MEMS惯导—芯片封装有多重要

1、MEMS惯性芯片封装的作用

MEMS芯片封装是将MEMS裸片封装在一个壳体中，从而保护MEMS结构和信号处理单元。封装装配包括如划片、裂片、粘片、裸片间互连、外围接口互连和密封等从圆片加工完到最终密封成产品之间的所有步骤。

MEMS封装成本很高，但对实现预定的性能指标非常关键。但是，为实现传感器的目标性能，不可能对封装特性进行单独测试。通常封装参数对器件功能和可靠性的影响只能通过对最终器件的全面测试和量化表征来反应。封装与传感器设计和测量标定关系密切。包括涉及系统设计、加工工艺和封装专家、测试和标定专家在内的跨学科交叉融合。

惯性MEMS器件对封装有特殊要求，最重要的是实现如下目标：

1）小尺寸和低成本；

2）能够很好的释放封装应力；

3）高可靠性，器件全生命周期内性能稳定；

4）低的热梯度；

5）在振动和冲击作用下，MEMS结构的几何位置和指向不变或者变化足够小。

2、封装材料及结构

MEMS惯性器件常用封装材料包括陶瓷、金属和塑料。然而MEMS惯性器件需要密闭封装（水汽变化对材料内部应力有影响），针对开放MEMS结构，通常是用陶瓷、金属或者它们的组合方式对齐进行封装，这些材料可以防止气体扩散。

MEMS封装可分为空腔型封装和注塑成型封装。金属和陶瓷常用空腔型，在空腔型封装中，裸片只在底面与载体机械连接。在陶瓷腔体内使用胶黏剂将MEMS裸片和ASIC粘到陶瓷衬底上，如图1所示。

图1 陶瓷封装示例

塑料封装常用注塑成型和空腔塑封两种，最便宜的是注塑成型封装，通常引入下沉式引线框（见图2），然而这种下沉式设计将会加剧整个封装结构的不平衡，使得它很容易受温度场变化的影响。相比陶瓷壳体或者非注塑封装，注塑成型封装的应力明显更大，也更难预测。铸模和引线框材料、胶黏剂、封装管壳的尺寸等材料和物理参数都会影响封装应力。

图2 SOIC模压注塑封装示意图

空腔塑封（见图3）通常使用热塑液晶聚合物（LCP）注塑成型。这种材料具有非常明显的收缩特性和各向异性，因此不适合气密封装。

图3 空腔塑封

除了考虑封装类型和结构几何形状外，MEMS惯性器件的最终性能和成本还取决于封装材料特性、材料间相互作用和制作步骤的复杂度。

3、粘片及材料间的相互作用

裸片通常使用胶黏剂粘接在壳体上（粘片），粘片是为裸片提供机械、电学以及热力学的支撑，是外壳和MEMS裸片之间产生应力耦合的最主要的区域之一。裸片和壳体之间的相互作用受组成它们的两种材料以及这两种材料之间的胶黏剂的热膨胀系数（CTE）和弹性系数影响。

表1给出了部分封装材料的热膨胀和弹性模量，但只是常用材料相关的大概数值，并非精确数值。具有相同名称但由不同厂商生产的材料通常特性不尽相同，甚至同一种产品的不同样料的参数出入很大。另外很多对应力评估非常有用的数据通常都找不到，例如弹性模量、黏度的温度系数和弹性的温度系数，需要自己完成对将要使用材料的温度特性研究，如对封装模具材料、塑料胶黏剂以及盖板材料等研究。这为MEMS惯性器件设计以及基于MEMS惯性芯片开发的IMU的性能参数长期稳定带来了很大难度。

表格1 室温下部分封装材料的热膨胀系数和弹性模量

材料	CTE（10e-6/℃）	弹性模量/GPa
硅	2.5	130~190（取决于晶向）
铜	17	110~128
42#合金	4.5~5	144
Al2O3陶瓷	6.5~8.5	270~415
氧化铝（约99%）	6.7	350
7740耐热玻璃	3.1	68
玻璃	9~10	50~90
塑料	13~20	10~25
焊锡胶黏剂	52	24
环氧树脂胶黏剂	25~125	2.5~4
硅凝胶	300（高于Tg）	0.001~0.05

从简化的角度来看，裸片粘接区域可以看成是一个3层复合结构，如图4所示，温度变化时，根据3层结构各自的温度系数不同，3个层面会产生不同的收缩或膨胀。近似的看，整个多层复合结构会随着中性线而弯曲。这样会引起两种主要的不良影响，一个是温度变化会在各层结构之间引起应力，在胶黏剂膜层和附着层的边界会产生内部剪切应力和剥离应力。从而导致胶黏剂和附着层分离。另外MEMS裸片翘曲会导致MEMS结构中产生应力，那么MEMS可动结构到基准面的距离就会发生变化，可能导致电容量、间隙厚度或者其他参数的改变。因此为了减小应力，顶层和底层以及胶黏剂材料的热膨胀系数要尽可能一致。

图4 粘片3层模型和由应力导致的弯曲

4、其他关键因素

1）蠕变：粘合层如果受到一定的压力，就会自发产生剪切应变。不可回复变形或者黏塑性应变（蠕变）可能会使得由应力导致的MEMS特性发生不可预测的长时间变化；

2）温度循环和压力：在温度循环时，材料形变表现出迟滞性；在压力作用下，材料会长期缓慢的变形。这两种情况成为对应力敏感的MEMS惯性器件塑料封装的主要负面影响因素。

另外，键合类型、基底材料、引线框以及胶黏剂材料和几何参数（如厚度），这些材料或者参数的选择对封装器件最终的性能和长期稳定性也有着决定性影响。

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