蕞达 | 微机电系统(MEMS)封装材料
发布日期：2024-03-03 03:47:15
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过去几年，伴随消费类电子与新能源汽车等行业的快速发展，中国MEMS传感器市场需求旺盛，持续快速增长。根据Omdia的数据统计，2022年全球MEMS行业市场规模已达到184.77亿美元，2017~2022年复合增长率为5.77%。根据赛迪顾问的数据统计与预测，2022年中国MEMS传感器市场规模已达到982.1亿元，同比增长15.1%，预计到2025年市场规模将达到1571.3亿元，2022~2025年复合增长率为17.0%。
MEMS的全称是微型电子机械系统（Micro-ElectroMechanical System），简单来说、，就是将机械系统微型化。具体来说，微机电系统是指可批量制作的，将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等集成于一块或多块芯片上的微型器件或系统。MEMS就是采用微电子和微机械加工技术制造出来的智能系统。
MEMS加工工艺是基于已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其制造工艺。它与传统的IC工艺有许多相似之处，如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等，但是有些复杂的微结构难以用IC工艺实现，必须采用微加工技术制造。除此以外，MEMS制造还广泛地使用多种特殊加工方法，其中常见的方法包括键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。
MEMS类型包括 : MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等。
微机电系统封装技术
Packaging Technology Of MEMS
微机电系统封装技术主要包括圆片级、器件级和系统级三个层次。
1、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。此外，晶片键合还完成了一级封装。
2、器件级封装技术
将易损坏或电路易受干扰的器件用管壳类等保护起来，通过引脚或其他I/0口为有源传感器或执行器部分提供接口，实现与外部的电气互联。主要有金属封装，陶瓷金属化封装及塑料封装3种情况。
①金属封装
金属封装具有良好的热散性，并能提供金属屏障，屏蔽周边电磁干扰。通过在陶瓷基板上共晶焊接芯片或其他控制电路，然后将基板与金属底座粘接或共晶焊接，引线到对应I/0口，最后利用平行缝焊等封帽工艺焊接好管帽。
②陶瓷封装
陶瓷封装有质量轻、成本低、气密性较好、可大量生产等特点，但陶瓷封装的器件也可能会遇到问题，如陶瓷烧结后“收缩”失效，这对要求气密性封装的器件是不可接受的；陶瓷和金属材料的焊接强度比陶瓷和陶瓷的要弱。
③塑料封装
塑料封装形式具有成本低、可靠性较高等优点，但是对于有气密性要求的器件就不是很合适。在高温或者高湿环境下，塑料封装也有可能出现分层和开裂的情况，塑料封装按照模的形式一般分为前铸模和后铸模两种方式（如图2、图3所示），两者的主要区别是后铸模有个空腔，并在键合后通过粘接盖板来保护器件的内部结构。
①②③均是采用标准成型封装。封装工艺主要是：（Ⅰ）将芯片焊接在基板上；（Ⅱ）用金丝、铝丝或铜线实现芯片和封装引线之间的电气连接；（Ⅲ）喷涂化合物材料保护或封冒。
3、多芯片封装技术
多芯片封装技术是一种由两个或两个以上裸芯片或者芯片尺寸封装(CSP)的IC组装在一个基板上的模块，模块组成一个电子系统或子系统。它提供了一种新的MEMS器件集成封装的方法，支持在不改变MEMS和电路的生产工艺的情况下，在同一基板上集成不同功能的芯片。根据基板和芯片间互连方法的不同，MCM有多种不同的形式。如传统的通过金/铝丝引线键合、凸点倒装焊。MCM具有明显的封装密度，从而降低信号的延迟性，提高其系统整体性能。
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微机电系统封装材料
Packaging materials for MEMS
MEMS器件主要采用标准成型封装，封装工艺主要包括：
①将芯片黏结在基板上；
②用金丝或铜线实现芯片和封装引线之间的电气连接；
③喷涂化合物材料保护或封冒。
①MEMS Die微结构决定了本身能承受的外力非常低，即要求Die attach应力尽可能低，同时满足MEMS Die底部粘结强度（容易满足）。
②杨氏模量（即弹性模量） 它是沿纵向的弹性模量。MEMS粘结材料要求杨氏模量尽量大，线性应力尽量低，使得芯片与基材不易发生形变。
③MEMS标准工作温度在-40～100℃，因此，封装材料要求长期工作耐温范围＞-40～100℃。
④ASIC与基板封装要求粘结层≤15μm，因此，Die attach粘合剂要求填料最大粒径≤15μm。
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