MEMS封装的作用及封装方式

    文章转自：光电与显示

    封装的根本目的在于以最小的尺寸和重量、最低的价格和尽可能简单的结构服务于具有特定功能的一组元器件。封装必须提供元器件与外部系统的接口。归纳起来，MEMS封装的功能包括了微电子封装的功能部分，即原有的电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和环境保护等外，还应增加一些特殊的功能和要求。

    1）机械支撑：MEMS器件是一种易损器件，因此需要机械支撑来保护器件在运输、存储和工作时，避免热和机械冲击、振动、高的加速度、灰尘和其它物理损坏。另外对于某些特殊功能的器件需要有定位用的机械支撑点，如加速度传感器等。

    2）环境隔离：环境隔离有两种功能，一种是仅仅用作机械隔离，即封装外壳仅仅起到保护MEMS器件不受到像跌落或者操作不当时受到机械损坏。另一种是气密和非气密保护，对可靠性要求十分严格的应用领域必须采用气密性保护封装，防止MEMS器件在环境中受到化学腐蚀和物理损坏。同时在制造和密封时要防止湿气可能被引进到封装腔内。对工作环境较好的应用领域可采用非气密封装。

    3）提供与外界系统和媒质的接口：由于封装外壳是MEMS器件及系统与外界的主要接口，外壳必须能完成电源、电信号或射频信号与外界的电连接，同时大部分的MEMS芯片还要求提供与外界媒质的接口。

    4）提供热的传输通道：对带有功率放大器、其它大信号电路和高集成度封装的MEMS器件，在封装设计时热的释放是一个应该认真对待的问题。封装外壳必须提供热量传递的通道。

    由于MEMS的特殊性和复杂性，还由于MEMS种类繁多，封装的功能还要增加如下几点：

    5）低应力。在MEMS器件中，用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件或部件，如悬臂梁、微镜、深槽、扇片等，精度高，但十分脆弱，因此MEMS封装应产生对器件最小的应力。

    6）高真空度。这是MEMS器件的要求，以使可动部件具有活动性，并运动自如。因为在“真空”中，就可以大大减小甚至消除摩擦，既能减小能源消耗，又能达到长期、可靠地工作目标。

    7）高气密性。一些MEMS器件，如陀螺仪，必须在稳定地气密性条件下方能可靠、长期地工作。严格地说，封装都是不气密的，所以只有用高气密性的封装来解决稳定的气密性问题。有的MEMS封装气密性要求达到1×10E-12Pa·m3/s。

    8）高隔离度。MEMS的目标是把集成电路、微细加工元件和MEMS器件集成在一起形成微系统，完成信息的获取、传输、处理和执行等功能。MEMS常需要有高的隔离度，对MEMS射频开关更为重要。

    9）特殊的封装环境与引出。某些MEMS器件的工作环境是液体、气体或透光的环境，MEMS封装必须构成稳定的环境，并能使液体、气体稳定流动，使光纤输入具有低损耗、高精度对位的特性等。

    MEMS封装技术主要源于IC封装技术。IC封装技术的发展历程和水平代表了整个封装技术（包括MEMS封装和光电子器件封装）的发展历程及水平。MEMS中的许多封装形式源于IC封装。目前在MEMS封装中比较常用的封装形式有无引线陶瓷芯片载体封装（LCCC-Leadless Ceramic Chip Carrier）、金属封装、金属陶瓷封装等，在IC封装中倍受青睐的球栅阵列封装（BGA-Ball Grid Array）、倒装芯片技术（FCT-Flip Chip Technology）、芯片尺寸封装（CSP-Chip Size Package）和多芯片模块封装（MCM-Multi-Chip Module）已经逐渐成为MEMS封装中的主流。BGA封装的主要优点是它采用了面阵列端子封装、使它与QFP（四边扁平封装）相比，在相同端子情况下，增加了端子间距（1.00mm，1.27mm，1.50mm），大大改善了组装性能，才使它得以发展和推广应用。21世纪BGA将成为电路组件的主流基础结构。

    从某种意义上讲，FCT是一种芯片级互连技术（其它互连技术还有引线键合、载带自动键合），但是它由于具有高性能、高I/O数和低成本的特点，特别是其作为“裸芯片”的优势，已经广泛应用于各种MEMS封装中。CSP的英文含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大。日本电子工业协会对CSP规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于80%。CSP与BGA结构基本一样，只是锡球直径和球中心距缩小了、更薄了，这样在相同封装尺寸时可有更多的I/O数，使组装密度进一步提高，可以说CSP是缩小了的BGA。

    在MCM封装中最常用的两种方法是高密度互连（High Density Interconnect简称HDI）和微芯片模块D型（Micro Chip Module D简称MCM-D）封装技术。高密度互连（HDI）MEMS封装的特点是把芯片埋进衬底的空腔内，在芯片上部做出薄膜互连结构。而微模块系统MCM-D封装是比较传统的封装形式，它的芯片位于衬底的顶部，芯片和衬底间的互连是通过引线键合实现。HDI工艺对MEMS封装来说有很大的优越性。由于相对于引线键合来说使用了直接金属化，芯片互连仅产生很低的寄生电容和电感，工作频率可达1GHz以上。HDI还可以扩展到三维封装，并且焊点可以分布在芯片表面任何位置以及MCM具有可修复的特性。