MEMS 封装需求剖析与实用优化方案解读

在当今电子技术飞速发展的时代，MEMS（微机电系统）技术凭借其独特的优势，在众多领域展现出巨大的应用潜力。然而，目前仍有许多 MEMS 传感器未能广泛实现商业化，其中一个关键因素就是 MEMS 器件的封装问题尚未得到妥善解决。

MEMS 封装技术源于微电子封装技术，但由于 MEMS 器件包含微机械结构，且在力隔离、真空环境、气密性等方面有特殊要求，使得 MEMS 封装与微电子封装存在显著差异。多数 MEMS 器件在制造流程结束后，其机械结构才会暴露，所以 MEMS 封装首要任务是对器件进行物理防护。这是因为 MEMS 器件的性能极易受到水汽、摩擦作用、化学腐蚀等因素的影响。例如，微机械开关在湿度较高的环境中，性能会大幅下降甚至完全失效。为了确保 MEMS 器件的长期可靠使用，封装需要具备良好的密封性，通过密封形成的空气环境或真空状态，能够有效减少器件内部的摩擦、振动及腐蚀等问题。对于植入式医疗领域应用的 MEMS 器件来说，密封更是不可或缺的条件。

MEMS 封装技术具有特殊性与复杂性，通常需要满足以下要求：

1.低应力特性：MEMS 器件尺寸微小、精度高且结构脆弱，封装过程产生的应力应尽可能小。

2.高真空环境：将可动结构置于真空环境，能减小摩擦，提高器件可靠性和延长使用寿命。

3.高气密性保障：像微陀螺仪等部分 MEMS 器件，在气密性不足的情况下，无法实现长期稳定工作。

4.高隔离度设计：为避免其他信号干扰，需对特定部位进行封装以隔离干扰。

5.其他特殊需求：部分 MEMS 传感器（如光学传感器、微流体传感器、化学传感器等）需要设计与外界环境交互的接口。

鉴于 MEMS 封装的特殊性与复杂性，其封装成本占 MEMS 整体成本的比例可达 50% 至 95%，远高于微电子封装的成本占比。一方面，MEMS 产品的高度多样性导致不同产品对可靠封装的要求存在本质差异。例如，压力传感器和汽车安全气囊系统中常用的惯性传感器，它们的封装要求截然不同。汽车安全气囊系统中的惯性传感器需要在多尘、温度剧烈波动、存在腐蚀性介质的苛刻环境，以及汽车行驶时的强烈振动下保持正常工作。这就要求生产厂家为每一款新产品重新调整所有封装设备，投入大量资金进行新方法和新工艺设备的研发。另一方面，MEMS 产品中结构元件的微小尺寸给封装带来了诸多特殊问题。许多封装工序涉及的物理 - 化学过程会产生各种附加效应，如键合过程中及完成后会产生热应力与应变，较大的残余热应力可能导致键合表面出现裂痕，过大的残余应变则可能因膨胀系数的差异使键合表面发生变形凸起，这些问题都会增加 MEMS 产品的封装成本。

MEMS 封装可分为芯片级封装与晶圆级封装两种类型。芯片级封装工艺借鉴现有集成电路的封装流程与设备，待晶圆切割成独立裸片后，再对 MEMS 器件进行结构释放与密封。以德州仪器公司的数字微镜器件（digital micromirror device，DMD）为例，其芯片贴合在封装基座上，通过键合引线与陶瓷基底连接，密封光学窗口与陶瓷基底则借助密封圈实现密封。由于陶瓷的热膨胀系数处于 5×10⁻⁶~9×10⁻⁶/℃之间，与硅的热膨胀系数（约 2.6×10⁻⁶/℃）接近，因此可实现陶瓷与硅的键合。热膨胀系数的匹配能减轻热胀冷缩产生的应力，尤其在器件面积较大时，这种应力缓解作用更为关键。

芯片级封装的主要缺陷在于，在完成 MEMS 器件整体封装前，需对每个裸片单独执行结构释放、密封等操作，导致成本偏高且效率低下。作为替代方案，晶圆级封装技术选择在晶圆切割前完成结构释放与密封等工序，之后再进行划片处理。

三维晶圆级封装已成为 MEMS 封装的重要发展方向，当前先进的技术方案通常涉及三个晶圆，分别是 MEMS 器件晶圆、接口 ASIC 晶圆和盖帽晶圆（cap-wafer）。以下介绍几种以低成本、高性能、少引脚为目标的三维 MEMS 封装设计及工艺流程。这三类晶圆的封装形式各有不同，例如 MEMS 器件晶圆可采用引线键合、倒装、硅通孔等封装形式，而 ASIC 晶圆与盖帽晶圆则可选择带硅通孔或无硅通孔的封装方案。

晶圆级 MEMS 封装存在多种结构形式，其中部分方案的共性在于将盖帽芯片与 ASIC 芯片通过密封圈粘合，信号线从密封圈下方穿过后，再通过键合引线与封装外部的其他器件或系统衬底连接（如直接接入系统级封装内的其他芯片衬底或印刷电路板）。它们的差异主要体现在 MEMS 器件与 ASIC 芯片的连接方式上：有的通过引线键合实现连接，有的采用硅通孔与微凸点键合，还有的借助倒装键合方式连接。

另一种封装形式中，ASIC 芯片通过硅通孔与凸点直接与衬底或印刷电路板相连，引线无需经过密封圈下方布线，而 MEMS 器件与 ASIC 芯片的连接方式可与上述方案保持一致。还有一种结构是 ASIC 芯片利用贯穿盖帽芯片的硅通孔及凸点键合实现与外界的连接，当需要与封装衬底或印刷电路板对接时，需将整个封装倒置，其 MEMS 器件与 ASIC 芯片的连接方式同样可采用上述各类键合形式。

晶圆级 MEMS 封装的简化流程如下：若 MEMS 器件与 ASIC 芯片采用直接引线键合，那么 MEMS 器件在自身晶圆完成释放后，可直接划片转移至 ASIC 芯片晶圆；若采用硅通孔或倒装键合方式，则需先完成通孔成型或微凸点制备，再转移至 ASIC 芯片晶圆。随后，将 MEMS 器件与 ASIC 晶圆进行芯片到晶圆（chip-to-wafer，C2W）键合，接着把已键合 MEMS 器件的 ASIC 芯片晶圆与盖帽晶圆进行键合密封，最终划片形成单个封装器件。其他封装形式的实现步骤与此类似。

从上述实例可见，MEMS 晶圆级封装与普通微电子三维封装的核心差异在于盖帽结构。盖帽除了发挥保护、隔离作用或作为被检测量的窗口外，还可作为布线通道。盖帽封装可采用多种技术，包括各类键合技术、薄膜密封技术及聚合物密封技术，其中键合技术目前应用最为广泛。

随着 MEMS 技术的不断发展，对 MEMS 封装技术的研究和创新也将持续深入。未来，我们有望看到更加先进、高效、低成本的 MEMS 封装方案出现，从而推动 MEMS 技术在更多领域的广泛应用。