如何优化MEMS器件的封装工艺？

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：特殊的封装环境某些MEMS器件的工作环境是气体、液体或透光的环境，MEMS封装必须构成稳定的环境，并能使气体、液体稳定流动，使光纤输入低损耗。低应力在MEMS器件中，具有微米／纳米级尺寸的部件精度要求高，但结构脆弱易断裂，因此封装所产生的应力应尽可能小。近年来，随着科学技术的发展，在MEMS封装中已广泛采用喷印工艺［23]，这种工艺无需掩膜，经济有效，不涉及湿法工艺。

对于先进的微机电系统而言封装是另一个障碍，与电子元件的封装相比更复杂，也是微机械加工中最昂贵的工序（超过总成本的75％）。目前的封装技术大多是从集成电路封装技术继承和发展而来的，但MEMS器件自身有其特殊性，对封装技术提出了更高的要求^［28]：

（1）高真空

MEMS系统常包括可动部件（如微型阀、微型泵、微齿轮等），为了使运动部件能长期可靠地工作，需要真空封装以减小摩擦。

（2）高气密性

一些MEMS器件（如微陀螺）必须在稳定的气密条件下才能长期可靠地工作。

（3）特殊的封装环境

某些MEMS器件（如光学MEMS器件）的工作环境是气体、液体或透光的环境，MEMS封装必须构成稳定的环境，并能使气体、液体稳定流动，使光纤输入低损耗。

（4）高隔离度

例如，对MEMS射频开关隔离度尤为重要，为了保证其他干扰信号尽可能小，要求对传感器的某些部位进行封装隔离，否则干扰信号叠加在所采样的有用信号上将使MEMS的正常功能难以发挥。

（5）低应力

在MEMS器件中，具有微米／纳米级尺寸的部件（如悬臂梁、微镜等）精度要求高，但结构脆弱易断裂，因此封装所产生的应力应尽可能小。

近年来，随着科学技术的发展，在MEMS封装中已广泛采用喷印工艺^［23]，这种工艺无需掩膜，经济有效，不涉及湿法工艺（如湿法腐蚀、电镀）。

例如，图3-80所示MEMS光学开关中的许多元件的装配和连接可用喷印工艺完成，这包括：①将光纤连接到位；②构成微透镜阵列（microlens array）；③用粘结剂或焊料连接芯片；④用焊料进行电气互连；⑤沉积吸气材料；⑥用粘结剂进行机械装配；⑦用焊料或粘结剂、玻璃粉进行组件密封。

图3-80 MEMS光学开关

为胜任上述工艺，MicroFab公司设计了图3-81所示的喷印系统，与一般喷墨打印机不同，它专门设置了如下部件：①位于工作台上的工件夹持器，可以夹持平坦的刚性基板（如硅片、印刷电路板、印刷电路板制程等）。②校正器和光学检测器。③喷头温度控制器，以便适应各种喷印材料的需求。④基板加热／冷却控制器，以便控制液滴喷射至基板后形成的图案。⑤环境控制器，以便控制环境中的微粒、氧气、水蒸气，以及为使喷印后材料快速固化所需的反应气体或UV照射。

图3-81 MicroFab公司MEMS封装喷印系统组成框图

为满足喷射高粘度聚合物、焊料等材料的需求，MicroFab公司已研制出可在370℃高温下运行的喷头（见图3-82）。

如何优化MEMS器件的封装工艺？

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