，用這種裸片切割方法分離這些MEMS芯片，卻因?yàn)樗?、硅粉塵的原因而很容易損壞或阻塞芯片的靈巧結(jié)構(gòu)。為了防止MEMS芯片受損，必須在設(shè)計(jì)芯片階段就開始考慮對(duì)芯片結(jié)構(gòu)的保護(hù)。

裸芯片腔體封裝是一種常用的方法。封裝時(shí)有一個(gè)硅片基板裸片和一個(gè)硅“蓋帽”裸片，先將MEMS芯片貼到基板裸片上，再將“蓋帽”裸片鍵合到基板裸片上，從而形成一個(gè)密封腔體來保護(hù)MEMS器件。

鈍化保護(hù)器件的方法也常用，這層保護(hù)層的厚度約為2-3μm。用有機(jī)保護(hù)層對(duì)芯片進(jìn)行保護(hù)是很有效的，但存在的問題是有機(jī)物隨著時(shí)間容易老化，典型的涂層是硅膠，硅膠 容易變干和變硬，這在許多應(yīng)用中限制了它的有效壽命。

此外，將裸片與環(huán)境隔離的方法還有粘接工藝和鍵合工藝。粘接工藝主要使用環(huán)氧樹脂、RTV、硅橡膠等粘接劑，環(huán)氧樹脂用作粘接具有使用更簡單，在固化時(shí)不要求升溫，對(duì)沖擊、振動(dòng)能提供了很好的保護(hù)，具有價(jià)格優(yōu)勢等特點(diǎn)。

粘接方式的缺點(diǎn)是沒有抗拉強(qiáng)度，易老化，而且不能做到密封，這在要求有可靠的機(jī)械強(qiáng)度和密封性能或者要求器件不受過強(qiáng)運(yùn)動(dòng)沖擊的應(yīng)用中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求的。解決這一問題的方法是用鍵合工藝對(duì)裸片進(jìn)行封裝，鍵合工藝包括陽極鍵合、焊料焊接、硅熔融鍵合、玻璃粉鍵合及共晶鍵合等。

2、器件級(jí)封裝(Device level)

器件級(jí)封裝通常由MEMS器件、電源、信號(hào)調(diào)理和補(bǔ)償、以及與系統(tǒng)的機(jī)械和電的接口等幾部分組成。器件級(jí)封裝旨在提高和確保器件的性能、減小尺寸和降低價(jià)格。與電子器件相比，MEMS接口更復(fù)雜、涉及的面更廣。缺乏標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品一直阻礙著MEMS的商業(yè)化。

器件封裝連接的方法很多，包括環(huán)氧樹脂或其它粘接方法、熱熔方法(如電阻焊、回流焊)、芯片的互連包括引線鍵合、載帶自動(dòng)焊、倒裝芯片技術(shù)等。盡管對(duì)特定的工作環(huán)境沒有確切的定義，但要求在整個(gè)工作環(huán)境中，封裝結(jié)構(gòu)在機(jī)械強(qiáng)度、抵抗水壓或空氣壓力的能力以及引線連接強(qiáng)度等方面必須是可靠的。

3、圓片級(jí)封裝(Wafer Level)

在應(yīng)用MEMS技術(shù)制造傳感器過程中，人們一直努力想通過器件設(shè)計(jì)和制造工藝本身來減小MEMS封裝所面臨的挑戰(zhàn)。