文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了MEMS封裝的需求與封裝方案。

MEMS 封裝的特殊性

當前，盡管針對 MEMS 器件的制備工藝與相關設備已開展了大量研究，但仍有不少 MEMS 傳感器未能實現廣泛的商業化落地，其中一個重要原因便是 MEMS 器件的封裝問題尚未得到妥善解決。MEMS 封裝技術雖源于微電子封裝技術，兩者存在一定共性，但 MEMS 器件因包含微機械結構，且對力隔離、真空環境、氣密性等方面有特殊要求，使其封裝與微電子封裝存在顯著差異。

多數 MEMS 器件在完成全部制造流程后，其機械結構才會暴露在外，因此 MEMS 封裝首先要實現對器件的物理防護。MEMS 器件的性能易受水汽、摩擦作用、化學腐蝕等因素影響而下降，這就需要進行微型化的保護與密封處理。例如，微機械開關在濕度較高的環境中，性能會明顯變差甚至完全失效。從長期可靠使用的角度來看，MEMS 封裝需具備良好的密封性，通過密封形成的空氣環境或真空狀態，可減少器件內部的摩擦、振動及腐蝕等問題。特別是對于植入式醫療領域應用的 MEMS 器件，密封更是必不可少的條件。

MEMS 封裝技術具有自身的特殊性與復雜性，通常需滿足以下要求：

(1)低應力特性。由于 MEMS 器件尺寸微小、精度極高且結構脆弱，因此要求封裝過程對器件產生的應力盡可能最小化。

(2)高真空環境。將 MEMS 器件中的可動結構置于真空環境中，能夠減小摩擦作用，提升器件的可靠性并延長其使用壽命。

(3)高氣密性保障。部分 MEMS 器件如微陀螺儀，在氣密性不足的情況下，無法實現長期穩定的可靠工作。

(4)高隔離度設計。為避免其他信號對器件造成干擾，需要對 MEMS 器件的特定部位進行封裝，以達到隔離干擾的目的。

(5)其他特殊需求。部分 MEMS 傳感器（如光學傳感器、微流體傳感器、化學傳感器等）需要設計與外界環境交互的接口。

鑒于 MEMS 封裝的特殊性與復雜性，其封裝成本占 MEMS 整體成本的比例可達 50% 至 95%，遠高于微電子封裝的成本占比。一方面，MEMS 產品的高度多樣性導致不同產品對可靠封裝的要求存在本質差異。例如，壓力傳感器的封裝要求與汽車安全氣囊系統中常用的慣性傳感器截然不同，后者需要在多塵、溫度劇烈波動、存在腐蝕性介質的苛刻環境中，以及汽車行駛時的強烈振動下保持正常工作。這些由系統使用環境決定的封裝要求，使得生產廠家必須為每一款新產品重新調整所有封裝設備，因此，每款新 MEMS 產品往往需要大量的資金投入，以及對新方法和新工藝設備的研發投入。

另一方面，MEMS 產品中結構元件的微小尺寸給封裝帶來了諸多特殊問題。許多封裝工序涉及的工藝本質上屬于物理 - 化學過程，這些過程常會產生各種附加效應。例如，鍵合過程中及完成后必然會產生熱應力與應變，較大的殘余熱應力可能導致鍵合表面出現裂痕，過大的殘余應變則可能因膨脹系數的差異使鍵合表面發生變形凸起。這些問題都會引發一系列可靠性測試相關的難題，進而增加MEMS 產品的封裝成本。

晶圓級 MEMS 封裝

MEMS 封裝可分為芯片級封裝與晶圓級封裝兩種類型。芯片級封裝工藝借鑒現有集成電路的封裝流程與設備，待晶圓切割成獨立裸片后，再對 MEMS 器件進行結構釋放與密封。以德州儀器公司的數字微鏡器件（digital micromirror device，DMD）為例，其芯片貼合在封裝基座上，通過鍵合引線與陶瓷基底連接，密封光學窗口與陶瓷基底則借助密封圈實現密封。由于陶瓷的熱膨脹系數處于 5×10??~9×10??/℃之間，與硅的熱膨脹系數（約 2.6×10??/℃）接近，因此可實現陶瓷與硅的鍵合。熱膨脹系數的匹配能減輕熱脹冷縮產生的應力，尤其在器件面積較大時，這種應力緩解作用更為關鍵。

芯片級封裝的主要缺陷在于，在完成 MEMS 器件整體封裝前，需對每個裸片單獨執行結構釋放、密封等操作，導致成本偏高且效率低下。作為替代方案，晶圓級封裝技術選擇在晶圓切割前完成結構釋放與密封等工序，之后再進行劃片處理。

三維晶圓級封裝已成為 MEMS 封裝的重要發展方向，當前先進的技術方案通常涉及三個晶圓，分別是 MEMS 器件晶圓、接口 ASIC 晶圓和蓋帽晶圓（cap-wafer）。以下介紹幾種以低成本、高性能、少引腳為目標的三維 MEMS 封裝設計及工藝流程。這三類晶圓的封裝形式各有不同，例如 MEMS 器件晶圓可采用引線鍵合、倒裝、硅通孔等封裝形式，而 ASIC 晶圓與蓋帽晶圓則可選擇帶硅通孔或無硅通孔的封裝方案。

晶圓級 MEMS 封裝存在多種結構形式，其中部分方案的共性在于將蓋帽芯片與 ASIC 芯片通過密封圈粘合，信號線從密封圈下方穿過后，再通過鍵合引線與封裝外部的其他器件或系統襯底連接（如直接接入系統級封裝內的其他芯片襯底或印刷電路板）。它們的差異主要體現在 MEMS 器件與 ASIC 芯片的連接方式上：有的通過引線鍵合實現連接，有的采用硅通孔與微凸點鍵合，還有的借助倒裝鍵合方式連接。

另一種封裝形式中，ASIC 芯片通過硅通孔與凸點直接與襯底或印刷電路板相連，引線無需經過密封圈下方布線，而 MEMS 器件與 ASIC 芯片的連接方式可與上述方案保持一致。還有一種結構是 ASIC 芯片利用貫穿蓋帽芯片的硅通孔及凸點鍵合實現與外界的連接，當需要與封裝襯底或印刷電路板對接時，需將整個封裝倒置，其 MEMS 器件與 ASIC 芯片的連接方式同樣可采用上述各類鍵合形式。

晶圓級 MEMS 封裝的簡化流程可概括如下：若 MEMS 器件與 ASIC 芯片采用直接引線鍵合，那么 MEMS 器件在自身晶圓完成釋放后，可直接劃片轉移至 ASIC 芯片晶圓；若采用硅通孔或倒裝鍵合方式，則需先完成通孔成型或微凸點制備，再轉移至 ASIC 芯片晶圓。隨后，將 MEMS 器件與 ASIC 晶圓進行芯片到晶圓（chip-to-wafer，C2W）鍵合，接著把已鍵合 MEMS 器件的 ASIC 芯片晶圓與蓋帽晶圓進行鍵合密封，最終劃片形成單個封裝器件。其他封裝形式的實現步驟與此類似。

從上述實例可見，MEMS 晶圓級封裝與普通微電子三維封裝的核心差異在于蓋帽結構。蓋帽除了發揮保護、隔離作用或作為被檢測量的窗口外，還可作為布線通道。蓋帽封裝可采用多種技術，包括各類鍵合技術、薄膜密封技術及聚合物密封技術，其中鍵合技術目前應用最為廣泛。