MEMS封装技术

MEMS封装是在微电子封装技术基础上发展起来的一项关键的MEMS技术.首先提出了MEMS封装设计的一些基本要求,包括封装等级、封装成本、环境影响、接口问题、外壳设计以及热设计等方面.在此基础上,介绍了键合技术、倒装芯片技术、多芯片封装以及3D封装等几种重要的MEMS封装技术,并给出了一个封装实例.最后进一步探讨了MEMS封装的发展趋势及研究动向.     

基于中间硅片厚度可控的三层阳极键合技术

三层键合Glass-Silicon-Glass(GSG)结构在光MEMS、微惯性器件、微流体芯片、射频MEMS以及低成本圆片级封装技术领域里是一项重要技术.基于MEMS精密研磨抛光工艺和阳极键合,结合新型玻璃通孔的腐蚀工艺,开展了中间硅片厚度可控的三层阳极键合工艺研究,成功制备了带有通孔的GSG微流体器件.总厚度1360μm,中间硅片厚度60μm,通孔直径100μm,孔间距(圆孔的中心距离)200μm,孔内边缘圆滑无侧蚀.三层结构的键合几率为90%,为探索多层键合技术打下坚实基础.     

光电信息技术的某些发展前沿

本文着重如下内容 :1.波长路由在光互连中的应用 :提出适用于环网的光互连接口 (OII)组件和波长路由交换器件 (WRS)的设计 .网络为多层结构 ,第一层为λ1子环网 (RSN) ,第二层为λ2 子环网等 ,层间通过 WRS连接 .2 .微机电系统 (MEMS)可能在下一代通信网络中占重要地位 :随着信息技术的发展 ,使微电子信息处理向系统级芯片技术发展 ,从微型化或性能价格比来看 ,把信息获取、处理和执行集成在一起的微机电系统 (MEMS) ,特别是光机电一体化集成芯片 ,或称为微光机电系统 (OpticalMEMS或 MOEMS)是很合理的 .3.结合光通信中 WDM技术的发展 ,研究了用用一块光栅模板在 Tal-bot干涉仪上刻写多种频率的光纤 Bragg光栅 .     

MEMS矢量水听器声压通道封装技术研究

为了更全面地获取水下声场信息,微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)矢量水听器常需集成声压敏感通道来提升单个换能器性能,MEMS矢量水听器的敏感芯片采用的是MEMS工艺制备完成,其封装必须与水隔离,传统的橡胶灌封方式会破坏MEMS敏感芯片的机电性能,故MEMS敏感芯片常采...     

基于粘附剂键合的圆片级MEMS塑料封装技术

设计了一套采用聚合物粘附剂(Epo-Tek301)键合的圆片级MEMS塑料(polymethyl methac- rylate)封装方法.塑料封装封盖采用热压成型,激光划片形成4寸圆片.封盖和衬底键合工艺的粘附剂优化厚度为12μm,键合过程中不需要加压加温.测试结果显示该工艺的键合强度(1.3～1.6Mpa)可以满足一般封装需要,而所带入的应力也很小.划片采用分开划片:封盖采用激光划片而硅衬底采用机械划片.该方法封装的微流体芯片已经顺利测试和应用.由于工艺简单,成本低廉,该技术除了用于MEMS封装应用,也可作为划片测试保护.     

一种MEMS结肠癌细胞捕获芯片研究

癌症是影响人类健康的重大疾病之一,如何快速、方便地分离癌细胞已经成为制约临床医学和科学研究的重要问题.本文将磁珠技术与MEMS技术相结合,提出了一种等边三角排列的Ni微磁柱结构,在磁场作用下使用CD326免疫磁珠捕获结肠癌细胞.本文对MEMS细胞捕获芯片进行了设计、加工和封装,采用该芯片对与磁珠结合的结肠癌细胞进行了捕...     

一种硅埋置型微波多芯片组件封装的电性能

研究了一种基于体硅工艺和BCB厚膜布线技术的微波多芯片组件新封装结构,将特定组件中多个微波芯片埋置在接地金属化的硅腔体中,通过热压焊金凸点将芯片垂直引出,并于其上布置多层BCB/Au微波传输线,层问互连则连采用电镀金凸点为通柱.对封装中各微波信号通路的电学性能、封装环境对芯片电学功能的影响和可集成于封装中的Ku波段带通滤波器进行了模拟与优化研究.     

基于PDMS的芯片电极多层互连系统的研究

本文提出了一种基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)基底的芯片电极多层互连方法,应用MEMS(微电子机械系统)技术将芯片和电极进行了芯片级的互连,系统集成度高,尺寸小。相比传统的单层互连方法,在相同面积上互连电极数多。并且使用PDMS作为基底材料,大大降低了传统的以硅为基底的加工成本。制备的芯片电极多层互连系统芯片和电极互连数量多,各层绝缘层为绝缘性能良好的柔性Parylene(聚对亚苯基二甲基)薄膜,为柔性多层高密度线路互连技术提供了一种新方法。     

一种基于QCM的液相混合微芯片的制作与应用

生物定量检测中,生物样品是否均匀混合的研究意义重要。石英晶体微质量天平(QCM)因其振幅谐振机理,而具备优异的超声混合性能。本文结合微电子机械系统(MEMS)工艺,利用双面曝光、QCM预支撑和120℃长时间烘胶等改进方法,制备了尺寸可控、表面平整、结合紧密的SU-8芯片主体结构,利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装获得完整的液相混合微芯片,最后利用罗丹明B荧光染料和SiO2纳米球对芯片的混合性能进行了表征。同时,本文提供了一种小体积、便捷、通用性好的液相混合微芯片的制备方法。     

基于Sn/Bi合金的低温气密性封装工艺研究

研究了采用Sn/Bi合金作为中间层的键合封装技术.通过电镀的方法在基片上形成Cr/Ni/Cu/Sn、芯片上形成Cr/Ni/Cu/Bi多金属层,在513K、150Pa的真空环境中进行共晶键合,键合过程不需使用助焊剂,避免了助焊剂对微器件的污染.实验表明:这种键合工艺具有较好的气密性,键合区合金层分布均匀,无缝隙、气泡等缺陷,键合强度较高,能够满足电子元器件和微机电系统(MEMS)可动部件低温气密性封装的要求.     

A Novel Approach for Micro-electro-mechanical System(MEMS) Vacuum Packaging

MEMS vacuum packaging is now the impedimeut of the MEMS appliance in some specified fields. The major problem of current packaging approach is that the packaging process cannot meet the requirement of the ultra low leak. But the process cannot be improved with the existing technology. We propose a novel approach for MEMS vacuum packaging which can remarkably lower the leak rate. This paper analyzed the vacuum maintaining time of the vacuum packaging and compared the current design and new packaging method.     

圆片级气密封装及通孔垂直互连研究

提出了一种新颖的圆片级气密封装结构.其中芯片互连采用了通孔垂直互连技术:KOH腐蚀和DRIE相结合的薄硅晶片通孔刻蚀技术、由下向上铜电镀的通孔金属化技术、纯Sn焊料气密键合和凸点制备相结合的通孔互连技术.整个工艺过程与IC工艺相匹配,并在圆片级的基础上完成,可实现互连密度200/cm2的垂直通孔密度.该结构在降低封装成本,提高封装密度的同时可有效地保护MEMS器件不受损伤.实验还对结构的键合强度和气密性进行了研究.初步实验表明,该结构能够满足MIL-STD对封装结构气密性的要求,同时其焊层键合强度可达8MPa以上.本工作初步在工艺方面实现了该封装结构,为进一步的实用化研究奠定了基础.     

紫外固化技术在微型直接甲醇燃料电池封装中的应用

为了提高燃料电池的有效面积比并减少封装用时,采用紫外固化技术成功封装了微型直接甲醇燃料电池.首先基于非硅MEMS工艺制作了带有封装孔的燃料电池集流板,然后组装燃料电池并在封装孔和两集流板间缝隙中注入紫外固化胶,最后用紫外灯照射30s完成封装.实验结果显示,电池在室温、全被动、3mol/L甲醇的条件下,峰值功率密度为2.1mW/cm^2,内阻为800mΩ.cm^2.这说明紫外固化封装技术对微型直接甲醇燃料电池来说是一种有效的方法,并有望应用于其他MEMS器件的封装.     

Progress in Microelectromechanical Systems

Abstract:  Recent advances in microelectromechanical systems (MEMS) technology have led to the development of a multitude of new devices heretofore impossible. However, applications of these devices are still hampered by challenges posed by their integration and packaging. The current trend in micro/nanosystems is to produce ever smaller, lighter and more capable devices at a lower cost than ever before. In addition, the finished products have to operate at very low power and in very adverse conditions while ensuring durable and reliable performance. Some of the new devices have been developed to function at high operational speeds, and others to make accurate measurements of operating conditions of specific processes. Regardless of their applications, the devices have to be packaged to facilitate their use. MEMS packaging, however, is application-specific and, usually, has to be developed on a case-by-case basis. To facilitate advances of MEMS, educational programmes have been introduced addressing all aspects in their development. This paper addresses progress in MEMS by presenting pertinent aspects in a development of MEMS including, but not limited to, design, analysis, fabrication, characterisation, packaging, and testing. This presentation is illustrated with selected examples.     

Failure Analysis of Thermal Actuators,Comb Drives,and Other Microelectromechanical Elements

This paper reports on an investigation in which several standard Microelectromechanical Systems (MEMS) elements consisting of thermal actuators, inchworm drives, and comb drives were subjected to vibration loading representative of the environment seen in space applications. Finite-element analysis of the MEMS devices showed that sufficient margins existed under the expected environmental loading. Vibration testing, however, resulted in several failures in the devices, and analysis showed that progressive failure initiated from large local displacements. Debris transport and entrapment was another source of failure leading to shorting of thermal actuators. The results illustrate the importance of debris control and packaging design for reliable MEMS operation. Suggestions for improving the reliability of MEMS devices through practical layout and packaging guidelines are made.     

微机电系统的发展及其应用

微机电系统是在微电子技术基础上产生和发展起来的多学科交叉的前沿科学研究领域，是面向21世纪的高新科技．介绍了微机电系统产生的背景影响、组成特征和基础研究内容，综述了微机电系统技术基础所涉及的材料、微机械设计和模、微细加工技术以及微封装与测试等领域，并对微机电系统的应用、典型的微器件、国内外的发展现状及前景进行全面分析．在此基础上，论述了MEMS技术目前存在的问题和未来发展的趋势．     

用于微电子机械系统封装的体硅键合技术和薄膜密封技术

对静电键合、体硅直接键合和界面层辅助键合等三种体硅键合技术，整片操作、局部操作和选择保护等三种密封技术，以及这些技术用于微电子机械系统的密封作了评述，强调在器件研究开始时应考虑封装问题，具体技术则应在保证器件功能和尽量减少芯片复杂性两者之间权衡决定。     

影响微电子机械系统成品率和可靠性和粘合力和磨擦力

章评述了影响微电子机械系统（MEMS）成品率和可靠性的粘合力和摩擦力问题。在用氢氟酸（HF）腐蚀牺牲层、释放多晶Si微结构、干燥时,由于Si片表面薄层水的表面张力使两片亲水、间隙在微米量级的Si片粘合起来,称为“释放有关粘合”。粘合也发生在封装后器件中,当输入信号过冲时,由于Si片表面的化学状态将Si片粘合起来,称为“使用中粘合”。解决粘合的最好办法是：在MEMS微结构的表面涂以抗粘合薄膜,将成品器件在干燥气氛下封装。介绍了抗粘合薄膜的制备工艺和目前存在的问题。相比之下,具有高速运动的MEMS,其摩擦力问题更为复杂。应和抗粘合薄膜,解决了粘合,也降低了摩擦力,但摩擦依然存在。摩擦带来磨损,降低器件可靠性和寿命。寻找既抗粘合、又耐磨的薄膜,是解决高速运动MEMS可靠性和寿命的一个关键。