MEMS器件真空封裝工藝研究

楊凱駿，王學軍，井文麗，張建宏，王 寧

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

MEMS技術是一門集光學、機械、電子、控制、材料和化學等多種科技的整合技術，其關鍵技術包括微傳感器、微電子、微制動器和微結構。目前，MEMS芯片的設計與制造技術已經相當成熟，但是，由于MEMS封裝技術的研究明顯滯后，封裝只能單個進行而不能大批量同時生產，因此封裝在MEMS產品總費用中占據70%～80%，封裝技術已成為MEMS生產中的瓶頸。使許多MEMS芯片沒有得到實際應用，限制了MEMS的發展。在MEMS封裝技術中，MEMS真空封裝是一個需要重點研究的課題，因為大多數的MEMS器件都需要真空封裝，這些器件內部都具有可動部件或者真空腔體,只有采用真空封裝,才能獲得較好的性能。目前，吸氣劑方面的研究成果，提高了MEMS器件保持真空度的能力，使真空封裝后MEMS器件保持真空度的能力大幅度提高。

1 MEMS器件空氣阻尼分析

MEMS陀螺儀是典型的在空氣中和真空下封裝后，品質因數相差較大的MEMS器件，以MEMS陀螺儀為例對MEMS器件的空氣阻尼進行具體分析：

MEMS陀螺儀在空氣環境下的品質因數約為150～200，當真空封裝陀螺儀的品質因數達10萬以上時，真空封裝陀螺儀的腔體內氣壓很低。當腔體內氣壓較低時，氣體分子間的碰撞大大減小，甚至于不可能，而氣體阻尼的產生是由氣體分子與振動結構的碰撞而產生的，此時克努森數大于10(Kn＞10)，氣體屬于自由分子流區。自由分子流區的氣體分子的速度分布函數是平衡態的分布，即麥克斯韋分布，即：

式中：n為氣體分子數密度，k為玻耳茲曼常數(k=1.38×10-23J/K)，m為氣體分子質量，T為絕對溫度，μ'、υ'、ω'為分子速度在 x、y、z軸上的 3 個分量。

式中：Rg為氣體常數，ρ=mn為氣體質量密度。同理。阻尼系數為：

式(3)表明，氣體屬于自由分子流區時，作用在微結構上的氣體阻尼系數與氣體分子密度成正比。而溫度不變時，氣體密度與壓強成正比，則腔體內壓強可表示為：

式中，ρ0、P0分別為標準大氣壓時的空氣密度和壓強，P0為真空封裝時封裝管殼內的氣體壓強。對于采用體硅工藝加工的硅微器件，σ=0.8，當品質因數為1.4×105時，腔體內的壓強約為12 Pa。可見，當MEMS陀螺儀的品質因數超過10萬時。腔體內的氣壓很小,，約為幾十帕。腔體內有微量氣體分子的變化都會引起氣壓的較大變化，從而改變陀螺儀的品質因數。

因此，真空封裝技術不僅是提高MEMS陀螺儀性能的關鍵技術之一，還決定了MEMS陀螺儀的可靠性、長期穩定性及其成本。

2 MEMS器件的封裝方法

2.1 圓片級真空封裝

圓片級真空封裝的全部工藝流程都可以在超凈間里完成，這大大提高了MEMS器件的成品率，成功的圓片級封裝將大大降低后續器件級封裝的難度，圓片級封裝是MEMS封裝的發展趨勢。目前，國外關于MEMS真空封裝的研究主要集中在圓片級真空封裝。由于國內缺乏圓片級真空封裝的基礎，包括加工條件、加工工藝和圓片級真空封裝技術的認識深度，因此，國內實現MEMS器件的圓片級真空封裝仍需較長時日。

2.2 芯片級真空封裝

現在國內外的真空封裝技術還很不成熟,存在成本高、可靠性不好等問題。現在國內MENS器件的真空封裝主要還是通過氣密性封裝后，再抽真空來實現，主要方法有：

(1)平行縫焊。平行縫焊是MEMS器件常用的一種封帽方式，平行縫焊是單面雙電極接觸電阻焊。平行縫焊只對局部加熱，封帽過程不會對芯片造成影響。

(2)激光焊。是利用激光束優良的方向性和高功率密度的特點，通過光學系統將激光束聚集在狹小的區域和很短的時間內，使被焊物形成牢固的焊點和焊縫。激光焊能量高度集中和可控，加熱過程高度局部化，不產生熱應力，因此不會對芯片造成影響。

(3)共晶焊。可實現氣體填充或真空封帽。它將焊料放在蓋板和外殼之間施加一定的力并一同加熱，焊料熔融并浸潤焊接區表面，在毛細管力作用下擴散填充蓋板和外殼焊接區之間的間隙，冷卻后形成牢固的焊接。蓋板焊料有金錫、金銻、錫銀銅等。由于吸氣劑激活工藝中需要高溫，因此一般采用共晶金錫(Au/Sn)合金作為焊料。

平行縫焊和激光焊的缺點是：真空度低，帶吸氣劑的器件不能用這兩種方法來焊接。隨著吸氣劑技術的成熟和廣泛使用，此兩種方法已經不能滿足封裝工藝的需要，所以必須用真空共晶的方法來進行MEMS器件的真空封裝。

3 共晶設備用于MEMS的封裝

本課題研制的真空/可控氣氛共晶爐已經廣泛運用于微電子行業的共晶貼片及真空封帽,但是如果直接將此工藝設備用于MEMS器件的真空封裝,還存在以下問題：

(1)MEMS器件的真空度是指封裝完成后，器件內部的真空度。在現有的技術條件下，只能是在外部先把MEMS器件和蓋板對好后，在放到共晶爐里加熱共晶封帽.由于焊料的存在和MEMS器件管殼和蓋板的加工精度等因素的影響，使得MEMS內部并不能達到爐子所抽到的真空度。

(2)吸氣劑的問題。吸氣劑是用來獲得、維持真空以及純化氣體等，能有效地吸著某些(種)氣體分子的制劑或裝置的通稱，它可以通過控制壓力或雜質純度水平來維持合適的器件運行環境(真空環境或惰性氣體環境)，從而能增強最終器件的可靠性并延長其壽命。目前，國外已有將吸氣劑應用于MEMS陀螺儀的成功范例。

但是，目前所用吸氣劑都需要激活，且激活溫度都要高于常用共晶焊料的溫度，所以，在焊接過程中，產生了焊接和吸氣劑激活的矛盾,如果要激活吸氣劑，就會使焊料在高溫下長期處于熔融狀態,影響焊料的物理化學性質，產生漏氣等問。如果只考慮焊料熔化，吸氣劑沒有被有效激活，又不能維持真空。見圖1。

圖1 帶吸氣劑的MEMS器件

綜上所述，現有的共晶設備已經不能滿足MEMS器件的真空封裝工藝，新的封裝工藝流程如圖2所示。

圖2 MEMS器件級真空封裝流程圖

根據新的封裝工藝流程，對共晶設備和共晶夾具做相應改造。如圖3a所示，封裝時帶吸氣劑的蓋板放置于加熱層石墨上，帶預置焊料的管殼倒置于活動層石墨上。如圖3b所示，石墨夾具是可以活動的，分為分離和對位兩種狀態。在爐內運動機構的驅動下，可以在兩種狀態間切換。

設備增加了運動功能，定制夾具放入爐內后，驅動石墨夾具到分離狀態，從爐內左右兩側伸出的隔熱板(如圖4a所示)將蓋板和管殼隔離開來，啟動抽真空、加熱，只加熱位于加熱層的帶吸氣劑的管殼，防止位于管殼上的共晶焊料過早熔化。

圖3 定制石墨夾具

吸氣劑激活后，隔熱板收回。運動機構驅動夾具對位，使管殼和蓋板準確對位(圖4b)。由于抽真空時，管殼和蓋板處于分離狀態，所以對位后管殼內依然保持此時爐體內的真空度。重新啟動加熱后，加熱焊料，使共晶焊料熔化，達到真空封裝的目的。

4 結論

本文對需要真空封裝的MEMS器件從理論上進行分析，得出封裝后管殼內的氣體壓力和品質因數的關系，氣壓越低，MEMS器件的品質因數越高。隨著MEMS器件封裝要求的提高，對已有的共晶設備進行改進，提出了一種可靠的封裝方法，能實現高真空封裝，并且運用吸氣劑技術，使真空度能很好的保持。此方法能大大提高MEMS器件的品質因數。

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