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傳感器技術(6):MEMS壓阻式壓力傳感器倒裝焊封裝的研究和發展
上傳更新:2017-08-15

【學習筆記】傳感器技術(6):MEMS壓阻式壓力傳感器倒裝焊封裝的研究和發展

原創 2017-08-14摘自電子技術應用網

    摘  要: 介紹了倒裝焊接技術在MEMS壓阻式壓力傳感器封裝領域的優勢和目前研制的壓力敏感芯片的倒裝焊的關鍵技術。根據封裝結構設計和基板材料的不同,詳細論述了國內外MEMS壓阻式壓力傳感器倒裝焊技術的研究成果。最后總結了MEMS壓力傳感器倒裝焊技術的發展前景和所面臨的挑戰。

引言

    微機電系統(Microelectromechanical Systems,MEMS)壓力敏感芯片經過幾十年的發展已經相當成熟,但是很多芯片卻沒有作為產品得到實際應用,主要原因是沒有解決了封裝問題,所以必須重視和積極發展MEMS封裝技術[1]。MEMS的封裝既能?;ば酒摯梢允迪中酒朐靨寤宓幕盜雍偷縉覽2]??梢鑰闖齜庾岸源釁韉撓τ檬竅嗟敝匾囊徊?。

    傳統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。倒裝焊技術源于IBM的C4技術(Controlled Collapse Chip Connection),是一種將晶片直接與基板相互連接的先進封裝技術。在封裝過程中,芯片以正面朝下的方式,讓芯片上的結合點透過金屬導體與基板的結合點相互連接的封裝技術,如圖2所示。兩種方式相比,雖然傳統引線鍵合方式的應用已經成熟,但無法實現傳感器的小型化封裝,而倒裝焊接具有短互聯、小面積、立體通道、安裝密度高等許多優異的封裝特性,可以實現小型化封裝。無論從節省工藝成本還是提高系統性能的角度, 倒裝芯片技術都大有前途[3]。

 圖1 傳統的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互連技術示意圖

    壓力傳感器在現代工業生產過程中經常用來檢測設備和產品的性能及參數等,其廣泛應用于各種工業生產、航空航天等各行業[4]。目前國內外在MEMS壓力傳感器的產品主要還是引線鍵合,對倒裝焊的應用還很少。近年來各個國家都在積極研制不同結構設計的倒裝焊,以滿足市場的需求。在不同環境下使用的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 倒裝焊封裝的關鍵技術

    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上進行焊接凸點制作,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具體步驟。

1.1 UBM制備

      多層金屬膜是在芯片上焊盤與凸點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現、互連可靠性更高[5]。只有UBM與芯片焊盤及凸焊點間形成良好的歐姆接觸,才能確保優良的電性能和導熱性能。

      UBM通常由黏附層、擴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、電鍍三種基本方法。2004年華中科技大學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械性能,在進行焊料回流或焊點退火等高溫處理時,能夠保證凸焊點材料不會穿透 UBM 而進入芯片的焊盤中。

1.2 焊接凸點

     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,然后再將倒裝芯片連接到基板上。芯片凸點的高度一般為幾十微米到幾百微米不等,凸點的尺寸小且芯片脆弱易損傷,要保證凸點的一致性有一定的難度[8]。倒裝芯片中凸點不僅可以實現芯片與基板互聯,還提供了芯片的散熱途徑,且對芯片形成了?;9,10]。凸點的制作方法有很多種,包括蒸發、濺射、電鍍、化學鍍、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電膠兩種互連方式,無論哪種互連方式都與凸點的制備有關。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(焊料金屬)時采用,熱壓焊和熱超聲焊在制備了硬凸點(Au/Cu)時采用。臺灣半導體制造有限公司在硅片的銅焊盤上制備了Ti/Cu/Ni的UBM層,應用電鍍法分別使用不同焊料Sn-Ag凸點和Sn-Pb(含鉛)凸點,通過分析測試發現Sn-Ag凸點更具有優越性[11]。導電膠粘接分為各項異性導電膠和各項同性導電膠。各向異性導電膠施加在整個空隙之間,只在垂直方向導電,可以實現小節距工藝(Fine pitch)。各向同性導電膠只加在接觸點空隙之間,一般采用含銀顆粒的環氧樹脂漿液。

 圖3 熱壓超聲焊接示意圖

    最后,再進行底部填充。底部填充可以提供芯片與基板的良好粘接,?;ば酒礱娌皇芪廴?,匹配焊點、基板材料和芯片的熱膨脹系數。但對于MEMS壓力傳感器來說,填滿間隙會影響活動部件的運動,從一定程度上限制了其在MEMS中的應用。

1.3 基板材料選擇

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

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

      倒裝焊的封裝外殼材料分為有機和無機兩種。有機材料主要是印制電路(PCB)板;無機材料主要是陶瓷,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,與硅的熱膨脹系數相近且高頻有效,屬于高強度材料,無論在怎樣的環境下都可以獲得穩定的性能。與有機材料相比,陶瓷材料的特性更為優越。德國慕尼黑大學成功將芯片倒裝焊在HTCC基板上制作了微型麥克風[5]。

2 國內外的研究現狀

     傳統的壓力傳感器的封裝結構,采用引線鍵合結構,隨著市場需求的不斷提高,該結構已經無法滿足壓力傳感器的小型化封裝。倒裝焊接具有高密度,無引線和可靠的優點,為實現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都是由集成電路封裝技術發展和演變而來的,目前集成電路的封裝已經相當成熟,但對于一個壓力傳感器必須始終保持與外界連通,但又要?;て骷怪⒉槐┞陡沽γ澆櫓械哪承┯瀉ξ鎦釋飪遣牧?,立體結構,可靠性的要求決定了MEMS封裝的難點所在[13]。目前對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定性。為了滿足市場不斷更新的需求,相關研究集中在壓力傳感器封裝的材料選擇和結構設計。

     中國電子科技集團公司第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,該倒裝焊結構是在焊接前進行點膠,靠膠粘劑來固定敏感芯片,抗振動和沖擊,這樣焊點僅起導電作用,不是受力部位。試驗證明了此種封裝的可靠性,實現了對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。但這種結構中膠粘劑壓力強度有限,無法實現大壓力差壓傳感器的封裝[14]。

圖4 倒裝焊接后的示意圖

      隨著電子技術的發展,國外對壓力傳感器的倒裝焊封裝已經有了一定的成果,提出了不同的結構設計,使用不同的基板材料,應用在不同場合和溫度下。在2006年Francesca Campabadal 等人設計的壓阻式壓力傳感器,解決了小尺寸和高的互聯線封裝密度的問題,如可以滿足手機的一些微型部件的要求[15]。該設計為正面感壓型倒裝焊封裝結構如圖5所示,采用一個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,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,并用環氧樹脂(OG147-7)密封,另一面的PCB孔上是使用了一個傳感器的蓋子(polyurethane),使氣體壓力通過管子直接到達PCB的鉆孔,對芯片薄膜形成壓力。該傳感器結構具有高靈敏度和穩定的輸出,在結構上實現了小型化。但并不適用于高溫環境下。

 

圖5 壓阻式壓力傳感器芯片倒裝截面圖

      雖然國內外的科研工作者在壓力傳感器的倒裝焊封裝結構的設計方面已經取得了很大的進步,但大部分設計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不同,大部分設計都采用熱膨脹系數與芯片相似的基板材料,但并不是完全相同,會產生相應的殘余應力,使結構的穩定性受到影響。

      2013年德國慕尼黑應用科技大學的T.Waber等人設計出一種壓力傳感器新型的倒裝焊結構,具有低殘余壓力,進一步解決了芯片和基板熱膨脹系數不同的問題。新設計的原理圖如圖6所示[16,17]。將一硅片深腔刻蝕與另一硅片進行鍵合后進行減薄,形成薄膜,薄膜的正面是一個標準的惠斯通電橋,四個電阻條在薄膜的邊緣有最大的應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,其實的凸點由SnAgCu焊料制作。這種新的封裝技術是將芯片倒裝焊在一個銅彈片上。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,通過這個彈性片可以減小由于芯片和基板熱膨脹系數不匹配所產生的應力。同時,該設計將ASIC(專用集成電路)和芯片封裝在同一個管殼里,實現了小型化。

 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展方向

      近年來,國內外的封裝技術飛速發展,封裝的結構形式也更加多樣化。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,對其封裝的難度也隨之增大。對于MEMS壓力傳感器的封裝要解決的問題有很多,比如寄生應力、芯片隔離、氣密性、芯片?;さ?,都需要不斷進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外的研究熱點,特別是對于MEMS壓阻式壓力傳感器中的可動部件,對其進行氣密封裝,可以隔離大氣、灰塵、水汽等污染物,可見密封對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,可以在芯片設計階段就運用數學模型對各個封裝步驟和影響因素進行模擬,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 結束語

      目前,MEMS壓力傳感器的封裝結構不斷趨于小型化,引線鍵合的傳統方式已經不能滿足應用需求,因此人們必然會加快對倒裝焊封裝結構的研究。

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

      通過調研發現,與傳感器本身相比,傳感器的封裝成本約占到60%,甚至80%,必須進一步解決傳感器封裝成本高和穩定性的問題以期實現倒裝焊封裝傳感器的產品化。

 

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