【學(xué)習(xí)筆記】傳感器技術(shù)（6）：MEMS壓阻式壓力傳感器倒裝焊封裝的研究和發(fā)展

原創(chuàng) 2017-08-14摘自電子技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)

    摘  要： 介紹了倒裝焊接技術(shù)在MEMS壓阻式壓力傳感器封裝領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和目前研制的壓力敏感芯片的倒裝焊的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基板材料的不同，詳細(xì)論述了國內(nèi)外MEMS壓阻式壓力傳感器倒裝焊技術(shù)的研究成果。最后總結(jié)了MEMS壓力傳感器倒裝焊技術(shù)的發(fā)展前景和所面臨的挑戰(zhàn)。

引言

    微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)壓力敏感芯片經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是很多芯片卻沒有作為產(chǎn)品得到實(shí)際應(yīng)用，主要原因是沒有解決了封裝問題，所以必須重視和積極發(fā)展MEMS封裝技術(shù)[1]。MEMS的封裝既能保護(hù)芯片又可以實(shí)現(xiàn)芯片與載體基板的機(jī)械連接和電氣連接[2]。可以看出封裝對(duì)傳感器的應(yīng)用是相當(dāng)重要的一步。

    傳統(tǒng)壓力傳感器的封裝方式主要是充油隔離式膠粘引絲和裸露式膠粘引絲，如圖1所示。倒裝焊技術(shù)源于IBM的C4技術(shù)(Controlled Collapse Chip Connection)，是一種將晶片直接與基板相互連接的先進(jìn)封裝技術(shù)。在封裝過程中，芯片以正面朝下的方式，讓芯片上的結(jié)合點(diǎn)透過金屬導(dǎo)體與基板的結(jié)合點(diǎn)相互連接的封裝技術(shù)，如圖2所示。兩種方式相比，雖然傳統(tǒng)引線鍵合方式的應(yīng)用已經(jīng)成熟，但無法實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化封裝，而倒裝焊接具有短互聯(lián)、小面積、立體通道、安裝密度高等許多優(yōu)異的封裝特性，可以實(shí)現(xiàn)小型化封裝。無論從節(jié)省工藝成本還是提高系統(tǒng)性能的角度, 倒裝芯片技術(shù)都大有前途[3]。

 圖1 傳統(tǒng)的MEMS壓阻式壓力傳感器引線鍵合示意圖

圖2 MEMS壓阻式壓力傳感器倒裝凸點(diǎn)互連技術(shù)示意圖

    壓力傳感器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常用來檢測(cè)設(shè)備和產(chǎn)品的性能及參數(shù)等，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)、航空航天等各行業(yè)[4]。目前國內(nèi)外在MEMS壓力傳感器的產(chǎn)品主要還是引線鍵合，對(duì)倒裝焊的應(yīng)用還很少。近年來各個(gè)國家都在積極研制不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的倒裝焊，以滿足市場(chǎng)的需求。在不同環(huán)境下使用的MEMS壓力傳感器工作要求不同，以至于基板材料和倒裝焊工藝的選擇也不同。

1 倒裝焊封裝的關(guān)鍵技術(shù)

    倒裝焊封裝工藝的基本步驟：首先在壓力敏感芯片焊盤上制作多層金屬膜(Under Bump Metallurgy，UBM)，然后在UBM上進(jìn)行焊接凸點(diǎn)制作，最后將芯片倒裝焊接在基板上，底部填充固化。下面介紹了其中幾個(gè)具體步驟。

1.1 UBM制備

      多層金屬膜是在芯片上焊盤與凸點(diǎn)之間的一層金屬化層，淀積在芯片焊盤的頂層。由于鋁焊盤不能直接與焊料等材料直接連接，所以制備UBM作為過渡層，使芯片與基板互連工藝更容易實(shí)現(xiàn)、互連可靠性更高[5]。只有UBM與芯片焊盤及凸焊點(diǎn)間形成良好的歐姆接觸，才能確保優(yōu)良的電性能和導(dǎo)熱性能。

      UBM通常由黏附層、擴(kuò)散阻擋層和浸潤層等多層金屬膜組成。目前，采用的沉積方式有濺射、蒸發(fā)、電鍍?nèi)N基本方法。2004年華中科技大學(xué)成功在鋁焊盤上通過濺射方法制備了厚度為0.2/0.3 μm的Ti/Cu，其中Ti為粘附、擴(kuò)散阻擋層，Cu為浸潤焊接層[6，7]。選擇合適的材料才能確保連接有良好的黏附性能和機(jī)械性能，在進(jìn)行焊料回流或焊點(diǎn)退火等高溫處理時(shí)，能夠保證凸焊點(diǎn)材料不會(huì)穿透 UBM 而進(jìn)入芯片的焊盤中。

1.2 焊接凸點(diǎn)

     在制作完成UMB后，要在其上面制備出一定厚度的球形或方形凸點(diǎn)，然后再將倒裝芯片連接到基板上。芯片凸點(diǎn)的高度一般為幾十微米到幾百微米不等，凸點(diǎn)的尺寸小且芯片脆弱易損傷,要保證凸點(diǎn)的一致性有一定的難度[8]。倒裝芯片中凸點(diǎn)不僅可以實(shí)現(xiàn)芯片與基板互聯(lián)，還提供了芯片的散熱途徑，且對(duì)芯片形成了保護(hù)[9，10]。凸點(diǎn)的制作方法有很多種，包括蒸發(fā)、濺射、電鍍、化學(xué)鍍、釘頭法等不同方法。其中電鍍法較為常用。

      倒裝焊接有焊料和導(dǎo)電膠兩種互連方式，無論哪種互連方式都與凸點(diǎn)的制備有關(guān)。焊料互連一般采用回流焊、熱壓焊和熱超聲焊，如圖3所示。其中回流焊一般在制備了軟凸點(diǎn)(焊料金屬）時(shí)采用，熱壓焊和熱超聲焊在制備了硬凸點(diǎn)（Au/Cu)時(shí)采用。臺(tái)灣半導(dǎo)體制造有限公司在硅片的銅焊盤上制備了Ti/Cu/Ni的UBM層，應(yīng)用電鍍法分別使用不同焊料Sn-Ag凸點(diǎn)和Sn-Pb(含鉛)凸點(diǎn)，通過分析測(cè)試發(fā)現(xiàn)Sn-Ag凸點(diǎn)更具有優(yōu)越性[11]。導(dǎo)電膠粘接分為各項(xiàng)異性導(dǎo)電膠和各項(xiàng)同性導(dǎo)電膠。各向異性導(dǎo)電膠施加在整個(gè)空隙之間，只在垂直方向?qū)щ?，可以?shí)現(xiàn)小節(jié)距工藝(Fine pitch)。各向同性導(dǎo)電膠只加在接觸點(diǎn)空隙之間，一般采用含銀顆粒的環(huán)氧樹脂漿液。

 圖3 熱壓超聲焊接示意圖

    最后，再進(jìn)行底部填充。底部填充可以提供芯片與基板的良好粘接，保護(hù)芯片表面不受污染，匹配焊點(diǎn)、基板材料和芯片的熱膨脹系數(shù)。但對(duì)于MEMS壓力傳感器來說，填滿間隙會(huì)影響活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，從一定程度上限制了其在MEMS中的應(yīng)用。

1.3 基板材料選擇

      影響MEMS壓力傳感器倒裝焊還有一個(gè)重要因素：熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）[12]。

     芯片和基板的熱膨脹系數(shù)是不同的，芯片倒裝焊在基板上，通過焊接凸點(diǎn)使得芯片上產(chǎn)生一定的應(yīng)力,所以基板外殼材料的選擇直接關(guān)系著倒裝焊接的殘余應(yīng)力大小。

      倒裝焊的封裝外殼材料分為有機(jī)和無機(jī)兩種。有機(jī)材料主要是印制電路（PCB）板；無機(jī)材料主要是陶瓷，有低溫共燒陶瓷（LTCC）、高溫共燒陶瓷（HTCC）、氮化鋁陶瓷（ALN)等。陶瓷材料的楊氏模量高不易變形，與硅的熱膨脹系數(shù)相近且高頻有效，屬于高強(qiáng)度材料，無論在怎樣的環(huán)境下都可以獲得穩(wěn)定的性能。與有機(jī)材料相比，陶瓷材料的特性更為優(yōu)越。德國慕尼黑大學(xué)成功將芯片倒裝焊在HTCC基板上制作了微型麥克風(fēng)[5]。

2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

     傳統(tǒng)的壓力傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，采用引線鍵合結(jié)構(gòu)，隨著市場(chǎng)需求的不斷提高，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足壓力傳感器的小型化封裝。倒裝焊接具有高密度，無引線和可靠的優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化封裝開辟了一條新路。MEMS壓力傳感器的封裝技術(shù)都是由集成電路封裝技術(shù)發(fā)展和演變而來的，目前集成電路的封裝已經(jīng)相當(dāng)成熟，但對(duì)于一個(gè)壓力傳感器必須始終保持與外界連通，但又要保護(hù)器件使之并不暴露給壓力媒介中的某些有害物質(zhì)外殼材料，立體結(jié)構(gòu)，可靠性的要求決定了MEMS封裝的難點(diǎn)所在[13]。目前對(duì)于壓力傳感器的倒裝焊封裝的研究很少，各國都在積極尋找可行有效的解決辦法，努力提升傳感器封裝的穩(wěn)定性。為了滿足市場(chǎng)不斷更新的需求，相關(guān)研究集中在壓力傳感器封裝的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

     中國電子科技集團(tuán)公司第48研究所提出了一種壓力敏感芯片的倒裝焊接封裝，將背面感壓絕壓型敏感芯片使用純金凸點(diǎn)和柯伐合金引腳，采用超聲熱壓焊與基座形成剛性連接，如圖4所示，該倒裝焊結(jié)構(gòu)是在焊接前進(jìn)行點(diǎn)膠，靠膠粘劑來固定敏感芯片，抗振動(dòng)和沖擊，這樣焊點(diǎn)僅起導(dǎo)電作用，不是受力部位。試驗(yàn)證明了此種封裝的可靠性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕壓壓力傳感器的無引線封裝，大大縮小了傳感器的體積，為壓力傳感器的小型化開辟了道路。但這種結(jié)構(gòu)中膠粘劑壓力強(qiáng)度有限，無法實(shí)現(xiàn)大壓力差壓傳感器的封裝[14]。

圖4 倒裝焊接后的示意圖

      隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國外對(duì)壓力傳感器的倒裝焊封裝已經(jīng)有了一定的成果，提出了不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用不同的基板材料，應(yīng)用在不同場(chǎng)合和溫度下。在2006年Francesca Campabadal 等人設(shè)計(jì)的壓阻式壓力傳感器，解決了小尺寸和高的互聯(lián)線封裝密度的問題，如可以滿足手機(jī)的一些微型部件的要求[15]。該設(shè)計(jì)為正面感壓型倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用一個(gè)FR-4型的PCB板并在其中間鉆孔，芯片的背面深刻蝕與Pyrex玻璃鍵合。采用回流焊工藝制備Sn/Pb（63/37)焊接凸點(diǎn)，把芯片正面朝下與PCB板上的金焊盤連接起來厚度為100 ?滋m,并用環(huán)氧樹脂（OG147-7)密封，另一面的PCB孔上是使用了一個(gè)傳感器的蓋子（polyurethane)，使氣體壓力通過管子直接到達(dá)PCB的鉆孔，對(duì)芯片薄膜形成壓力。該傳感器結(jié)構(gòu)具有高靈敏度和穩(wěn)定的輸出，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了小型化。但并不適用于高溫環(huán)境下。

圖5 壓阻式壓力傳感器芯片倒裝截面圖

      雖然國內(nèi)外的科研工作者在壓力傳感器的倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但大部分設(shè)計(jì)都是將芯片與基板之間粘接或焊接在一起，由于兩者的熱膨脹系數(shù)不同，大部分設(shè)計(jì)都采用熱膨脹系數(shù)與芯片相似的基板材料，但并不是完全相同，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的殘余應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到影響。

      2013年德國慕尼黑應(yīng)用科技大學(xué)的T.Waber等人設(shè)計(jì)出一種壓力傳感器新型的倒裝焊結(jié)構(gòu)，具有低殘余壓力，進(jìn)一步解決了芯片和基板熱膨脹系數(shù)不同的問題。新設(shè)計(jì)的原理圖如圖6所示[16，17]。將一硅片深腔刻蝕與另一硅片進(jìn)行鍵合后進(jìn)行減薄，形成薄膜，薄膜的正面是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的惠斯通電橋，四個(gè)電阻條在薄膜的邊緣有最大的應(yīng)力以便獲得最大的靈敏度，芯片上的焊盤為鋁焊盤，UBM是由Ti，Ni，Cu，Au形成，其實(shí)的凸點(diǎn)由SnAgCu焊料制作。這種新的封裝技術(shù)是將芯片倒裝焊在一個(gè)銅彈片上。銅彈片通過表面貼裝元件(SMD)安裝在陶瓷(HTCC)腔室的底部。壓力敏感芯片通過無鉛焊料倒裝焊在銅彈性片上，通過這個(gè)彈性片可以減小由于芯片和基板熱膨脹系數(shù)不匹配所產(chǎn)生的應(yīng)力。同時(shí)，該設(shè)計(jì)將ASIC(專用集成電路)和芯片封裝在同一個(gè)管殼里，實(shí)現(xiàn)了小型化。

 圖6 傳感器芯片和ASIC倒裝焊接封裝

3 MEMS壓力傳感器封裝的發(fā)展方向

      近年來，國內(nèi)外的封裝技術(shù)飛速發(fā)展，封裝的結(jié)構(gòu)形式也更加多樣化。MEMS壓力傳感器都是尺寸極小的精密元件，其封裝尺寸也在不斷趨于小型化，對(duì)其封裝的難度也隨之增大。對(duì)于MEMS壓力傳感器的封裝要解決的問題有很多，比如寄生應(yīng)力、芯片隔離、氣密性、芯片保護(hù)等，都需要不斷進(jìn)行研究以期更好的解決[18，19]。近年來MEMS傳感器的氣密性封裝成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，特別是對(duì)于MEMS壓阻式壓力傳感器中的可動(dòng)部件，對(duì)其進(jìn)行氣密封裝，可以隔離大氣、灰塵、水汽等污染物，可見密封對(duì)提高傳感器的可靠性和使用壽命有幫助。另一方面，MEMS壓力傳感器的封裝，可以在芯片設(shè)計(jì)階段就運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)各個(gè)封裝步驟和影響因素進(jìn)行模擬，然后選出最合適的封裝材料并且制定最佳的工藝方案[11，20]。

4 結(jié)束語

      目前，MEMS壓力傳感器的封裝結(jié)構(gòu)不斷趨于小型化，引線鍵合的傳統(tǒng)方式已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需求，因此人們必然會(huì)加快對(duì)倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)的研究。

      本文總結(jié)了MEMS壓力傳感器的基本工藝步驟，分析了國內(nèi)外幾種最新的MEMS壓力傳感器的倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)，這幾種結(jié)構(gòu)各具特點(diǎn)，可用于不同的環(huán)境下。與國外相比，國內(nèi)在這方面的研究還有一定的差距，已經(jīng)有很多大學(xué)和研究所在加快開展這方面的研究工作。

      通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與傳感器本身相比，傳感器的封裝成本約占到60％，甚至80％，必須進(jìn)一步解決傳感器封裝成本高和穩(wěn)定性的問題以期實(shí)現(xiàn)倒裝焊封裝傳感器的產(chǎn)品化。

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