MEMS封裝中會遇到的問題有哪些？

為了適應(yīng)MEMS技術(shù)的發(fā)展，人們開發(fā)了許多新的MEMS封裝技術(shù)和工藝，如陽極鍵合，硅熔融鍵合、共晶鍵合等，已基本建立起自己的封裝體系。

現(xiàn)在人們通常將MEMS封裝分為四個層次：即裸片級封裝(Die Level)、器件級封裝(Device Level)、硅圓片級封裝(Wafer Lever Packaging)、單芯片封裝(Single Chip Packaging)和系統(tǒng)級封裝(System on Packaging)。

但隨著MEMS技術(shù)研究的深入和迅猛發(fā)展，以及MEMS器件本身所具有的多樣性和復(fù)雜性，使得MEMS封裝仍然面臨著許多新的問題需要解決，如在硅圓片切割時，如何對微結(jié)構(gòu)進行保護，防止硅粉塵破壞芯片;在微結(jié)構(gòu)的釋放過程中，如何防止運動部件與襯底發(fā)生粘連等;在器件封裝中應(yīng)力的釋放，以及封裝及接口的標準化等問題，此外還有封裝性能的可靠性及可靠性評價問題等。

下面從MEMS封裝的層次以及封裝標準和封裝的可靠性方面來闡述MEMS封裝中所面臨的一些問題。

1、裸片級封裝(Die level)

裸片級封裝通常是指鈍化、隔離、鍵合和劃片等工藝，其目的是為裸片的后續(xù)加工和使用提供保護。從硅圓片上分離裸片的常用方法是采用高速旋轉(zhuǎn)的晶剛石刀片進行切割，在切割的同時，必須用高凈化水對硅圓片表面進行沖洗。這種為集成電路開發(fā)的裸片切割方法對保護裸片上的關(guān)鍵電路不受硅粉塵的污染是非常有效的。硅片表面的水膜對集成芯片有很好的保護作用。

然而，由于MEMS比IC有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如有腔體、運動部件以及更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)等，用這種裸片切割方法分離這些MEMS芯片，卻因為水、硅粉塵的原因而很容易損壞或阻塞芯片的靈巧結(jié)構(gòu)。為了防止MEMS芯片受損，必須在設(shè)計芯片階段就開始考慮對芯片結(jié)構(gòu)的保護。

裸芯片腔體封裝是一種常用的方法。封裝時有一個硅片基板裸片和一個硅“蓋帽”裸片，先將MEMS芯片貼到基板裸片上，再將“蓋帽”裸片鍵合到基板裸片上，從而形成一個密封腔體來保護MEMS器件。

鈍化保護器件的方法也常用，這層保護層的厚度約為2-3μm。用有機保護層對芯片進行保護是很有效的，但存在的問題是有機物隨著時間容易老化，典型的涂層是硅膠，硅膠 容易變干和變硬，這在許多應(yīng)用中限制了它的有效壽命。

此外，將裸片與環(huán)境隔離的方法還有粘接工藝和鍵合工藝。粘接工藝主要使用環(huán)氧樹脂、RTV、硅橡膠等粘接劑，環(huán)氧樹脂用作粘接具有使用更簡單，在固化時不要求升溫，對沖擊、振動能提供了很好的保護，具有價格優(yōu)勢等特點。

粘接方式的缺點是沒有抗拉強度，易老化，而且不能做到密封，這在要求有可靠的機械強度和密封性能或者要求器件不受過強運動沖擊的應(yīng)用中是遠遠不能滿足實際要求的。解決這一問題的方法是用鍵合工藝對裸片進行封裝，鍵合工藝包括陽極鍵合、焊料焊接、硅熔融鍵合、玻璃粉鍵合及共晶鍵合等。

2、器件級封裝(Device level)

器件級封裝通常由MEMS器件、電源、信號調(diào)理和補償、以及與系統(tǒng)的機械和電的接口等幾部分組成。器件級封裝旨在提高和確保器件的性能、減小尺寸和降低價格。與電子器件相比，MEMS接口更復(fù)雜、涉及的面更廣。缺乏標準和標準化產(chǎn)品一直阻礙著MEMS的商業(yè)化。

器件封裝連接的方法很多，包括環(huán)氧樹脂或其它粘接方法、熱熔方法(如電阻焊、回流焊)、芯片的互連包括引線鍵合、載帶自動焊、倒裝芯片技術(shù)等。盡管對特定的工作環(huán)境沒有確切的定義，但要求在整個工作環(huán)境中，封裝結(jié)構(gòu)在機械強度、抵抗水壓或空氣壓力的能力以及引線連接強度等方面必須是可靠的。

3、圓片級封裝(Wafer Level)

在應(yīng)用MEMS技術(shù)制造傳感器過程中，人們一直努力想通過器件設(shè)計和制造工藝本身來減小MEMS封裝所面臨的挑戰(zhàn)。