多功能模塊化MEMS組裝與封裝設(shè)備研究分析

張志能

(深圳大族激光科技股份有限公司，廣東 深圳 518057)

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)在通信、環(huán)境監(jiān)控、生化分析、汽車、航空、航天和國(guó)防等領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。MEMS傳感器與系統(tǒng)的應(yīng)用具有巨大的潛力，將會(huì)有更大的市場(chǎng)增長(zhǎng)。我國(guó)MEMS研究經(jīng)過十多年的發(fā)展，具備了中小批量制造多品種MEMS傳感器的能力。但目前我國(guó)在MEMS從組裝到封裝普遍采用顯微鏡下的手工或半自動(dòng)操作，不利于批量化和產(chǎn)品化，直接影響了MEMS技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，據(jù)統(tǒng)計(jì)，微組裝與封裝的成本占整個(gè)微型化機(jī)電產(chǎn)品成本的60%～80%，對(duì)產(chǎn)業(yè)化有直接的影響。MEMS自動(dòng)化微組裝與封裝設(shè)備已成為我國(guó)MEMS研究開發(fā)與普及應(yīng)用的重要基礎(chǔ)與手段，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、功能和成本，具有重要研究?jī)r(jià)值。

鑒于目前我國(guó)MEMS將在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)處于多品種、中小批量產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段的特點(diǎn)，在MEMS組裝與封裝設(shè)備研發(fā)方面，從適應(yīng)我國(guó)MEMS技術(shù)的國(guó)情和戰(zhàn)略發(fā)展考慮，采用多功能、模塊化技術(shù)，開發(fā)適用于多種MEMS器件、高效率、高質(zhì)量的組裝與封裝柔性自動(dòng)化設(shè)備，符合我國(guó)MEMS技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，是我國(guó)MEMS技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的迫切需求。

1 MEMS組裝與封裝技術(shù)的總體發(fā)展現(xiàn)狀

隨著微納米技術(shù)的發(fā)展，MEMS的研制與開發(fā)成為關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全保障的重要戰(zhàn)略技術(shù)。MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，具有微型化、多樣化、微電子化、集成化的特點(diǎn)，并具有傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如：體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大、易于批量生產(chǎn)等，在通信、環(huán)境監(jiān)控、生化分析、汽車、航空、航天和國(guó)防等領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。自從1987年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校率先研制出轉(zhuǎn)子直徑60～120 μm的硅微靜電電機(jī)以來，MEMS技術(shù)引起了美、歐、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。國(guó)際上MEMS技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，其代表性產(chǎn)品有微型加速度計(jì)、壓力傳感器、數(shù)字微鏡、噴墨打印頭，此外還有微型陀螺儀、化學(xué)流量傳感器、流體泵、微型濕度計(jì)、微型質(zhì)譜儀、功率計(jì)等。圖1給出了幾種典型的MEMS器件。

圖1 幾種典型MEMS器件

MEMS技術(shù)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但MEMS器件與微電子器件相比有較大差別，MEMS器件具有多樣性和復(fù)雜性，主要表現(xiàn)在：(1)功能的多樣性，有光學(xué)MEMS、生物MEMS、射頻MEMS等；(2)結(jié)構(gòu)的多樣性，有二維結(jié)構(gòu)、二維半結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)，還有運(yùn)動(dòng)部件；(3)接口和信號(hào)種類的多樣性，有電接口、光接口、與外界媒質(zhì)的接口；(4)材料的多樣性，包括結(jié)構(gòu)材料、導(dǎo)電材料、功能材料、絕緣材料等。不同的MEMS其結(jié)構(gòu)和功能相差很大，其應(yīng)用環(huán)境、市場(chǎng)需求量也大不相同，最理想的MEMS是它的整體結(jié)構(gòu)，但是，基于不同加工工藝、具有復(fù)雜的幾何尺寸和不同材料的MEMS單元，很難集成在一體?；诂F(xiàn)有MEMS工藝要制作將傳感、驅(qū)動(dòng)和機(jī)械部件融為一體的復(fù)雜微系統(tǒng)很困難。要完成MEMS的最終制作，尤其是三維微系統(tǒng)制作過程，面臨各分體的組裝、封裝以及系統(tǒng)的拆卸等問題。目前，MEMS技術(shù)在設(shè)計(jì)、加工方面得到了快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)國(guó)際上各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都擁有了一批較為先進(jìn)的MEMS設(shè)計(jì)工具和關(guān)鍵加工設(shè)備，初步具備了中小批量制造MEMS芯片的能力，隨著微細(xì)加工工藝的發(fā)展，各種MEMS微小零件被加工出來，這些芯片和零件必須通過組裝和封裝才能構(gòu)成微部件和微系統(tǒng)。通過微系統(tǒng)的組裝與封裝，可以使各元件可靠、在幾何形狀和材料方面毫不緊張地相互聯(lián)接在一起，以確保微系統(tǒng)的性能。因此，從目前MEMS技術(shù)的發(fā)展來看，微組裝與封裝技術(shù)已經(jīng)成為MEMS的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、功能和成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，微組裝與封裝的成本占整個(gè)微型化機(jī)電產(chǎn)品成本的60%～80%，它對(duì)產(chǎn)業(yè)化有直接的影響。因此，MEMS器件芯片制造、組裝與封裝應(yīng)統(tǒng)一考慮。MEMS自動(dòng)化微組裝設(shè)備已成為MEMS研究開發(fā)與普及應(yīng)用的重要基礎(chǔ)與手段。

我國(guó)MEMS技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化單位目前主要集中在研究所和高校，其MEMS研究的品種較多、特異性大，在政府相關(guān)部門的大力支持下，經(jīng)過十多年的發(fā)展，在眾多品種的微型傳感器、執(zhí)行器等方面取得了一定的研究成果，并且初步具備了中小批量制造多品種MEMS芯片的能力。但目前我國(guó)MEMS組裝與封裝設(shè)備技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，典型MEMS器件如：壓力傳感器、微加速度計(jì)、氣體傳感器、微陀螺儀、微光譜儀傳感器等，在組裝和封裝上普遍采用了顯微鏡下的手動(dòng)、半自動(dòng)組裝與封裝設(shè)備，這些手動(dòng)、半自動(dòng)組裝與封裝設(shè)備具有很大的操作靈活性，但是由于需要過多的人工參與，而且沒有考慮MEMS組裝與封裝的特殊要求，其作業(yè)效率低、成品率低、穩(wěn)定性和可靠性差，不利于批量化和產(chǎn)品化，現(xiàn)有的MEMS工藝手段通常沿用集成電路 (IC)制造的裝備和工藝（如高速貼片、自動(dòng)引線鍵合機(jī)），而這些設(shè)備大批量制造的特點(diǎn)一方面器件品種單一、專用性強(qiáng)，不適合我國(guó)目前MEMS多品種、中小批量產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的特點(diǎn)。因此，與目前IC體間的鍵合，又稱硅-玻璃靜電鍵合（如圖2所示）。陽極鍵合具有工藝簡(jiǎn)單、對(duì)鍵合界面要求不高、殘余應(yīng)力小、結(jié)合強(qiáng)度高、密封性和穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于MEMS組裝領(lǐng)域。點(diǎn)膠/貼片技術(shù)常用于部件表面之間的一般連接，如構(gòu)件表面與殼體表面的連接，常用焊料或粘膠劑粘接MEMS芯片。焊料焊接雖然具有很低的熱阻和電阻，但由于焊料焊接部位很硬，不能吸收應(yīng)力，因此，MEMS芯片與外殼的熱膨脹系數(shù)必須匹配，否則在熱沖擊中會(huì)引起芯片破損。使用粘膠劑點(diǎn)膠/貼片與焊料焊接相比，不會(huì)產(chǎn)生剛性封裝問題，由熱循環(huán)和機(jī)械力引起的剪切應(yīng)力大幅減小，是目前的常用方式。封裝技術(shù)一般用于構(gòu)件之間非表面互連，大量應(yīng)用的是芯片焊盤與外引線的連接，目前有引線鍵合和倒裝鍵合兩種方式，引線鍵合目前仍然是實(shí)現(xiàn)該工藝的重要方式，在先進(jìn)的MEMS多芯片封裝、系統(tǒng)級(jí)封裝中引線鍵合技術(shù)發(fā)揮著重要作用。

圖2 壓力傳感器內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)

2 工藝分析

對(duì)于典型MEMS器件，由不同材料、不同結(jié)構(gòu)的元件組裝與封裝在一起。目前，MEMS器件的組裝與封裝多采用鍵合、粘接等方法實(shí)現(xiàn)連接，組裝包括：陽極鍵合、對(duì)準(zhǔn)、貼片等連接方法，封裝包括引線鍵合、倒裝鍵合等互連方法。其典型應(yīng)用對(duì)象為壓力傳感器、微加速度計(jì)、氣體傳感器的組裝與封裝。

2.1 典型壓力傳感器和氣體傳感器工藝

圖3所示為典型高溫壓力傳感器和微加速度計(jì)硅-玻璃鍵合體，圖4為玻璃環(huán)與硅芯片陽極鍵合原理圖。硅/玻璃環(huán)靜電鍵合是指將清洗后的耐高溫硅杯式芯片與玻璃環(huán)陽極鍵合為一體。鍵合前必須將玻璃環(huán)的中心與硅芯片上電橋中心對(duì)準(zhǔn)，保證傳感器的靈敏度和一致性。鍵合條件：加熱溫度：200～450 ℃，加壓力：0.1～0.2 kg，加DC電壓：1 000～1 500 V，鍵合過程中：玻璃環(huán)中的Na+向負(fù)極方向漂移，產(chǎn)生較大的電流脈沖，經(jīng)過25～30 s，電流減小為零，陽極鍵合完成。進(jìn)行點(diǎn)膠、貼片、引線鍵合、殼體安裝，如圖5所示。

圖3 硅-玻璃鍵合體

圖4 陽極鍵合裝置示意圖

圖5 壓力傳感器和微加速度計(jì)組裝與封裝工藝

2.2 氣體傳感器組裝工藝

目前，常用的一氧化碳和甲烷氣體傳感器，采用MEMS加工手段實(shí)現(xiàn)氣體敏感結(jié)構(gòu)體的制作。該傳感器采用Al2O3作為陶瓷基底，采用半導(dǎo)體式氣體傳感器無內(nèi)引線結(jié)構(gòu)制造方法，利用薄膜濺射工藝、真空鍍膜工藝或電鍍工藝等在傳感器結(jié)構(gòu)體上制造金屬薄膜層，同時(shí)將通孔金屬化，以便于外引線柱與金屬薄膜電極焊接，用光刻膠掩膜刻蝕方法在傳感器結(jié)構(gòu)體上制造金屬薄膜內(nèi)電極(相當(dāng)于內(nèi)引線)。可根據(jù)需要制造各種形狀尺寸的金屬膜內(nèi)電極，由于金屬膜與傳感器結(jié)構(gòu)體附著性好，不會(huì)產(chǎn)生脫落和斷裂現(xiàn)象，如圖6所示。氣體傳感器總體采用TO-8封裝形式，如圖7所示。利用微加工工藝制作氣體傳感器結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體尺寸要覆蓋氣敏基座（或標(biāo)準(zhǔn)的電子管殼）的外引線柱，并對(duì)應(yīng)引線柱處微加工大于外引線直徑的通孔，便于外引線柱通過通孔實(shí)現(xiàn)裝配目的。由于結(jié)構(gòu)體與氣敏基座（或標(biāo)準(zhǔn)的電子管殼）安裝，是靠外引線柱通過通孔實(shí)現(xiàn)裝配目的，在通孔和外引線柱連接處，采用導(dǎo)電漿料焊接，焊點(diǎn)十分牢固，這樣制作的氣體傳感器可靠性高于有內(nèi)引線的氣體傳感器。由于陶瓷基微結(jié)構(gòu)體材料上脆性較大，結(jié)構(gòu)體在直徑為10 mm，而厚度僅為0.2 mm，結(jié)構(gòu)體上的通孔直徑僅為2 mm。在氣敏微結(jié)構(gòu)體與氣敏基座安裝過程中，經(jīng)常由于用力過大造成氣敏微結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)的損壞。同時(shí)TO-8封裝形式要求結(jié)構(gòu)體上的8個(gè)通孔與氣敏基座上的8個(gè)引線柱對(duì)準(zhǔn)，手工操作復(fù)雜，效率很低，自動(dòng)化操作需要完成氣敏微結(jié)構(gòu)體與氣敏基座的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、定位和點(diǎn)膠操作。

圖6 氣體傳感器陶瓷基微結(jié)構(gòu)體

圖7 微結(jié)構(gòu)體與氣敏基座組裝

2.3 典型MEMS器件通用組裝與封裝工藝分析

總結(jié)多種MEMS器件完整的組裝與封裝工藝，其基本過程如圖8所示，不同的MEMS器件采用不同的組裝和封裝工藝，圖中不同工藝組合為：

對(duì)于壓力傳感器，采用：

(a)+(b)+(c)+(d)+(e)+(f)+(g)

對(duì)于微加速度計(jì)，采用：

(a)+(b)+(c)+(d)+(e)+(f)+(g)

對(duì)于氣體傳感器，采用：

(a)+(d)+(c)+(e)+(g)

對(duì)于微光譜分析儀，采用：

(a)+(c)+(d)+(e)+(g)

圖8 典型MEMS器件組裝與封裝工藝

3 總體體系結(jié)構(gòu)及研究路線

在分析總結(jié)典型MEMS器件組裝與封裝工藝的基礎(chǔ)上，充分考慮MEMS小批量、多品種、高特異性、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)，基于多功能、模塊化制造的技術(shù)要求，將系統(tǒng)分成三個(gè)模塊來研究，包括組裝模塊、點(diǎn)膠/貼片模塊、封裝模塊。根據(jù)多種典型MEMS器件的不同組裝與封裝工藝需求，三個(gè)單元模塊可分別單獨(dú)使用，也可以組合在一起使用，實(shí)現(xiàn)柔性化制造，模塊間通過物流單元相連接，如圖9所示。

圖9 多功能、模塊化組裝與封裝柔性制造單元總體結(jié)構(gòu)

每個(gè)模塊單獨(dú)控制和運(yùn)行，按照物料輸入、輸送、陽極鍵合/點(diǎn)膠/貼片/引線鍵合操作、輸送、輸出的時(shí)序，針對(duì)不同的典型MEMS器件，規(guī)劃組裝與封裝柔性自動(dòng)化操作工藝時(shí)序，對(duì)每個(gè)模塊內(nèi)部操作進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證高效率操作，確定各單元模塊的最佳配置和組合方式，優(yōu)化設(shè)計(jì)MEMS多功能自動(dòng)化系統(tǒng)的總體方案，通過上層管理系統(tǒng)的規(guī)劃與控制，實(shí)現(xiàn)各單元模塊快速、準(zhǔn)確、有序、協(xié)調(diào)作業(yè)，設(shè)計(jì)可互換的標(biāo)準(zhǔn)化從輸入、輸送、到輸出的物流模塊，從而建立多功能、模塊化的組裝/點(diǎn)膠/貼片/封裝自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

按照總體結(jié)構(gòu)→單元模塊總體設(shè)計(jì)→關(guān)鍵技術(shù)研究→技術(shù)集成→模塊化設(shè)備→系統(tǒng)集成→柔性制造系統(tǒng)的研究路線。

根據(jù)上述總體結(jié)構(gòu)及研究路線，將技術(shù)任務(wù)分解到各個(gè)模塊；根據(jù)各單元模塊技術(shù)要求，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)不同MEMS操作的工藝路線，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，確定各模塊的操作流程，進(jìn)而確定各模塊的組成部件，并進(jìn)行節(jié)拍設(shè)計(jì)，按照技術(shù)指標(biāo)要求，確定運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、操作工具、物流單元技術(shù)等組件的技術(shù)指標(biāo)，包括機(jī)構(gòu)尺寸、機(jī)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)方式、自由度、運(yùn)動(dòng)范圍、速度、精度、載荷等，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，完成單元模塊的總體設(shè)計(jì)。

在上述基礎(chǔ)上，建立多功能、模塊化組裝與封裝柔性制造單元的研究體系，如圖10所示，根據(jù)各模塊的組成和技術(shù)指標(biāo)確定需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：陽極鍵合/點(diǎn)膠/貼片/引線鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化及參數(shù)庫、快速精密定位技術(shù)、模塊化作業(yè)工具、顯微視覺定位技術(shù)、柔性裝夾與輔助機(jī)構(gòu)、自動(dòng)物料輸送機(jī)構(gòu)、陽極鍵合/點(diǎn)膠/貼片/引線鍵合模塊控制技術(shù)。其次，進(jìn)行技術(shù)集成，研制出陽極鍵合/點(diǎn)膠/貼片/引線鍵合模塊化單元設(shè)備，并進(jìn)行批量制造實(shí)驗(yàn)和可靠性測(cè)試。最后，對(duì)模塊進(jìn)行優(yōu)化組合，研制上位機(jī)管理系統(tǒng)，包括人機(jī)交互接口、上位機(jī)作業(yè)規(guī)劃、節(jié)拍控制、狀態(tài)監(jiān)控等技術(shù)，建立MEMS組裝與封裝柔性作業(yè)系統(tǒng)。

圖10 多功能、模塊化組裝與封裝柔性制造單元研究體系結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

綜上所述，陽極化鍵合、點(diǎn)膠、貼片、引線鍵合等組裝與封裝技術(shù)仍然是MEMS產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制過程中不可缺少的主要工藝手段，這些工藝過程的穩(wěn)定性、效率、一致性等直接影響MEMS產(chǎn)品的性能和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。由于沒有針對(duì)MEMS器件設(shè)計(jì)特點(diǎn)的專用設(shè)備出現(xiàn)，現(xiàn)有的MEMS組裝與封裝工藝手段通常沿用IC制造的裝備和工藝（如高速貼片、自動(dòng)引線鍵合機(jī)），而這些設(shè)備大批量制造的特點(diǎn)一方面器件品種單一，限制了MEMS器件設(shè)計(jì)的靈活性，另一方面也使得MEMS小批量多品種的特點(diǎn)無法發(fā)揮；對(duì)于IC設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)的組裝和封裝工藝，只能通過自制一些輔助裝置采用手工操作或半自動(dòng)操作的方式，實(shí)現(xiàn)組裝和封裝（如特種高溫壓力傳感器的陽極化鍵合、三明治結(jié)構(gòu)的MEMS加速度計(jì)鍵合），其效率低、成品率低、可靠性差、質(zhì)量難于控制，不利于科研和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，我國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將處于多品種、高特異性、中小批量產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。隨著我國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快，必須開發(fā)針對(duì)MEMS特點(diǎn)的專用組裝、封裝設(shè)備，以解決柔性制造和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展問題。從適應(yīng)我國(guó)MEMS技術(shù)的國(guó)情和戰(zhàn)略發(fā)展考慮，采用模塊化技術(shù)，研究具有一定通用性的多功能組裝模塊和封裝模塊，并將柔性自動(dòng)化微操作技術(shù)與模塊化MEMS組裝與封裝工藝設(shè)備結(jié)合起來，研究適用于多種MEMS器件、高效率、高質(zhì)量的柔性自動(dòng)化MEMS組裝與封裝關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)MEMS從組裝到封裝的后端制造柔性自動(dòng)化操作的解決方案，符合我國(guó)目前MEMS發(fā)展現(xiàn)狀，可以滿足MEMS技術(shù)發(fā)展的多種需求。