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MEMS封装技术发展与应用
一、 MEMS技术发展状况
1.1 MEMS概述
MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）英文缩写。它是指可批量制作，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号解决和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体微型器件或系统。MEMS技术是以微电子、微机械和材料科学科学为基本，研究、设计、制造具备特定功能微型装置一门学科。MEMS器件与传感器集成技术通过十几年发展，当前已相称成熟。但是封装制导致本当前仍是制约MEMS产品市场进一步扩大核心因素。
MEMS器件由于其应用环境复杂而和很难与普通封装办法相适应。普通，MEMS器件封装应满足下列规定：
1） 封装应对传感器芯片提供一种或各种环境接口
2） 封装对传感器芯片，特别是那些相应力特别敏感传感器带来应力要尽量小
3） 封装与封装材料不应相应用环境导致不良影响
4） 封装应保护传感器及电子器件免遭不利环境影响
5） 封装必要提供与外界通道，可通过电接触或无线办法
普通状况下，可将各种封装办法分为三类：晶片级封装办法、单芯片封装和多芯片模块与微系统封装。
1.2 封装技术现状
1.2.1 晶片级封装
过去十几年中晶片贴合技术备受关注，国外已经开发了各种硅-硅、玻璃-硅和玻璃-玻璃贴合办法。初期硅-硅贴合办法只能用于较高温度，近来几年不断有低温办法浮现，当前已可在120~400℃下实现牢固而可靠贴合。因而可采用双极和CMOS工艺完毕。玻璃-硅贴合普通采用阳极氧化。当只有一层玻璃介质层时可采用30~60V低电压。当使用含碱量低低熔点玻璃时，可用融化玻璃办法实现镜片贴合，并完全与CMOS工艺兼容，如果在实际贴合之前用热解决办法去除玻璃种气泡，就可形成密封性能极好高真空腔。晶片-晶片贴合其她选取还涉及采用粘结剂和易熔办法等。贴合期间在接触点上施加压力还可实现晶片之间电互连。
另一种晶片级封装办法是在一排生化传感器上制作某些微型Si3N4帽，用于保护化学传感器寿命界面，从而达到延长传感器寿命目。还可以在晶片上制作流量敏感器和微泵进出通道。可用晶片金属化技术通过服饰空实现晶片有源面与背面连接。采用这种办法可使背面接触很容易地与有源面隔离开，芯片很容易安装到任何载体上或任何屏蔽中，而不会妨碍进出通道。
1.2.2 单芯片封装
通惯用于传感器件和电子芯片在一块芯片上合成班上芯片办法。其详细工艺环节是：一方面在板上完毕芯片贴合，用引线键合实现连接，最后在器件上涂一层塑料化合物，传感器/制动器有源程序区除外，应用区被限制在相对安全环境中。
对普通环境下低成本应用而言，MEMS器件采用塑料封装技术是一种较好选取，已开发出许多办法用于传感器和制动器转移模封装，同步保存至有源器件区进出通路。尽管塑料封装不能应用于侵蚀性环境，但预测大多数传感器都将应用于相对良好条件下，因而塑料封装是一种较好选取。在不能采用普通低成本封装办法状况下，仍将继续采用在专用管壳中直接安装裸芯片办法。
1.2.3多芯片模块与微系统
当前，由于各种应用都需将电子元件与传感器或制动器等MEMS器件集成在一种小型模块或位系统中，这就对专用封装技术提出了新挑战。普通，采用一种技术不能达到传感器（制动器）与电子器件集成目，从经济观点看，在一块芯片上合成也是不可取，在此类状况下就需要小型多芯片模块。工作环境不同对封装技术规定也不同，因而采用封装办法也有所不同。如果侧重多芯片集成就可采用较通用办法，如果侧重应用就要采用专用办法。
当前有三种比较通用办法用于低成本微系统封装。第一种办法是将既有商用预成型塑料有引线芯片载体（PLCC）封装垂直叠加起来，用于连接所有PLCC引线。最后用激光束蒸发金，将要用连接隔离开。
第二种办法是采用一种装有电子器件平台芯片，用引线键合或倒装芯片技术将传感器/制动器芯片安装起来。该平台连接母线、功率解决和微控制器作用。最后可采用单芯片封装办法完毕封装全过程。
第三种办法是在玻璃衬底上凹槽中安装裸芯片。先在表面上贴一层介质箔，在键合通路商开出窗口，然后淀积互连线，最后将窗口开至有源传感器制动器区。这种办法局限性是，其窗口时采用激光烧蚀制成，因而制作成本较高，并且在介质箔键合器件很容易对微机械机构导致损伤，因而随着其她高性能、低制作成本技术不断浮现，将来会逐渐裁减这一办法。
1.3 MEMS测试办法
1.3.1 微机械测量
对MEMS机械运动参数如位移、速度、振幅、频率等进行精准测量已成为MEMS发展迫切规定。当前采用微机械测量办法重要有电测法和光测法。电测法具备简朴实用、稳定性好、信号分析解决容易等特点，涉及压阻测试法、电容测试法、电感测试法、压电测试法等在内电测法在微机械测量中占有重要地位，详细应用例子有：国内研制一种硅微机械粘滞型谐振真空计，使用了制作在悬臂梁根部横向压阻器件实现单晶硅制作悬臂梁振动信号机电转换；在研究微角速度传感器在不同气压下振动特性时，采用电容检测技术测量微机械角速度传感器振动信号等。
微机械特性尺寸普通为毫米甚至亚微米远不大于宏观机械，微机械动态特性很容易被测量过程干扰，光电测试法由于是非接触测量，同步又具备辨别率好、精度高特点，当前已成为微机械检测领域研究特点，某些列应用光电检测办法MEMS动态参数检测仪器，如激光多普勒测振仪、频闪显微干涉系统、计算机微视觉系统、光纤迈克尔逊干涉仪等已投入实际应用。
1.3.2 微几何量检测办法
微几何量测量重要是针对MEMS微小构件三维尺寸、三维形貌精密测量。如何界定MEMS尺寸范畴当前没有统一结识，普通以为范畴在亚微米到10mm之间。微几何量测量具备如下特点：测量力引起误差较大；定位误差往往较大；温度引起误差较大；被测件轮廓影像易受异物影响；衍射效应影响大。当前，光切法、干涉法、共焦显微干涉法等非接触测量办法已经成为对微小构件几何量精密测量重要办法，其中，将计算机视觉技术与光学显微技术相结合微视觉测量办法越来越受到注重。
1.3.4 微材料特性检测
MEMS器件构成材料特性是影响MEMS可靠性、稳定性重要因素，由于加工工艺、构造尺寸不同，虽然是同样材料也会体现出不同材料特性，因而对MEMS器件构成材料特性进行检测具备重要意义。当前在MEMS设计、制造中比较常用材料特性涉及测量材料断裂模数、弹性模量、应力应变、微摩擦特性等。惯用办法有：用静态梁弯曲实验测量材料力学特性；用固有频率法测量微型梁杨氏模量；应变/位移干涉测量仪干涉测量法、微摩擦测量办法等。
二、 MEMS技术应用需求
鉴于MEMS器件具备体积小、质量轻、功耗低、可批量生产并与微型推动器相兼容优势，在某些空间应用领域其可实现常规飞行器和卫星上许多部件微型化与轻量化。同步，因具备冗余设计而提高了飞行可靠性。这些优势使其在智能化小型卫星、微型卫星、纳型微型和皮型微型领域有着广泛应用前景。它们重要致力于数十个、上百个或上千个纳米级或皮型同类卫星协同工作，在太空可构成卫星星座，编队飞行，完毕如空间硬件构建、导航、侦察、监视和通信等任务，也可以执行反导和星际作战任务，例如知名美国NASA与欧洲航天局激光干涉空间天线（LISA）项目将使用基于MEMS微推动器，筹划于执行太空飞行任务。当前航天领域广泛应用国外MEMS器件及其技术成熟度如表1。
如表1所示MEMS加速计、陀螺仪和其她专用惯性器件在保证宇航员安全和太空船导航系统在轨运营方面发挥作用已有十近年。MEMS晶振是NASA用于太空勘测最新MEMS器件。与MEMS晶振类似，MEMS惯性器件最大长处在于它们具备良好抗震性以及很小SWAP（尺寸、质量和功率简称）。当前，SiTime公司已经可以生产频率高达125MHzMEMS晶振，是普通石英晶振体积1/2，并且正在开发在同一裸片上集成各种MEMS谐振器芯片，以形成实现NASA超微型软件定义无线电所需RF滤波器组件。它可在-100~+100℃正常工作，适合太空勘测任务。
表1 航天用MEMS器件及其技术成熟度
MEMS器件名称
执行飞行任务
预测技术成熟度
惯性导航（加速度计、陀螺仪）
为NASA执行常规飞行
高档
压力传感器
为运载火箭执行常规飞行
高档
磁力仪
在立方体卫星上飞行
高档
原子力显微镜
执行NASA“凤凰”任务
中高档
太阳传感器
执行Delfi 3C任务
中高档
微型流体控制器
执行NASAGeneSat卫星任务
中极
测辐射热计
执行欧航局Planck任务
中级
光学开关
未执行过太空任务
中级
推动器（离子、冷气、胶体和固态推动剂）
执行NASA空间技术5任务
中级
热控制器
执行NASA空间技术5任务
中级
射频开关和可变电容器
应用于绕轨皮卫星自动发射器（OPAL）
中低档
MEMS振荡器
未执行过太空飞行任务
中低档
此外，在轨飞行尚有某些纳型和皮型飞行，如绕轨皮卫星自动发射器于发射升空，其内含两个皮型卫星。每个皮型卫星上装有Rockwell公司MEMS射频开关。当OPAL进入轨道，就把一对皮型卫星释放到低地球轨道，每颗卫星质量不大于230g，尺寸为10.2cm X 7.6cm X 2.5cm，彼此通过30cm长细绳连接（细绳中加入几股细金属丝），以便地面雷达跟踪。这对皮型卫星由美国宇航公司研制。其目是观测MEMS器件在经受太空环境后如何工作，当皮型卫星在低轨道运营一年，回收后仍可正常工作。
三、 MEMS技术发展趋势
3.1 晶片级封装
保护涂层、晶片键合、晶片电镀及其她晶片级工艺近来不断获得新进展，这些进步极大地增进了全晶片级封装概念形成。因而，国外有许多机构和公司都在从事该技术研究，然而微系统全晶片封装办法并不像原则电子封装那么简朴和直接，普通要取决于许多因素，如贴合点上焊点生长和淀积，随后在印制电路板上安装倒装芯片及模压混合物表面精饰等。当前国外已开发出特别适合多引线数电子电路应用各种芯片尺寸封装技术，如管壳封装和微型球栅阵列封装等。大多数传感器和制动器件不能使用原则倒装芯片技术，由于它们对封装技术规定较高。最重要规定涉及：
（1） 许多传感器和制动器需要直接和敞开进出通路与环境相通。在印制电路板或其她载体上采用面向下安装方式，如倒装芯片技术等都会挡住进出通路。因而惯用背面接触来解决这一问题；
（2） 这些器件普通应用于侵蚀性（化学、生物、医学、物理等）环境，这就意味着，为了防止退化，在最后应用中需要对背面接触进行特殊保护解决
（3） 传感器和制动器芯片全晶片封装所需额外工艺环节及相应成本要比电子芯片晶片级封装成本高出许多。因而当前这一技术还很难与独立封装办法竞争
（4） 虽然晶片级封装技术具备一定竞争优势，也仍有许多因素限制它实际应用。
尽管如此，全晶片级封装仍将是传感器和制动器等MEMS器件封装用一种重要技术，且前景看好，由于采用该技术制作出元件较小，并可满足如进出通路、保护和电接触等方面所有基本规定。此外该技术易操作，并可应用于许多不同领域。但它当前离低成本、高灵活性和高性能工艺规定仍有较大差距。
3.2 单芯片封装
单个传感器/制动器芯片封装可采用不同办法。当应用对封装没有额外规定和限制时可采用一下比较通用办法：
（1） 板上芯片办法：采用这种办法时，先将芯片安装到PCB或其她载体上，随后精准分布保护材料，当有敞开进出通路通向有源芯片区时可使键合引线与芯片得到充分保。由于这一技术沿用了原则电子封装办法，因而是一项比较成熟且成本较低技术。
（2） 预成型封装，如金属、陶瓷、玻璃和（预模压）塑料封装等技术是普遍采用封装技术。这种办法普及重要得益于它简便和易操作等特点。它容许使用原则芯片贴合和引线键合工艺。尽管如此，预成型封装制作成本仍教较高，因而限制了它在大规模、低成本传感器制作中广泛应用。
对低成本应用而言传感器采用塑料封装技术是一种较高选取。例如在医学应用中，传感器普通是使用一次后来就要扔掉。对机械应力较敏感器件，采用塑料封装作用不太明显，这是封装材料之间热膨胀系数不匹配导致。
在专用封装中直接安装裸芯片办法仍将在那些不能采用通用低成本办法领域中得到广泛应用。
3.3 多芯片模块与微系统
多芯片模块惯用低成本办法可在许多相对安全环境中广泛使用。侵蚀性环境如生物-医学移植器件应用似乎更青睐于玻璃封装办法，由于玻璃封装具备良好密封性能、生物兼容性和绝缘性，容许在无线通讯中使用天线，但至今这种封装只用于特殊器件，因而必要开发出更通用、成本更低办法用于生物医学领域。
四、总结
MEMS以及MOEMS、NEMS研发为新技术革命提供了大量机遇。不同MEMS规定详细相应封装构造，封装技术特异性高，引起出大量封装问题亟待解决。据国外权威记录公司SPC记录，国内MEMS研究处在世界前八位，可批量生产MEMS力敏传感器，研制成功MEMS光开关、RF-MEMS开关、微流体系统等各种原理样品，从总体水平上看，与国外差距重要体当前产业技术化上。选取某些应用量大、面广MEMS及其封装作为发展市场切入点，形成产业，满足市场需求，为发展其她MEMS打下基本，摸索出规律，这样就成功了一半，没有一项MEMS研发会漠视封装技术。
从国外发展趋势看，MEMS封装类别普通都沿用已经原则化IC封装构造形式，或者加以改进来适应MEMS规定，力求采用更多既有IC封装架构实现MEMS封装。采用新型封装构造及其技术，建立MEMS封装单元库，注重成本新封装构造与MEMS研发之间进一步整合，成为另一种发展趋势。
在MEMS问题上，若将其封装展开充分探讨，则各有各方式，市场角逐要选取对路产品，在市场引导下组建起MEMS完整产业链是值得期待。
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