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    行業新聞

    MEMS封裝技術的發展及應用
    發布時間:2018.11.27  瀏覽次數:

    引言 

    當前,國內外半導體集成電路科研水平已基本具備將一些復雜的機電系統集成制作在芯片上的能力,幾乎整個1000億美元規模的產業基礎設施都可以用來支持MEMS技術,那些被批量制造的、同時包含尺寸在納米到毫米量級的電子與機械元器件構成的MEMS,成為國際上微電子系統集成發展的新方向。多門類實用的MEMS演示樣品向早期產品演繹,可批量生產的微加速度計、力敏傳感器、微陀螺儀、數字微鏡器件、光開關等的商品化日趨成熟,初步形成100億美元的市場規模,年增長率在30%以上。當MEMS與其他技術交融時,往往還會催生一些新的MEMS器件,為微電子技術提供了非常大的市場和創新機遇,有可能在今后數十年內引發一場工業革命。然而,實現MEMS的商品化、市場化還面臨許多挑戰,尚有很多產業化的技術難題需要進行深層次的研究、解決,尤其是MEMS封裝技術的發展相對滯后,在某些方面形成封裝障礙,使得很多MEMS器件的研發仍暫時停留在實驗室階段,首先解決這一通往市場的瓶頸,促進產業鏈提速運轉已成為各界共識。 

    2 MEMS封裝的特點 

    MEMS技術是一門相當典型的多學科交叉滲透、綜合性強、時尚前沿的研發領域,幾乎涉及到所有自然及工程學科內容,以單晶硅Si、Si02、SiN、SOI等為主要材料。Si機械電氣性能優良,其強度、硬度、楊式模量與Fe相當,密度類似A1,熱傳導率也與Mo和W不相上下。在制造復雜的器件結構時,現多采用的各種成熟的表面微bD工技術以及體微機械加工技術,正向以LIGA(即深度x射線刻蝕、微電鑄成型、塑料鑄模等三個環節的德文縮寫)技術、微粉末澆鑄、即刻掩膜EFAB為代表的三維加工拓展。因而MEMS封裝具有與IC芯片封裝顯著不同的自身特殊性: 
    (1)專用性 

    MEMS中通常都有一些可動部分或懸空結構、硅杯空腔、梁、溝、槽、膜片,甚至是流體部件與有機部件,基本上是靠表面效應工作的。封裝架構取決于MEMS器件及用途,對各種不同結構及用途的MEMS器件,其封裝設計要因地制宜,與制造技術同步協調,專用性很強。 
    (2)復雜性 

    根據應用的不同,多數MEMS封裝外殼上需要留有同外界直接相連的非電信號通路,例如,有傳遞光、磁、熱、力、化等一種或多種信息的輸入。輸入信號界面復雜,對芯片鈍化、封裝保護提出了特殊要求。某些MEMS的封裝及其技術比MEMS還新穎,不僅技術難度大,而且對封裝環境的潔凈度要求達到100級。 
    (3)空間性 

    為給MEMS可活動部分提供足夠的活動、可動空間,需要在外殼上刻蝕或留有一定的槽形及其他形狀的空間,灌封好的MEMS需要表面上的凈空,封裝時能提供一個十分有效的保護空腔。 
    (4)保護性 

    在晶片上制成的MEMS在完成封裝之前,始終對環境的影響極其敏感。MEMS封裝的各操作工序、劃片、燒結、互連、密封等需要采用特殊的處理方法,提供相應的保護措施,裝網格框架,防止可動部位受機械損傷。系統的電路部分也必須與環境隔離保護,以免影響處理電路性能,要求封裝及其材料不應對使用環境造成不良影響。 
    (5)可靠性 

    MEMS使用范圍廣泛,對其封裝提出更高的可靠性要求,尤其要求確保產品在惡劣條件下的安全工作,免受有害環境侵蝕,氣密封裝能發散多余熱量。 
    (6)經濟性 

    MEMS封裝主要采用定制式研發,現處于初期發展階段,離系列化、標準化要求尚遠。其封裝在整個產品價格中占有40%-90%的比重,降低封裝成本是一個熱門話題。 

    總而言之,IC封裝和MEMS封裝這兩者最大的區別在于MEMS一般要和外界接觸,而IC恰好相反,其封裝的主要作用就是保護芯片與完成電氣互連,不能直接將IC封裝移植于更復雜的MEMS。但從廣義上講,MEMS封裝形式多是建立在標準化的IC芯片封裝架構基礎上。目前的技術大多沿用成熟的微電子封裝工藝,并加以改進、演變,適應MEMS特殊的信號界面、外殼、內腔、可靠性、降低成本等要求。 

    3 MEMS封裝的發展 

    MEMS的發展目標在于通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元器件與系統,開辟一個新技術領域和產業,其封裝就是確保這一目標的實現,起著舉足輕重的作用。幾乎每次國際性MEMS會議都會對其封裝技術進行熱烈討論,多元化研發另辟蹊徑。各種改進后的MEMS封裝不斷涌現,其中較有代表性的思路是涉及物理、化學、生物、微機械、微電子的集成微傳感器及其陣列芯片系統,在實現MEMS片上系統后,再進行封裝;另一種是將處理電路做成專用芯片,并與MEMS組裝在同一基板上,最后進行多芯片組件MCM封裝、系統級封裝SIP。在商用MEMS產品中,封裝是最終確定其體積、可靠性、成本的關鍵技術,期待值極高。 

    MEMS封裝大致可分為圓片級、單片全集成級、MCM級、模塊級、SIP級等多個層面。圓片級給MEMS制作的前、后道工序提供了一個技術橋梁,整合資源,具有倒裝芯片封裝與芯片尺寸封裝的特點,對靈敏易碎的元件、執行元件進行特殊鈍化保護,使其免受有害工作介質和潮汽侵蝕,不受或少受其他無關因素的干擾,避免降低精度,完成MEMS芯片與基座(或管殼)的焊接和鍵合;單片全集成級封裝要對一個集成在同一襯底上的微結構和微電路進行密封,使之成為一個可供應用的完整系統產品,尺寸小,內部互連長度短,電氣特性好,輸出/人接點密度高,是MEMS封裝發展的較理想方案;MCM級將MEMS和信號處理芯片組裝在一個外殼內,常采用成熟的淀積薄膜型多芯片組件MCM-D、混合型多芯片組件MCM-C/D、厚膜陶瓷多芯片組件MCM-C的工藝與結構達到高密度、高可靠性封裝,可以充分利用已有的條件和設備,分別制作MEMS的不同部分。這類封裝在小體積、多功能、高密度、提高生產效率方面顯出優勢;模塊級封裝旨在為MEMS設計提供一些模塊式的外部接口,一般分為光學接口、流體接口、電學接口,接口數據則由總線系統傳輸,從而使MEMS能使用統一的、標準化的封裝批量生產,減少在封裝設備上的投資,降低成本,縮短生產周期,并要求封裝可以向二維空間自由擴展和連接,形成模塊,完成某些功能,保證盡可能高的封裝密度;SiP稱為超集成策略,在集成異種元件方面提供了最大的靈活性,適用于射頻RF-MEMS的封裝,在目前的通信系統使用了大量射頻片外分立單元,無源元件(電容、電感、電阻等)占到射頻系統元件數目的80%-90%,占基板面積的70%-80%,這些可MEMS化來提高系統集成度及電學性能,但往往沒有現成的封裝可以利用,而SiP是一種很好的選擇,完成整個產品的組裝與最后封裝。 

    在MEMS封裝技術中,倒裝芯片互連封裝以其高I/O密度、低耦合電容、小體積、高可靠性等特點而獨具特色,可將幾個不同功能的MEMS芯片通過倒裝互連組裝在同一塊基板上,構成一個獨立的系統。倒裝芯片正面朝下,朝下的光電MEMS可靈活地選擇需要接收的光源,而免受其他光源的影響。研究表明,通過化學鍍沉積柔性化凸點下金屬層UBM、焊膏印刷和凸點轉移在芯片上形成凸點的這一套工藝的設備要求不高, 町作為倒裝芯片封裝結構用于力敏MEMS,尤其適合各研究機構為MEMS開發的單件小批量的倒裝芯片封裝。而使用光刻掩膜、電鍍和回流的方法形成凸點的UBM,卻適合工業化大批量生產的MEMS壓力傳感器。采用倒裝芯片互連技術的MEMS封裝已取得多方面進展,成為研發熱點。 

    在實際應用中,MEMS的封裝可能是采用多種技術的結合。嚴格地講,有些封裝技術并無明顯的差異和界定,另一些卻與微電子封裝密切相關或相似,高密度封裝、大腔體管殼與氣密封裝、晶片鍵合、芯片的隔離與通道、倒裝芯片、熱學加工、柔性化凸點、準密封封裝技術等倍受關注。用于MEMS封裝的材料主要有陶瓷、金屬、鑄模塑料等數種,高可靠性產品的殼體大多采用陶瓷—金屬、陶瓷—玻璃、金屬—玻璃等結構,各有特點,滿足MEMS封裝的特殊信號界面、外殼性能等要求。 
    4 MEMS封裝的應用 

    MEMS是當代國際矚日的重大科技探索前沿陣地之一,新研發的MEMS樣品不斷被披露出來,從敏感MEMS拓展到全光通信用光MEMS、移動通信前端的RF-MEMS、微流體系統等信息MEMS。光MEMS包括微鏡陣列、光開關、可變衰減器、無源互連耦合器、光交叉連接器、光分插復用器和波分復用器等,MEMS與光信號有著天然的親和力;RF-MEMS包括射頻開關、可調電容器、電感器、諧振器、濾波器、移相器、天線等關鍵元器件;微流體系統包括微泵、微閥、微混合器、微流體傳感器等,可對微量流體進行輸運、組分分析和分離以及壓力、流量、溫度等參數的在線測控。MEMS正處在蓬勃發展時期,產業鏈和價值鏈的形成是需要鏈中各環節的共同努力和密切合作的,封裝不可缺位。 
    4.1 微加速度計 

    MEMS最成功的產品是微加速度計,通常由一個懸臂構成,梁的一端固定,另一端懸掛著一個約10μg的質量塊,由此質量塊敏感加速度后,轉換為電信號,經C/V轉換、放大、相敏解調輸出。有的廠家月產達200萬件,研發出20余種型號產品,主要用于汽車安全氣囊系統和穩定系統的慣性測量,國際市場年需求量在1億件以上。在市場上較其他類MEMS取得商業化快速進展的原因是更適宜采用標準的IC封裝,提供一個相應的微機械保護環境,無需開發特殊的外殼結構,從XL50圓型陶瓷封裝演進到XL276型8腳陶瓷雙列直插式、XL202型14腳陶瓷表面貼裝式封裝,目前逐漸被更小的XL202E型8引腳陶瓷表面貼裝所取代,可耐高溫和強烈的機械振動、酸堿腐蝕。Low-G系列產品采用流行的方形平面無引腳QFN-16封裝,有的采用16腳雙列直插式或單列直插式塑料封裝。采用MCM技術通常能在一個MEMS封裝中納入更復雜的信號調節功能芯片。 
    4.2 微陀螺儀 

    MEMS微陀螺儀多利用振動來檢測旋轉的角速度信號,正加速研制高精度、低成本、集成化、抗高沖擊的產品,研究在芯片上制造光纖陀螺,小批量生產硅MEMS陀螺(俗稱芯片陀螺)和MEMS石英壓電速率陀螺,用于全球衛星定位系統精確制導的信號補償、汽車導航系統、飛行器、天線穩定系統等。有采用無引線陶瓷芯片載體LCCC封裝、混合集成封裝、MCM封裝、單管殼系統封裝的微陀螺儀,將慣性傳感器與控制專用電路封裝為一體,要求內部必須是真空氣密條件。 
    4.3 力敏傳感器 

    以MEMS技術為基礎的微型化、多功能化、集成化、智能化的力敏傳感器獲得商業化應用。其中,硅MEMS壓力傳感器的使用最廣泛,基本工藝流程分為力敏彈性膜片(硅杯)和組裝兩大過程,在紐裝中如何避免附加應力的產生是封裝工藝的關鍵,采用靜電封接獨具特色,將力敏彈性膜片與玻璃環通過靜電封接機封接為一體,形成膜片基體,背面接受壓力結構增加膜片的固定支撐厚度,然后鍵合內引線、粘結、焊外引線、老化處理、零點補償、密封、靜電標定等完成整個封裝過程:封裝技術向低溫玻璃封接、激光硅—玻璃封接發展。 
    4.4 表面貼裝麥克風 

    全球首款表面貼裝Si Sonic微型麥克風的部件采用MEMS技術制造,并將其與一個CMOS電荷泵IC、兩個RF濾波電容集成在一個封裝中,組成一個表面貼裝器件。這種表面貼裝的封裝形式適合大批量自動裝配生產,生產效率極大提高,而目前采用傳統電容式麥克風ECM是手工貼裝,缺乏規模經濟性。前者總體只有ECM的一半大小,投影面積是更小的8.61mm2,有望取代一直在便攜式應用中占主導地位的ECM。 
    4.5 數字微鏡器件 

    數字微鏡器件DMD(DIGITAL Micromirror DEVICE)主芯片含有超過150萬個能被精確控制、獨立轉動的微鏡,可用于光通信及數字投影裝置、背投彩電等,其成像原理是由微鏡±10°的轉動控制光信號通斷,透鏡成像并投影到屏幕上,優勢是光效高、色彩豐富逼真、亮度易作到2000流明甚至更高、對比度2000:1、可靠性好、平均壽命約為50年,現銷售量超過300萬套。DMD采用帶有透明窗口的密封封裝形式,用陶瓷作為基底,玻璃作為窗口,同時使用了吸氣劑,去除可能會對器件可靠性造成危害的濕氣、氫以及其他一些物質微粒,其封裝能夠保證器件內干燥、密封并有一個透明的窗口確保光路的暢通。 
    4.6 MEMS光開關 

    用MEMS技術制作的光開關是將光機械結構、微制動器、微光元件在同一基底上集成,具有傳統光機械開關和波導開關的特點,二維和三維MEMS光開關已有商業化的產品面世,開展對一維的研究,多采用組件或隔離密封式、模塊形式封裝,其典型代表為MEMS-5200系列交換模塊。有些產品能夠接受來自數十條光纖的輸入信號,并可將其路由到其他幾百條光纖中去,采用這種產品的主要理由是避免花費昂貴、且難處理的大量光—電轉換和電—光轉換,要達到這一目的,就要求,于關與光纖以及其他器件之間進行幾百次甚至幾千次的連接,采用同光纖相適應的封裝,封裝及接頭技術甚至比MEMS還新穎,并要盡可能減小溫度、濕度、振動以及其他環境因素對封裝光開關的影響。MEMS光開關市場上尚缺乏共同的封裝技術標準,因批量小、技術難度大而價格特別昂貴,封裝工藝、封裝材料、性能測試等的不斷改進是熱點關注的話題。封裝技術還需要更大的發展,才能充分體現出MEMS光開關在全光網中可擴展地完成各種光交換的關鍵作用的特性。 
    4.7 RF-MEMS 

    RF-MEMS可彌補CMOS工藝的不足,MEMS技術制作的無源元件有益于系統集成度與電學性能的提高、成本降低,成為國際頂級半導體廠商拓展硅芯片應用范圍的研發方向。RF-MEMS開關的實用化獲得相當大的進展,往往沒有現成的封裝可以直接使用,因而需尋求解決方案,SIP首當其沖。SIP從RF-MEMS設計階段即考慮封裝問題,無源元件的集成方式、封裝結構的設計、封裝工藝流程、系統內芯片間的互連、封裝材料的選擇等尤為關鍵。SIP中內含表面安裝器件、集成式無源元件、存儲器芯片、CMOS芯片、GaAs高性能功率放大器,在基板上可用高密度互連技術制作掩埋式無源元件、傳輸線等,簡化系統結構,降低寄生效應與損耗,提高應用頻率范圍,縮短產品開發時間。 
    5 結束語 

    MEMS以及微光電子機械系統MOEMS、納米電子機械系統NEMS的研發為新的技術革命提供了大量機遇。不同的MEMS要求具體相應的封裝結構,封裝技術的特異性高,引發出大量的封裝問題亟待解決。據國外權威統計公司SPC的統計,國內MEMS的研究處于世界前八位,可批量生產MEMS力敏傳感器,研制成功MEMS光開關、RF-MEMS開關、微流體系統等多種原理樣品,從總體水平上看,與國外的差距主要體現在產業化技術上。選擇一些應用量大、面廣的MEMS及其封裝作為發展和市場切人點,形成產業,滿足市場需求,為發展其他MEMS打下基礎、摸索出規律,這樣就成功了一半。沒有一項MEMS的研發會漠視封裝技術,沒有封裝的跟進是不現實的。 

    從國外發展趨勢看,MEMS的封裝類別一般都沿用已經標準化的IC封裝結構形式,或者加以改進來適應MEMS要求,力爭采用更多的現有IC封裝架構實現MEMS的封裝。采用新型封裝結構及其技術,建立MEMS封裝單元庫,注重成本的新封裝結構與MEMS研發之間的進一步整合,成為另一個發展趨勢。 

    在MEMS問題上,若就其封裝展開充分的探討,則各有各的方式,市場角逐要選擇對路產品,在市場引導下組建起MEMS的完整產業鏈是值得期待的。

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