传感器封装

1 引言

MEMS作为21世纪的前沿高科技，在产业化道路上已经发展了20多年，今天，MEMS产品由于其具有大批量生产、低成本和高性能等特点，已经有了很大的市场，早期的封装技术大多数是借用半导体集成IC领域中现成的封装工艺，MEMS产品中，由于各类产品的使用范围和应用环境的差异，其封装也没有一个统一的形式[1]，应根据具体的使用情况选择适当的封装，同时，在MEMS产品的制造过程中，封装只能单个进行而不能大批量同时生产，因此封装在MEMS产品总费用中占据70％－80％，封装技术已成为MEMS生产中的瓶颈。CSP和WLP封装是MEMS进行批量生产和微型化的主要途径。

2 MEMS封装的挑战[2－4]

目前的MEMS封装技术大都是由集成电路封装技术发展和演变而来，但是由于其应用环境的复杂性，使其与集成电路封装相比又有很大的特殊性[5]，不能简单将集成电路封装直接去封装MEMS器件。

与IC封装类似，MEMS封装主要实现3个功能：机械支撑、环境保护和电气连接[6]。

2.1 机械支撑

MEMS芯片有的带有腔体，有的带有悬梁，这些微机械结构的尺寸很小，强度极低，容易因机械接触而损坏和因暴露而沾污，特别是单面加工的器件，是在很薄的薄膜上批量加工的，结构的强度就更低，它能承受的机械强度远远小于IC芯片，对封装的机械性能提出了更高要求。

2.2 环境保护

MEMS封装一方面需要对微结构、电路和电气连接进行保护，确保系统的稳定性和可靠性：另一方面又必须对传感器芯片提供一个或多个环境接口，使其能充分感知待测物理量的变化，从信号界面来说，MEMS的输入信号界面复杂，可能为光信号（光电探测器）、磁信号（磁敏器件），还有机械力的大小（压力传感器）、温度的高低（温度传感器）、气体的成分（敏感气体探测器）等，这种复杂的信号界面给封装带来很大的难度。

2.3 电气连接[7]

电气连接不仅指MEMS器件与上一级系统之间的信号连接（包括提供通往芯片的电源和接地连接），而且包括MEMS器件内部的信号通路连接。当MEMS器件与电路集成时，就需要考虑系统的信号分配和功率分配。

除此之外，在实际的MEMS封装中，其必须考虑下面一些因素，首先，封装必须给传感器带来的应力要尽可能小，材料的热膨胀系数（CTE）必须与硅的热膨胀系数相近或稍大，由于材料的不匹配，很容易导致界面应力，从而使芯片发生破裂或者分层。对于应力传感器，在设计时就必须考虑封装引起的应力给器件性能的影响，其次，对于一般的MEMS结构和电路封装，散热是必须要给予充分重视的，高温下器件失效的可能性会大大增加，而对于热流量计和红外传感器，适当的热隔离会提高传感器的灵敏度。再次，对于一些特殊的传感器和执行器，需要对封装的气密性进行考虑，封装的气密性和漏气对于提高压力传感器的精度和使用寿命是至关重要的。而对于一些有可动部件的传感器，进行真空封装可以避免振动结构的空气阻尼，提高使用寿命，最后，由于MEMS传感器的输出信号都是微纳量级的，所以必须考虑封装给器件带来的寄生效应。

3 先进的MEMS封装技术[8－10]

传统的MEMS封装主要有金属封装，陶瓷封装和塑料封装三种形式，金属封装和陶瓷封装由于其导热性能好，气密性好等优点在一些单个器件的封装中经常使用，铸模塑料由于密封性能不够好，而限制了塑料封装在某些对密封性能要求较高的领域的应用，目前，吸气剂方面的研究成果则给了塑料封装在MEMS方面应用的新契机。吸气剂可以用来去除MEMS器件内部的湿气以及其他一些会影响器件可靠性的微粒，使用适量的吸气剂和塑料封装技术就可能获得准密封的封装效果，从而在降低封装成本的同时保证了MEMS器件的可靠性。

最近几年，MEMS封装技术取得了很大进展，出现了众多的MEMS封装技术，大多数研究都集中在特殊应用的不同封装工艺，但有开发了一些较通用、较完善的封装设计，尽管要区分出不同封装方法之间的细微差别十分困难，但通常可将其分为3个基本的封装层次：（1）芯片级封装；（2）圆片级封装；（3）系统级封装[11]。

3.1 芯片级封装

随着集成IC电路的MEMS系统的发展，MEMS芯片的面积越来越大，管脚越来越多，使得原有的封装形式不再适合，芯片尺寸封装CSP（Chip Scale Package）的出现，使长期以来芯片小而封装大的矛盾终于得到解决。

芯片尺寸封装是指芯片封装面积不大于其芯片面积的120％，或其芯片封装每边不大于1mm的产品，CSP的种类很多，有柔性封装CSP（FPBGA）、刚性基板CSP（CSTP）、引线框架CSP（LOC型CSP）、栅阵引线型CSP（LGA型CSP）和微小模塑型CSP等，不同的CSP结构，其技术也不尽相同，但都是基于两个根本技术：倒装焊（FCB）和球栅阵列（BGA）。

3.1.1 倒装焊技术[12，13]

倒装芯片技术源于IBM的C4技术（Controlled Collapse Chip Connection），是一种将晶片直接与基板相互连接的先进封装技术。在封装过程中，芯片以面朝下的方式让芯片上的结合点透过金属导体与基板的结合点相互连接的封装技术，和传统的引线键合技术相比，使用倒装芯片技术后，引脚可以放在芯片正下方的任何地方，而不是只能排列在其四周，这样就能使得引线电感变小、串扰变弱、信号传输时间缩短，从而提高电性能；同时，由于倒装芯片技术可以将芯片直接覆盖的在基板上，从而能够大副缩小封装的尺寸，实现芯片尺寸封装（CSP）。

倒装焊技术有3种电气连接方法：焊球凸点法（Solder bump），热压焊法（和热超声焊法）（见图1）、导电胶粘接法（见图2）。无论哪一种电气连接方式，凸点的制作是非常关键的。凸点根据组分的不同分为软凸点（焊料金属）和硬凸点（Au或Cu），根据形状分为球状凸点和柱状凸点，柱状凸点可以实现小节距，并且间隙可调。[14、15]焊球凸点法是IC中最常用的FC技术，工艺成熟，成本低。其采用软凸点，回流（Reflow）焊实现凸点焊接，最后用Underfill工艺进行填充，热压焊法（和热超声焊法）采用硬凸点，通过加热加压或超声的方法焊接，最后也采用Underfill工艺进行填充，缓解热应力失配。导电胶粘接法包括两种：各向导性导电胶和各向同性导电胶。各向异性导电胶施加在整个空隙之间，只在垂直方向导电，可以实现小节距工艺（Fine pitch）。各向同性导电胶只加在接触点空隙之间，一般采用含银颗粒的环氧树脂浆液。