陶瓷封裝在MEMS上的應(yīng)用

圖 MEMS加速度計，來源：TDK

常見的產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車、工控、醫(yī)療等領(lǐng)域。封裝是MEMS 技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化實用化的關(guān)鍵技術(shù)之一，MEMS封裝的特殊性大大增加了 MEMS封裝的難度和成本，成為 MEMS發(fā)展的瓶頸。艾邦建有陶瓷封裝全產(chǎn)業(yè)鏈微信群，歡迎陶瓷封裝產(chǎn)業(yè)鏈上下游掃碼加群與我們交流。

1、MEMS的封裝分類

(1)按封裝層次分類

芯片級封裝、圓片級封裝、系統(tǒng)級封裝

(2)按外殼的材料分類

分為金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝

(3)按氣密性分類

分為氣密性封裝和非氣密性封裝，氣密封裝是對工作環(huán)境氣密的保護，而非氣密封裝則是可以透氣的。金屬封裝和陶瓷封裝屬氣密性封裝，而塑料封裝一般為非氣密性封裝。

封裝的密封是為了保護芯片和封裝的金屬鍍層以免受環(huán)境腐蝕和在處理過程中的機械損。目前在高可靠性應(yīng)用中，幾乎都采用氣密性封裝。對氣密性封裝的要求主要有：

(1)封裝的氣密性，通常要求氦氣的泄漏率低于1x10-8Pa·m3/s。

(2)在氣密性封裝中，封裝外殼主要用金屬和陶瓷兩種材料。

(3)蓋板，無論是金屬封裝還是陶瓷封裝，其蓋板通常用金屬。

(4)在金屬封裝中，每條引線是采用分立的玻璃密封封進金屬平臺或管座中。而陶瓷封裝引線是通過厚膜網(wǎng)印及燒結(jié)技術(shù)制成的，且通常是埋置在陶瓷中。

(5)滿足氣密性要求，所有這些封裝的帽子密封是由適當(dāng)?shù)牟ＡЩ蚪饘賮硗瓿傻?。在釬焊和錫焊中，是用一種低熔點的釬焊和錫焊合金來形成密封的，而在熔焊中，則是由帽子本身后部熔融來實現(xiàn)密封。

2、MEMS的封裝要求

雖然MEMS封裝采用許多與微電子封裝相似的技術(shù)，但不能簡單地將微電子封裝技術(shù)直接用于MEMS器件的封裝中去。由于MEMS的特殊性、復(fù)雜性和 MEMS應(yīng)用的廣泛性，對封裝的要求是非?？量痰模?/span>

(1)機械支撐：有效的封裝結(jié)構(gòu)可以對器件形成有效保護，避免在儲存、運輸以及工作時，可能受到的外界不可控載荷、無意識機械沖擊或環(huán)境熱變等由復(fù)雜工作環(huán)境帶來的物理損傷或化學(xué)腐蝕，這些復(fù)雜損害對微器件來說是致命的，有效的機械支撐可以防止器件內(nèi)部所含的微機械結(jié)構(gòu)受到破壞甚至使得器件失效。

(2)電氣互連：對MEMS器件的基本要求是與外界系統(tǒng)進行信息的傳遞，封裝外殼對芯片有著密閉的保護作用，那么就需要在外殼上留有信息傳遞的通道或媒質(zhì)交互的窗口，即通過封裝外殼預(yù)留出引線或管腳，與外界實現(xiàn)穩(wěn)定的電連接，以確使芯片與外界系統(tǒng)各類信號的輸入與輸出是連續(xù)可靠的。

圖 MEMS陶瓷封裝，來源：Analog Devices

(3)熱傳導(dǎo)：對于一些帶功率的器件在工作時，會產(chǎn)生熱量，而過熱對于器件來說是有害無益的，那么就要求封裝外殼具備散熱功能，及時將芯片產(chǎn)生的熱量向外界傳遞出去。

(4)應(yīng)力：在 MEMS器件中，微米或微納米尺度的零部件其精度高但十分脆弱，因此，MEMS封裝應(yīng)產(chǎn)生對器件最小的應(yīng)力；

(5)高真空：可動部件在“真空”中，就可以減小摩擦，達(dá)到長期可靠工作的目標(biāo)；

(6)高氣密性：一些 MEMS器件，如微陀螺必須在穩(wěn)定的氣密條件下才能可靠長期地工作，有的 MEMS封裝氣密性要達(dá)到1×10-12Pa·m3/s；

(7)高隔離度：MEMS常需要高的隔離度，對 MEMS射頻開關(guān)就更為重要。為了保證其他干擾信號盡可能小，就要求對傳感器的某些部位進行封裝隔離。否則，干擾信號疊加在所采樣的有用信號上將使MEMS的正常功能難以發(fā)揮；

(8)特殊的封裝環(huán)境和引出：某些 MEMS器件的工作環(huán)境是氣體、液體或透光的環(huán)境，MEMS封裝就必須構(gòu)成穩(wěn)定的環(huán)境，并能使氣體、液體穩(wěn)定流動，使光纖輸入低損耗，高精度對位的特性等。

3、陶瓷封裝在MEMS的應(yīng)用

陶瓷材料具有足夠高的機械強度，絕緣電阻及絕緣破壞電壓高；在溫度高、濕度大的條件下性能穩(wěn)定，確?？煽啃?。并且熱導(dǎo)率高；熱膨脹系數(shù)與Si的熱膨脹系數(shù)匹配，耐熱性優(yōu)良。

用于MEMS器件封裝的陶瓷材料有Al2O3、AIN、BeO、莫來石及低溫陶瓷（也稱玻璃土陶瓷）等。Al2O3是最常用的一種陶瓷封裝材料，其價格相對便宜，應(yīng)用面廣。AIN是一種性能更優(yōu)越的陶瓷材料，通常用在對性能和可靠性極高的場合。低溫陶瓷也是一種性能極優(yōu)異的陶瓷材料，特別是玻璃-陶瓷的性能與所要求的理想陶瓷的性能相近，用于對硅芯片的封裝可達(dá)到極好的材料性能匹配。

圖 LTCC封裝MEMS，來源：Fraunhofer

由于LTCC具有優(yōu)良的物理化學(xué)特性，其越來越多的應(yīng)用于微系統(tǒng)。LTCC基板在微系統(tǒng)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在兩個方面：一個是作為微系統(tǒng)的封裝基板，搭載微電子、光電子及MEMS芯片等；另一個是利用LTCC材料加工出MEMS器件，并集成在基板內(nèi)部，使器件與封裝一體化。后者形成MEMS技術(shù)的一個發(fā)展分支，即陶瓷MEMS(C-MEMS)。

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