得益于可提升微傳感器封裝及系統品質、延長微傳感器系統壽命等的關鍵技術，外形小巧的微傳感器可以在不斷縮小的空間范圍內實現精確、可靠的傳感器功能，組成具有多種功能的微型系統，從而大幅度提高自動化、智能化和可靠性水平。

在萬物互聯的時代，作為物聯網的基礎部件，外形小巧而功能強大的微傳感器可以釋放寶貴的電路空間、減少干擾、提高設計靈活性，已經成為高鐵、汽車、導航及智能終端等領域技術進步的關鍵。與傳統傳感器相比，微傳感器不是簡單的體積等比收縮產品，而是融合了硅微加工和非硅加工等多種加工技術的新一代微型傳感器部件，具有新的工作機理和物化效應，需要在不斷縮小的空間范圍內實現可靠、精確的傳感器功能。傳感器封裝則是實現傳感器功能的可靠保障。

事實上，當傳感器的體積縮小到一定程度時，最終產品的物理封裝也必須滿足極高的要求，才能將信息的獲取、處理和執行集成在一起，組成具有多種功能的微型系統，從而大幅度提高系統的自動化、智能化和可靠性水平。微傳感器封裝可以起到機械支撐、環境隔離、提供與外界系統和媒質的接口的作用，還可以實現熱管理、低應力、高真空度、高氣密性、高隔離度以及特殊的封裝環境與引出等，目前的主要封裝類型有金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝和晶圓級封裝等。

微傳感器封裝將多步增材制造或減材制造相結合，包括貼片、鍍膜、光刻、鍵合、刻蝕、打線、填充、注塑、打孔等步驟，是一個表面和界面不斷演化、層層遞進的過程。封裝過程中會出現材料的熱膨脹系數失配，因此伴隨著材料微觀組織的改變以及結構變形（翹曲及不平度）和應力的演化，給封裝帶來了巨大的挑戰。來自華中科技大學的研究團隊迎難而上，在國家科技攻關計劃項目、國家973計劃項目、國家863計劃項目以及美國國家基金委及半導體研究公司（SRC）的支持下，歷經24年攻關，率先提出適用于微傳感器的集成工藝力學和可靠性評估的獨特設計平臺、工藝平臺和可靠性測試平臺，在提高微傳感器封裝及系統品質、提升微傳感器系統壽命等方面取得一系列重要發明成果。

時間撥回到20世紀90年代，那時中國還沒有現代意義上的封裝技術，封裝材料的熱力學數據庫缺失，沒有任何驗證建模仿真工具，甚至沒有小尺度的材料萬能試驗機；有限元仿真僅僅考慮材料彈性和簡單的彈塑性行為，沒有驗證的模型往往難以預測工藝成品率及封裝器件壽命，也無法分析芯片與封裝的相互作用機理，這意味著微傳感器封裝的相關研究幾乎是從零開始。

封裝過程中存在大量具有非線性力學行為的高分子材料和焊料合金，這些材料力學行為均與溫濕度和應變率相關，封裝材料和結構的熱疲勞會帶來孔洞、裂紋，甚至會無法避免地導致界面脫層，這是研究團隊面臨的第一個難題。

針對上述挑戰，研究團隊發明了用于封裝器件和材料的六軸萬能測試技術和光測技術及系列裝備。其中研究團隊發明的六軸萬能試驗機有6個自由度，由5個伺服馬達及1個線性馬達驅動的工作臺構成，為業內首臺同類型裝備；具有樣品安裝作用力反饋功能，可消除微樣品安裝過程的預載。該測試儀主要用于小尺度封裝材料的機械力學特性研究，如材料的拉伸、壓縮、松弛、蠕變、機械疲勞與熱疲勞特性、粘彈性與粘塑性、熱脹系數等材料性能和封裝結構性能測試。六軸測試臺的運動精度達到0.1微米，轉動分辨率為0.001度，力矩精度高達0.02牛米。

利用Twyman-Green激光干涉儀原理，研究團隊開發了業內首臺納米翹曲測試儀，通過閉環精確控制相移器來測量薄膜晶圓的離面變形，測量分辨率可以達到1納米；還發明了可用于微傳感器封裝與器件制造過程的離面變形在線測量翹曲測量儀，離面分辨率達到1微米，面積可達400毫米×400毫米；利用高密度光柵面內變形測量技術，分辨率可達10.4納米/條紋。這些工具可用于變形測量、變形/應力演變計算，從而驗證有限元模型。通過六軸萬能測試技術和光測技術及系列裝備，研究團隊首次獲得了與溫濕度、應變率相關的本構關系，首創工藝力學理論框架，構建了貼片、打線、鍵合、灌膠等典型工藝的分步工藝變形/應力模型，解決了微傳感器因溫度、濕度和時間引起的成品率低和性能退化的難題。

與此同時，研究團隊建立了封裝材料數據庫，構建了以界面斷裂力學和損傷力學為代表的非線性有限元全局-局部集成制造與可靠性仿真平臺，并用于貼片、鍵合、灌膠工藝的分步工藝變形、應力、成品率及壽命預估；研發的光學驗證工具取得了面內位移10.4納米/條紋的分辨率，薄膜離面測量分辨率達到1納米，封裝及帶器件的基板翹曲測量精度可達到1微米，變形測量與有限元模型的重合度高達80%～95%。

研究團隊面臨的第二個難題是微傳感器的溫度漂移和時間漂移。針對這個問題，研究團隊采用封裝典型工藝的分步工藝變形和應力模型來揭示封裝結構、材料、工藝參數與變形、應力和性能的量化規律，研制的微壓力傳感器已通過30多項嚴酷的汽車級可靠性試驗，壽命遠遠超過軍標要求，-40℃～125℃熱循環壽命達到300萬次，最終解決了國產微傳感器因溫度、濕度和時間引起的成品率低和性能退化的難題。研究團隊提出的體系和方法已獲得IBM、英特爾等14家美國頂級半導體公司的項目支持。

微傳感器封裝技術不僅面臨著上述共性挑戰，一些器件還提出了特殊要求。例如，慣性導航和紅外器件需要高真空度和長時間的真空保持度。微傳感器器件封裝的溫度一般要求低于450℃，典型尺寸一般小于2厘米（電真空器件典型尺寸大于10厘米），電真空技術不能直接移植到微傳感器真空封裝技術中，而且電子管的真空檢測也不適合微傳感器器件。另外，氦質譜檢漏儀在微傳感器真空封裝中存在較大的應用局限：首先，質譜檢漏儀的檢測靈敏度不滿足真空封裝對漏率的要求；其次，在真空下檢測漏率與實際漏率具有非線性關系，使得測試漏率只具有相對比較的意義，與實際漏率相去甚遠。試驗測試表明，空氣中的實際漏率比質譜檢漏儀的測試漏率至少低3個數量級。僅僅通過提高焊接質量很難達到真空封裝5年以上長時間真空保持的要求，這導致許多很有創意、具有潛在市場應用的器件沒有可靠的真空封裝技術，而只能在實驗室做功能演示。

為了滿足真空保持度的長壽命要求，研究團隊發明了帶緩沖腔的器件級真空封裝結構，并推廣至晶圓級真空封裝。研究團隊首次系統地研究了真空封裝工藝，從真空狀態下的氣體流動、氣體吸附、滲透與擴散的理論入手，對吸附氣體的脫附、氣體的滲透以及封裝材料溶解氣體的排放對真空封裝效果的影響進行定量分析。

根據分析結果，研究團隊從理論上揭示了傳統密封工藝很難達到微傳感器真空封裝要求的極低泄漏率水平，認為實現微傳感器真空封裝只有兩個途徑：一是發明新穎的封裝外殼，使有效的泄漏率水平滿足真空封裝的要求；二是采用吸氣劑來吸收泄漏的氣體，從而平衡泄漏，對于0.1帕以下的真空封裝，只能采用吸氣劑來實現。帶緩沖腔的器件級真空封裝結構在0.1～5帕范圍內實現了不用吸氣劑的器件級真空封裝技術，初步估算該設計方案能有效延長真空保持壽命至少20倍以上，已應用于軍用戰術級紅外傳感器和陀螺儀，泄露率達到4.4E-10帕?立方米/秒，并在長達4827天的實時監測中保持穩定的真空度（此前業內公認腔體真空只能保持1～2個月）。

根據研究成果，研究團隊研制了中國第一臺電阻熔焊真空封裝設備，把電阻熔焊與真空封裝工藝有機結合在一起，在結構上將手套箱體、真空烘箱、抽真空系統、焊接機構等融為一體，為整個真空封裝工藝提供了可重復的工作環境，保證了真空封裝的質量。

與此同時，研究團隊還提出了微腔內實時監測真空度的方法。首次應用音叉石英晶振實時監測封裝殼體內的真空度變化，解決了器件由于體積小而無法采用商業真空規測試真空的技術難題。研制的晶振真空壓力檢測系統為研究真空封裝工藝提供了可靠的評價手段，大幅提高了晶振真空度測量的精度與重復性，突破了微傳感器腔內真空度長時間在線監測的技術難題。如今，研究團隊提出的雙腔體結構打破了跨國公司的技術壟斷，已為3家軍用陀螺儀和紅外器件研發單位提供了技術服務。

除上述難點外，從晶圓級封裝的角度看，微傳感器的封裝也比適用于影像傳感器的傳統封裝流程面臨著更多難題。這是因為晶圓級微傳感器封裝成品的腔體中往往需要保持高真空或充惰性氣體，傳統工藝中使用的環氧樹脂無法保證良好的氣密性。對于需充惰性氣體的微傳感器，一般其氣體量越多產品性能越好，因此需要在保護外蓋上蝕刻制造出空腔凹槽，并在蝕刻后仍保持良好的壓合性能。另外，微傳感器由于結構復雜，其芯片厚度需保持在400～500微米，一般的等離子體蝕刻工藝在如此厚度下無法保證開槽的形狀和整體均一性。

為此，研究團隊發明了高致密超薄高分子膜封裝結構，通過非氣密性封裝實現了超低漏率，完美解決了封裝的密閉性等問題。晶圓級微傳感器芯片封裝結構包括微傳感器芯片、芯片外圍密布排列焊墊以及設于微機電系統芯片正面的保護外蓋。在晶圓級封裝的微傳感器芯片和保護外蓋之間設有超薄高分子膜，其材質為高分子感光型耐蝕刻可壓合的密封性材料，保護外蓋通過超薄高分子膜與芯片正面相粘結，芯片上的微機電部件容納在超薄高分子膜內部與微傳感器芯片構成的空腔內；在溝槽處和微傳感器芯片背面包覆絕緣層，在焊墊橫向側的暴露面和絕緣層背面沉積有外引線，在形成開孔的外引線上覆有焊接掩模，在外引線底端附著微焊球，焊墊通過外引線與微焊球電連通，實現電信號的輸入和輸出。

晶圓級微傳感器封裝較好地實現了一片晶圓上所有微傳感器同時封裝，使用的高分子材料為苯并環丁烯（BCB），既制造出了用于壓合的超薄高分子膜，又作為蝕刻的掩模，創造性地通過非氣密性封裝技術進行氣體密閉，使得大分子鏈高壓氣體（比如六氟化硫氣體）被密封在芯片封裝中。另外，研究團隊使用了在開槽后的基板上進行絲網印刷的方法，用玻璃膠制作超薄高分子膜，同樣實現了密封性封裝；先半切去除大部分硅，再進行等離子蝕刻暴露出焊墊，完美地解決了封裝的密封性和晶圓厚度過厚不利于等離子蝕刻等問題，大大減小了芯片封裝后的體積，同時又顯著降低了封裝的成本。

微傳感器屬國家戰略新興產業，也是物聯網的關鍵部件，對高鐵、汽車、家電、智能終端等民用行業及國防工業的科技進步具有重要意義。通過上述3方面的核心技術突破，研究團隊形成了以微傳感器封裝材料本構關系、多場多尺度分步工藝全局-局部有限元模型為核心的封裝協同設計平臺、工藝平臺和測試平臺，構建了國內外領先的微傳感器封裝理論、軟件、裝備和產品技術體系，顯著提升了國內外微傳感器封裝產業的理論和設計技術水平。項目第一完成人劉勝因此于2009年獲IEEE器件封裝與制造技術學會（CPMT）杰出技術成就獎（國內第一個封裝領域獲獎人），同年獲得中國電子學會電子制造與封裝技術分會（CIE-EMPT）電子封裝技術特別成就獎，并入選美國機械工程師學會（ASME）會士，2014年入選IEEE會士。

目前研究團隊所取得的技術成果已在河北美泰公司（軍用陀螺儀及慣導系統生產商）、北京大學、武漢飛恩微電子有限公司、武漢菱電汽車電控系統股份有限公司、武漢高德紅外股份有限公司、東風汽車電子有限公司、蘇州晶方半導體科技股份有限公司等單位得到批量應用，助力這些機構和公司取得佳績。

目前，研究團隊正在攻關125℃ 硅基芯片的瓶頸技術，技術正處于小試階段，合作的國內ASIC 芯片也在試用階段。未來將繼續致力于芯片的國產化和封裝技術的突破，在方寸之間實現精密的功能，助力中國形成強大的競爭優勢。研究團隊相信，微傳感器封裝技術的每一次突破，都有可能為人類社會帶來一次新的技術革命。