1 引言

随着微电子机械系统（MEMS）的快速发展，机械电子科研机构和企业大量研发出MEMS 芯片，但大部分难以投入实际生产，其中主要的原因之一就是受限于相对落后的MEMS封装技术。长期以来，“封装无技术”的思想直接导致落后的封装技术成为中国MEMS新产品进入市场的瓶颈。因而能否研发管用的MEMS封装材料和封装方式，在相当的程度上决定了一款MEMS新产品是作为样品滞留在实验室，还是走上生产线产为社会创造经济效益 [1-3]。有鉴于此，加强对MEMS封装工艺的研发，尤其是开发出成本低、效果理想的材料和封装技术，对于MEMS产业具有极其重要的意义。

2 MEMS封装材料

2.1 MEMS对封装材料的要求

不同的MEMS器件对封装材料的要求也不同。概括地说，MEMS对封装材料有如下要求：

·封装材料的电导率要低，以降低电信号的传送干扰；

·传热性要好，对某些应用需要散热，而另一些应用（如热传感器）则要求与外界温度保持一致；

·密封性要好，对一些微机械结构来说，空气中的某些气体成分对其有腐蚀作用，且杂质也会影响MEMS的正常工作，因而此时要求封装材料有良好的密封性能，以保证器件的高可靠性。

目前用于MEMS封装的主要材料有陶瓷、塑料和金属等。

2.2 陶瓷封装材料

陶瓷是硬脆性材料，具有很高的杨氏模量。作为一种封装材料，陶瓷有良好的可靠性、可塑性且易密封 [4-5]。此外，陶瓷具有较高的绝缘性能和优异的高频特性，其线性膨胀系数与电子元器件的非常相近，化学性能稳定且热导率高[6]，被广泛用于多芯片组件（MCM）、焊球阵列（BGA）等封装中。但唯一不足的是陶瓷封装的成本较高。

一般情况下，陶瓷封装用粘接剂或焊料将一个或多个芯片安装在陶瓷底板或管座上。采用倒装焊方式与陶瓷金属图形层进行键合，可以实现良好的封装。当芯片与陶瓷键合后再作最后一道工序，对封装体进行封盖密封，同时提供合适的电气连接，封盖形状和特性由实际使用要求来决定。

2.3 塑料封装材料

在同样的封装效果下，塑料封装的低成本优势非常明显。但是，塑料封装不能实现气密性封装。塑料封装采用的两种封装方法是预成型和后成型。预成型是指塑料壳体在MEMS芯片安装到引线框架前制成；而在后成型塑料封装中，塑料壳体在MEMS芯片安装到引线框架后形成，这会造成MEMS芯片和键合引线遭受恶劣制模环境的影响。

塑料封装中90%以上使用环氧树脂或经过硫化处理的环氧树脂。环氧树脂除成本低的优势外，还具有成型工艺简单、适合于大规模生产、可靠性与金属或陶瓷材料相当等优点。另外，经过硫化处理的环氧树脂还具有较快的固化速度、较低的固化温度和吸湿性、较高的抗湿性和耐热性等特点。

2.4 金属封装材料

由于金属封装结构坚固且易于组装，所以对 MEMS器件封装有很大的吸引力。但因金属材料，包括复合金属材料，都有其不足之处，故难以满足 MEMS封装的性能要求。于是各种金属基复合材料便应运而生了。

2.5 金属基复合材料封装

在电子封装包括MEMS封装领域，得到最广泛应用的金属基复合材料当属Al/Si Cp。与其他的封装材料相比，金属基复合材料有下列优点 [6-8]：

·通过改变增强体的种类、排列方式或改变基体的合金成分，或改变热处理工艺等，来实现材料的物理性能设计。改变或调整基体成分将在两方面影响材料的性能：一是对基体本身热物理的影响，二是对基体与增强体界面结合状况的影响。通过改变热处理工艺，同样通过改变基体与增强体的界面结合状况，进而影响材料的热性能。

·该类材料热膨胀系数较低，既能做到与电子元器件材料的热膨胀系数相匹配，又具有高导热性和低密度。

·材料制备灵活，生产费用不高，价格正在不断地降低。

3 MEMS的主要封装技术

3.1 MEMS封装需要考虑的特殊问题

MEMS技术是一门相当典型的多学科交叉渗透的综合性学科，而MEMS封装是在微电子封装的基础上发展起来的，但它与集成电路（IC）封装存在着一定的差异。与传统的IC封装相比，MEMS封装过程中需要重点考虑的问题有四个：

·硅片厚度问题。IC封装中使用的是标准硅片，不同直径大小的硅片具有不同的厚度。MEMS器件中的键合硅片或玻璃厚度可能超出常用的IC硅片厚度，这就对设计封装方案提出了挑战。

·划片问题。MEMS进行批量生产时是在同一片硅片上加工出几百个形状相同的微结构或者微系统。MEMS结构的释放可以在硅片划片之前或之后进行。划片时需要对MEMS结构中的敏感元件部分做出保护，使其不受微粒和流体的破坏以能够承受振动冲击的影响，只有这样才能保证MEMS结构的完整和清洁。

·热设计问题。在MEMS中，散热器件的冷却，尤其是热执行器的散热，需要对温度波动源进行控制，这些温度波动源的存在会对附近的MEMS 执行器和传感器造成不利的影响。因此，研究解决局部散热问题的方法同样是一大挑战。

·保护层问题。尤其是长期暴露在外界环境下的MEMS传感器和执行器必须例行保护，以免造成对器件可靠性的影响。

·其他特殊考虑。封装工艺会影响MEMS材料固有的特有属性。例如，压阻或压电器件会受到不良机械应力的影响。一旦受到这一影响，会发生如下情况：① 封装底座对硅片产生应力作用，由于压阻传感器仅用来测量很小的应力范围，所以它会给出不准确的测量结果；② 将硅片粘接在封装底座的过程中会使硅片上元器件发生形变，这种形变不断累积就会产生应力，而如此的工作环境会造成元器件性能发生偏移。

MEMS封装一般分为三个层次：圆片级封装、器件级封装和系统级封装[9]。

3.2 圆片级封装技术

圆片级封装的主要目的是保护芯片或其他核心元器件，避免塑性变形或破裂，保护系统信号转换电路，对部分元器件提供必要的电和机械隔离等。许多MEMS器件需要进行晶片键合，制作出电极及紧凑的腔体。另外，晶片键合还完成了一级封装。表1是几种成熟的晶片键合技术的性能指标。图1是晶片键合工艺的大体分类。

表1中阳极键合方法已被广泛应用，该方法将硅与玻璃、金属及合金在静电作用下键合，利用外加电场使界面发生化学反应，以牢固形成化学键，方法简单有效。在硅-玻璃阳极键合法中，通常将硅片放置在薄玻璃衬底的顶部，在高温和外加电场的影响下，玻璃中的钠离子迁移硅-玻璃边界处产生静电场，静电场的吸引力在分界面生成非常坚固的连接。在极间施加电压200～1000V（视玻璃厚度而定），键合温度180～500℃，玻璃键合强度可达到玻璃或者硅本身强度量级甚至更高。硅-硅互连可以利用阳极键合来实现，但需要中间夹层，在其中一个抛光硅片上沉积2～4μm 7740#玻璃膜，电流密度保持为10 A/m2，温度稳定在450～550℃，即可实现良好的连接，键合强度同样可以达到硅或者绝缘体自身的强度量级，而且气密性能良好[8] 。

3.3 单芯片封装技术

单芯片封装（SCP）属于器件级封装的范畴。所谓单芯片封装，指在一块芯片上制作保护层，将易损坏的元器件和电路屏蔽起来，避免环境对其造成不利的影响，并制作有源传感器／制动器的通路，实现与外部的电接触，以满足器件对电、机械、热和化学等方面的技术要求。

3.4 多芯片组件技术

多芯片组件（MCM）是电子封装技术的一大突破，属于系统级封装。MCM是指一个封装体中包含两个或两个以上的芯片，它们通过基板互连起来，共同构成整个系统的封装形式。MCM为组件中的各个芯片（构件）提供信号互连、I/O管理、热控制、机械支撑和环境保护等。MCM提供了一种诱人的集成和封装MEMS器件的途径，它具有在同一衬底上支持多种芯片的能力，而不需要改变MEMS和电路的制造工艺，其性能可以优化而无需做出妥协。事实上，基于MCM技术的MEMS封装不但完全能够替代传统的单芯片封装结构，而且明显提高了MEMS器件的性能和可靠性。

3.5 倒装焊技术

倒装焊（FCB）是将芯片的正面朝下，并与封装基板键合的一种封装方式。焊接时在芯片有源面的铝压焊块上做出凸起的焊点，然后将芯片倒扣，直接与基板连接。由于芯片与基板直接相连，倒装焊实现了封装的小型化、轻便化，缩小了封装后器件的体积和重量。由于凸点可以布满整个管芯，所以有效增加了I/O互连密度。因连线缩短，引线电感减小，串扰变弱，信号传输时间缩短，所以电性能大为改善。鉴于其本身的一系列优点，它已经成为MEMS封装中颇有吸引力的一种选择。

从几何层面上看，倒装芯片面向下组装，为光信号提供了直线通路，故非常适合光MEMS器件的设计和封装。同时由物理层面上看，倒装芯片给 MEMS器件提供了热力载体。此外，因为倒装焊对芯片与基板具有很强的适应性，所以非常适用于 MEMS器件的热设计中。

3.6 3D封装

以上所述的各种封装技术均是在二维平面内实现2D封装，由于工程中MEMS具有复杂的3D结构，且在现今高密度组装、小型化、轻型化和薄型化的趋势下，对于有限的面积，封装工艺必然在2D基础上向Z方向发展，这就是3D封装。3D封装形式主要有三个[9-10]：

·埋置型。将MEMS元器件埋置在基板多层布线内或埋置、制作在基板内部。

·有源基板型。指用硅圆片IC做基板，先将圆片用一般半导体IC制作方法作一次元器件集成，做成有源基板，然后再实施多层布线，顶层仍安装各种其他芯片和元器件，从而实现3D封装。这种封装方式用于较复杂及附加电路较多的MEMS传感器的3D封装中。

·叠层式。把两个或多个裸片或封装芯片在垂直于芯片的方向上互连成3D结构。推广开来，可将已经过单面或双面组装的MCM叠装在一起，然后进行上、下多层互连，或者将多个圆片叠在一起形成3D结构，然后再进行互连以完成3D封装。

4 封装实例发展趋势

4.1 成功的MEMS封装

4.1.1 加速度计封装

加速度计封装是MEMS封装最先成功的工艺技术，也是国外应用得极为广泛的领域之一。Analog Device公司已经成功地开发出将MEMS加速度计新品封装在一个4mm×4mm×1.45mm的石墨框架芯片尺寸封装（CSP）结构中的技术。其主要思想是在传感器圆片上每个MEMS微结构上加一个硅帽，以完成对构件的保护和气密性封装，见图2。图中硅圆片厚度为700 μm，硅帽高度为380μm，可以满足定制石墨铸塑框架1.45mm高度的要求。

4.1.2 微型图像扫描显示仪封装

Micro Vision公司开发了一款分辨率为800×600的单色、单眼、头盔式微型图像扫描显示仪，图3是该款产品的外形摄像图。它代表了MEMS封装新的发展方向——I/O信号不再是单一的电信号，而是向多样化发展，且封装不局限于2D平面上，而向3D立体化的方向发展。与加速度计封装不同的是，此方案代表了一种先进性、创新性封装思路的工艺技术。

视网膜扫描显示（RSD）系统由视频转换器件、光源光学器件和扫描引擎等组成，工作原理是，先由视频转换器件从图像源接受并处理视频信号（处理后的信号包含用来控制像素密度、混色并调整像素点位置的有关信息），然后用小功率光源从瞳孔向视网膜发送图像，每次发送一个像素，最后折射和反射光学元件迅速将扫描光束通过瞳孔投射到观察者眼中，并在视网膜上形成一幅大的虚拟图像。扫描引擎是一个双轴MEMS扫描镜，它通过双轴移动以光栅的方式成像对MEMS扫描引擎及附属驱动电路器件的封装是开发新产品之关键。传统的封装技术造价昂贵，不适合大批量生产，故Micro Vision公司正在研发MEMS扫描引擎及其附属驱动电路的圆片级封装技术。

4.2 MEMS封装的发展趋势

以上两例MEMS封装基本代表了国际上先进的MEMS封装技术。而中国在先进的MEMS技术投入生产实践方面还有许多工作要做。例如，不仅需要引进先进的MEMS封装技术，而且须树立在设计初期就坚定设计思想并且始终贯彻这一思想的理念；充分利用成熟的表面贴片技术（SMT）和设备，开发难度相对较低并与SMT兼容的MEMS封装技术；在研发领域积极进行MEMS 3D封装的论证，确保在3D封装领域中国不致停留在起跑线上，力争与先进国家同时将3D封装投入规模生产。

5 结束语

目前MEMS封装技术基本上借鉴和引用了微电子封装技术和经验，大多数MEMS新品封装都是定制的，这就造成了MEMS的封装成本较高。但可以预见，在不远的将来MEMS封装工艺将会向标准化、系列化方向发展，以实现批量生产，并降低 MEMS新品的生产成本。