微系统封装培训课件.ppt

1、2022-11-41MEMSMEMS和微系统中都含有一些尺寸在微米级的精密元件。这些元件和微系统中都含有一些尺寸在微米级的精密元件。这些元件如果不封装好就很容易出现故障或者结构损坏。如果不封装好就很容易出现故障或者结构损坏。如何对系统和组件进行可靠的封装是微系统工业面临的主要挑战，如何对系统和组件进行可靠的封装是微系统工业面临的主要挑战，因为微系统的封装技术远没有微电子封装技术成熟。微系统封装因为微系统的封装技术远没有微电子封装技术成熟。微系统封装在广义上讲有在广义上讲有三个主要的任务：装配、封装和测试三个主要的任务：装配、封装和测试，缩写为，缩写为AP&T.AP&TAP&T.AP&T在整个生

2、产成本中在整个生产成本中占有很大的比例占有很大的比例。例如，对于友好。例如，对于友好环境条件下应用的大批量生产的微传感器的钝化塑性封装来说，环境条件下应用的大批量生产的微传感器的钝化塑性封装来说，AP&TAP&T占总成本的占总成本的20%20%，而对于在如高温和有毒的密封媒质中应用，而对于在如高温和有毒的密封媒质中应用的特种压力传感器，的特种压力传感器，AP&TAP&T要高达总成本的要高达总成本的95%95%。对于对于MEMSMEMS和微系统，和微系统，AP&TAP&T成本随产品的不同而不同，目前，这一成本随产品的不同而不同，目前，这一成本成本一般占总成本的一般占总成本的80%80%。更严重的

3、问题是封装通常是导致大多更严重的问题是封装通常是导致大多数微系统失效的原因，数微系统失效的原因，因而在因而在MEMSMEMS和微系统的生产设计和发展中，和微系统的生产设计和发展中，封装技术是一个关键的因素。封装技术是一个关键的因素。一个众所周知的事实是：一个众所周知的事实是：对于对于集成电路封装的目的主要是为了保护硅芯片以及与集成电路封装的目的主要是为了保护硅芯片以及与之相联的引线不受环境的影响，之相联的引线不受环境的影响，对于微系统封装不仅仅是期望被保护的精密元件（例如对于微系统封装不仅仅是期望被保护的精密元件（例如硅芯片）不受恶劣环境破坏，而且同时可让芯片探测环硅芯片）不受恶劣环境破坏，而

4、且同时可让芯片探测环境境。例如，微传感器不仅需要检测诸如从内燃机排放出的气例如，微传感器不仅需要检测诸如从内燃机排放出的气体压力和废气，而且要探测气体的组成。因此，传感器体压力和废气，而且要探测气体的组成。因此，传感器需要暴露在具有很高温度的腐蚀性气体中。在过高温度需要暴露在具有很高温度的腐蚀性气体中。在过高温度和腐蚀性的化学物质中，对硅芯片和精密的传感器及相和腐蚀性的化学物质中，对硅芯片和精密的传感器及相连的引线进行恰当的保护是非常重要的。对工程师们来连的引线进行恰当的保护是非常重要的。对工程师们来说，说，微系统封装比微电子封装面临更多的挑战。微系统封装比微电子封装面临更多的挑战。微电子封装

5、的目的是进行机械保护和电连接，保护精密的集成电路避免机械和环境方面的侵害，并且去除集成电路产生的热。封装所起的另外一个主要作用是保证在期间的内外之间和各组成部分之间的能量传递和信号变换Lyke and Forman 1999。一般电子系统一般电子系统封装等级分为四个封装等级分为四个层次：层次：1 1芯片芯片模块层次，模块层次，即硅片上的集成电即硅片上的集成电路（微电子工业中路（微电子工业中的的L0L0）封装成一个）封装成一个模（模（L1L1）；）；2 2、（、（L2L2）是卡级阶）是卡级阶段，芯片被封装在段，芯片被封装在功能卡片上以发挥功能卡片上以发挥不同的特殊作用；不同的特殊作用；3 3、封

6、装层次（、封装层次（L3L3）涉及到将卡组装成涉及到将卡组装成板；板；4 4、最后一个层次、最后一个层次（L4L4）是将不同的）是将不同的插板组装成系统。插板组装成系统。一般情况下，适合于一般情况下，适合于集成电路中的硅芯片的集成电路中的硅芯片的封装材料有两种：陶瓷封装材料有两种：陶瓷和塑料。陶瓷可以提供和塑料。陶瓷可以提供气密封装，对外界影响气密封装，对外界影响哟较强的抗干扰能力，哟较强的抗干扰能力，有较长的耐久性，但是有较长的耐久性，但是生产陶瓷封装成本高。生产陶瓷封装成本高。塑料虽然成本花费少，塑料虽然成本花费少，但容易受到湿度和温度但容易受到湿度和温度的影响而老化。目前全的影响而老化。

7、目前全球市场上有球市场上有95%95%的微电的微电子芯片是塑封器件子芯片是塑封器件（PEMPEM）。图所示的是）。图所示的是第一级和第二级的微电第一级和第二级的微电子封装技术，子封装技术，这两级封装过程中主要的可靠性问题是：这两级封装过程中主要的可靠性问题是：芯片和钝化开裂芯片和钝化开裂芯片与芯片附着层、垫片之间的分离及塑料老化芯片与芯片附着层、垫片之间的分离及塑料老化连接处的疲劳失效连接处的疲劳失效焊接点的疲劳断裂焊接点的疲劳断裂印刷电路板翘曲印刷电路板翘曲绝大部分的失效归因于过大的热应力，而热应力绝大部分的失效归因于过大的热应力，而热应力是由以下几个主要原因导致的连接材料热膨胀系是由以下几

8、个主要原因导致的连接材料热膨胀系数的不匹配数的不匹配由于热循环和机械振动而导致材料的疲劳断裂由于热循环和机械振动而导致材料的疲劳断裂受到环境（如湿度）的影响，材料强度降低受到环境（如湿度）的影响，材料强度降低微加工工艺产生的内应力和张力微加工工艺产生的内应力和张力目前工业上并没有统一标准的封装材料和封装方法。在工目前工业上并没有统一标准的封装材料和封装方法。在工业生产中，大多数的业生产中，大多数的MEMSMEMS和微系统封装是面向特定应用的。和微系统封装是面向特定应用的。在发表的文献中很少有关于封装在发表的文献中很少有关于封装MEMSMEMS和微系统产品的对策和微系统产品的对策和方法。和方法。

9、在在MEMSMEMS和微系统封装中所面临的主要问题是，这些产品的和微系统封装中所面临的主要问题是，这些产品的核心元件（如微传感器和执行器）通常都是一些精密、复核心元件（如微传感器和执行器）通常都是一些精密、复杂的，由不同物质、不同层所构成的三维几何构型。杂的，由不同物质、不同层所构成的三维几何构型。它们它们通常需要与一些不利的环境和工作介质接触，比如一些高通常需要与一些不利的环境和工作介质接触，比如一些高压、高温液体，有毒的化学物质。压、高温液体，有毒的化学物质。同时，它们被期望可以同时，它们被期望可以产生不同种类信号，例如力学的、生物的、化学的产生不同种类信号，例如力学的、生物的、化学的-正

10、正如在表中所列出的。最终的结果需要被快速转变成电信号如在表中所列出的。最终的结果需要被快速转变成电信号以便快速、精确说明结果的意义。在执行元件方面微系统以便快速、精确说明结果的意义。在执行元件方面微系统封装又给设计工程师提出一个新的问题，那就是静电力或封装又给设计工程师提出一个新的问题，那就是静电力或热动力驱动元件的接口问题热动力驱动元件的接口问题。工程师们需要考虑的主要设计要求：在组件的制造、装配、封装中所需的成本所设计产品可预期的环境影响，例如温度、湿度、化学毒性对产品封装设计中错误操作及偶然事故的充分估计正确选择材料以保证封装的可靠性尽量减少电子引线和连接点，以使引线断裂和产生故障的可能

11、性达到最小 同微电子有四个不同层次的封装等级不同，微系统封装可以分成三类：一级：芯片级二级：器件级三级：系统级 三级封装技术之间的关系如图所示。图中所表示的微系统封装的第一级类似于微电子封装的第一级和第二级，而微系统封装的另外两级则与微电子封装的第三、四级相似芯片级封装包括组装和保护微型装置中众多的细微元件包括压力传感器、悬臂梁、微电极、微通道等41.2 招标文件、中标人的投标文件及评标过程中有关澄清文件均为签订合同的依据。4.1.6企业生产责任制和安全生产规章的内容及制定方法1仪表10.5 卖方在收到通知后二十(20)天内应免费维修或更换有缺陷的货物或部件,如果卖方在收到通知后二十(20)天

12、内未能弥补缺陷，买方可采取必要的补救措施，但其风险和费用将由卖方承担，买方根据合同规定对卖方行使的其他权利不受影响。6、推荐对象须在 35 周岁以下，关键岗位和重要岗位推荐重点为 25-30 周岁的优秀青年，领导岗位推荐的重点为30-35周岁的优秀青年；成为OTC药的直接使用点；（1）客观性原则：评标委员会将按照招标文件的要求，对投标人的投标文件进行认真评审；对投标文件的评审仅依靠投标文件本身，而不依靠投标文件以外的任何因素。22.2 仲裁由合同签订所在地的仲裁机构根据其仲裁规则和程序进行。1、构筑物维护4.1贯彻执行党和国家的各项方针、政策、法规，遵守各项规章制度，认真、细致完成自身的各项本

13、职工作。芯片级封装的主要目标是：保护芯片或其他核心元件避免塑性变形或破裂保护系统信号转换的电路对这些元件提供必要的电和机械隔离确保系统在正常操作和超载状态下的功能实现 器件级封装如图11-5所示，需要包含当地信号调节和处理，大多数情况下，对于传感器和致动器来说要包含电桥和型号调节电路。图1-6所示的就是加速度计的典型器件级封装。对于设计工程师来说，该级封装最大的挑战就是接口问题。接口问题包括以下两方面内容：微型硅片和核心元件的界面与其他封装好的部分的尺寸大小相同这些微型元件在环境中的接口界面，尤其是考虑到诸如温度、压力、工作场合以及接触媒介的毒性等因素系统级封装主要是对芯片和核心元件以及主要的

14、信号处理电路的封装。系统封装需要对电路进行电磁屏蔽、适当的力和热隔离。金属外罩通常对避免机械和电磁影响起到出色的保护作用。系统级封装中的接口问题主要是安装不同尺寸的元件。相对于器件这一级封装，误差是一个更严重的问题。图1-2和图1-22b表示的是压力传感器的系统级封装，而图1-8b所示的是加速度计的系统级封装。7.1 卖方负责办理将货物运抵本标书第二章“前附表”规定的交货地点的一切运输事项，相关费用应包含在合 同总价中。4、设备故障与5S从服务的角度出发，顾客是服务人员的导师，是鞭策者。没有顾客不断升级的要求，服务就会老化和落伍。所以顾客的要求越苛刻，越是一种鞭策，服务才能改善和革新。顾客就是

15、服务人员成长、突破和创新的动力。7.7对违章作业和不遵守站内规章制度的现象有权向站长建议进行处罚，对安全工作有突出贡献的进行奖励。28.2 合同有效期至双方均已完成本合同项下各自的责任和义务止。3、上级团委在配合同级组织人事部门在全面了解的基础上，审定团(总)支部推荐的优秀青年人才，做出推荐决定。同意推荐的优秀青年人才，应报同级党委备案。3配色在玩具城的卖场应该避免设置桌子等物品。因为桌子有棱角，小朋友玩的时候如果不注意就会碰得头破血流。这样，小孩子以后再也不会来，而且还告诉街坊邻居和亲朋好友不再来了。因此，安全性是玩具城服务规划的重点，要提供安全的建筑和设备，尤其不能伤害到孩子。6 统计方法

16、的应用程序2.3对首次充装或检验后首次投入使用的天然气气瓶，应该用天然气对瓶内气体进行抽真空置换后才可以正常使用。生物医学接口光学接口机械接口电机械接口微流体接口 微生物系统作为产品对待受到政府的强制管制。该系统的封装需要与人体系统生物兼容，而且希望其能够在一个特定的使用寿命发挥作用。每一个微生物系统必须满足以下接口的需要：在整个使用周期中能抵抗化学侵蚀当其作为生物传感器时，在受控条件下允许同生物材料混合用作如起搏器的仪器导管时，必须对周围生物细胞环境没有损害和伤害不能引起不希望的化学反应，比如封装器件与接触细胞之间的腐蚀目前有两类MEMS器件：一种是与光的导向器件有关，如微开关的镜子和反射器

17、，如图1-12所示；另一种光学传感器。这两种光学MEMS需要：适合于光束的接收和反射的通道适合于光束的接收和反射的恰当涂覆的表层在器件使用期，保证涂覆表面的质量暴露的表面能够抵抗外部杂质的污染是封装内部避免潮湿，环境潮湿可以导致精细的微型光机械元件的粘附。所有这些需求必须适当地处理，以确保光学MEMS的质量。机械接口涉及到MEMS中可动部分的设计问题。这些部分需要同它们的驱动机构连接起来，而这些装置有热的、流体的和磁的，就像图2-29和图2-31微阀和微泵以及其他微驱动和机器人中所示的那样。不恰当的处理接口会造成微元器件的故障和损坏。一个最明显的例子就是热驱动的微阀和微泵，那里的膜与工作媒质相

18、接触，接口处热接触条件使膜结构中出现额外的应力。接口的机械密封是这类MEMS所要克服的另一个主要问题。电的绝缘、接地和屏蔽是这类MEMS和微系统的典型问题。这些问题在低电压级的系统中表现的更为明显。图10-1中就是一个熟悉的电机械接口设计的例子。为微器件的电接触点和电导体的屏蔽选择合适的材料是封装技术另一个需要考虑的主要问题。这些系统需要精确地流体传送、热和环境的隔离以及混合。应用材料的兼容性，诸如管道的材料与其中流体的兼容性问题是另外一个主要要求。微流体的密封和通道的接触壁与流体之间的接口是相关联的两个主要的封装问题。5.1芯片准备使用一个完整的硅晶片只生产一个芯片或者使用一个晶片制作一个装

19、置，这在MEMS和微系统中是少见的。实际上如图11-6所示微型装置需要成百上千的微小芯片，而这个微型装置是由同一个晶片制作的。这些芯片可以是同一类型和尺寸，如批量制作中那样，或者沿着图中所示的虚线切开制成不同尺寸和形状的芯片（像图中所指出的黑色固体小方块）。如图11-6所示，首先沿着虚线将晶片（在工业技术中叫划片）切开以生产单个芯片。划片时常常将薄晶片固定在粘胶带上，锯条是由金刚石/松脂或金刚石/镍复合材料制成的，微电子工业所采用的标准工艺是在两个芯片之间沿划在晶片上的线切开。芯片的间距根据锯条的厚度来确定，距离来说，当锯条的厚度是20m时，芯片的间距设为50m，切轮的直径为75100mm，通

20、常以3000040000r/min的切割速度将晶片切开。微系统元件的键合比微电子元件的键合困难得多，它是在微系统封装中最具挑战性的问题，这是因为，MEMS和微系统有三维几何结构，且每层由不同材料组成，另一个原因是许多系统包括含流体或受环境排斥的物质。这些介质的密封用到许多键合表面。在许多情况下，键合这些不同类的物质希望可以做到密封，同时为了芯片的隔离在封装面上提供弹性。粘合剂主演用途是将芯片固定在基座上。这种键合技术通常使用两种粘合剂：环氧树脂和硅橡胶。环氧树脂粘接不仅为芯片的封装提供了灵活性，而且能够起到密封的作用。好的键合依赖于适当的表面处理和对固化操作过程的控制，但环氧树脂也容易受到热环

21、境的影响。粘接应该保持在玻璃化转变温度以下，这个温度一般在150170oC之间。在键合表面的弹性是首要条件的情况下，要选用柔软的粘接剂。室温下固化的硅橡胶（RTV）就是其中商业可获得的一种最柔软的芯片粘接材料。这种材料在室温下固化，其柔软的自然属性使得它最适合于做芯片的粘接材料，并且能提够最好的芯片绝缘，但这种材料的防化学侵蚀性能不太好，当它与空气接触时会剥离和脱落，因而不适合于高压应用的场合。通过易熔焊剂可以将硅芯片粘接到基底上或者其他类似的器件上。这种粘接有化学惰性的优点，且具有稳定的密封性。一个好的粘接过程需要表面间有密切的接触。在两个相配的表面都溅射一层几分之一微米的金膜。金-硅系统的

22、标准熔合温度是370oC，一种候选的焊接合金是60Sn-40Pb，它易熔，凝固温度为183oC。钎焊键合的缺点是提高温度是容易发生蠕变。对于大多数材料，包括焊接合金，蠕变发生在同源熔合温度（以热力学温度表示）一半以上的温度。对于硅-金焊接系统，相应的同源融合温度大约是370oC或643K。相应的含金合金熔合温度的一半是322K或49oC。这就意味着硅键合在49oC或高于此温度操作时将导致蠕变变形。（）应收应付报表：包括收款付款情况汇总表、收款付款情况明细表、应收应付账款明细表、超期应收账款明细表、超期应付账款明细表；请您阅读以下案例，并回答相关问题。在工作过程中，服务人员不可避免的要到处走动，

23、因此，走路姿势也是需要加以注意的一个方面。走路的时候，服务人员要抬头挺胸，不要驼背。尤其需要注意的是，服务人员一定要穿大小合适的鞋。竞争性磋商响应人递交响应文件前，应提交规定数额的磋商保证金，保证金金额为人民币40000元（肆万元）；磋商保证金递交截止时间为2016年5月16日下午3:00。31.3 符合性检查是依据招标文件的规定，从投标文件的有效性、完整性和对招标文件的响应程度进行审查，以确定是否对招标文件的实质性要求作出响应。11检验和验收第三条 “推优入党”条件6.2气体充装前应检查气瓶阀门、压力表及连接管线等符合要求，无异常。重庆机电控股（集团）公司推荐优秀青年作为主动向党组织递交了入

24、党申请书的 35 岁以下的团员青年。（1）卖方同意买方退货并向买方退还货物价格相等的款额，同时承担由此发生的一切损失和费用，(12)有权检查承包方的班组管理工作，检查班组台帐（设备台帐、安全台帐、工器具台帐、班组建设台帐、班长日志等）只要5S能彻底实施，任何活动的导入都能轻而易举。因为5S强调的是全体员工必须遵守制定的标准，确实做好自主管理。如果连5S活动所制订的规则都不能遵守的话，制定再多的规定都是多余的。这种工艺对于使硅晶片粘合到薄玻璃或石英衬底上是可靠和有效的，它具有密封性并且是一种便宜的键合方法，该过程如图11-7所示。硅晶片放置在薄玻璃基底的顶部，在温度450900oC之间加直流高压

25、（大约为1000V）。阳极键合技术的主要弊端是被键合的混合体的高宽比不能太大，一个500m厚的硅晶片可以成功键合到7503000m厚的Pyrex玻璃衬底上。硅融融键合（SFB）是一种在不使用中间粘合剂的情况下键合两个硅晶片的有效而可靠的技术。SFB工艺开始必须彻底地清洗键合表面。这些表面必须被抛光，然后再沸腾的硝酸中煮以使它们亲水。这两个表面甚至在室温下就很自然的键合。然而在11001400oC左右的高温下强的键合作用才发生。因此，SFB工艺是一个化学键合过程，并且表面处理在键合的成功中起着关键作用。硅从半导体到导体的转变限制了硅传感元件在高温中应用。SOI工艺对于这个问题的解决一个可行方案。

26、图11-8列出了一个SOI工艺Maluf 2000，这个工艺使用了两个硅基片，其中一片的表面上掺杂有大量的硼原子一产生一层p型硅，另外一片的表面有一层氧化硅的薄膜，如图11-8a所示。硅的熔融键合工艺使得两个衬底粘合在一起，如图11-8b所示。硅的熔融键合工艺使得两个衬底粘合在一起。腐蚀掉键合硅片上裸露的硅后，深掺杂的p型硅区可以作为自停止腐蚀层。因此，这项工艺要么获得在SiO2绝缘体层上有一层薄层p型硅，要么得到SiO2绝缘体在中间的层状结构，如图11-8c所示。这种先键合基底再腐蚀基底的技术称为键合后腐蚀技术。有效地键合技术，如硅熔融键合和SOI技术等工艺都需要500oC以上的高温，这个可

27、能对键合的材料产生不良效果。因此，需要发展一种能在低或适当温度下的键合工艺。这种技术将在特殊的衬底上一层异质结构的薄膜或者在衬底上通过外延沉积薄膜。然后通过提供机械压力把薄膜键合到基底上（受主基底）。用UV激光束穿过施主基底将薄膜通过剥离工艺从基底上分离开来。这种技术能成功的在200oC时把GaN键合到硅晶片上Wong等1999。在这种工艺中，异质 结构的薄膜是常用在 微光学器件中的GaN 材料。通常在Al2O3的 施主基底沉积3m厚 的GaN薄膜，然后在 GaN表面沉积一层 100m厚的Pd薄膜，紧 接着沉积1m厚的In薄 膜，如图11-10a所示。之所以选中这两种金属 薄膜是因为Pd能很好

28、的粘附在大多数半导体上，而In有低的熔点，在100200oC之间。因此，它们能很容易地键合到大多数半导体和聚合体中。铟钯合金的熔点664710oC之间。在受主晶片上（这里是硅）沉积一层Pd薄膜，在施加压力3MPa和200oC条件下施主和受主叠放在一起键合起来。键合过程大约持续30min，然后键合体通过一个输出能量在600mJ/cm2的低功率KrF激光脉冲剥离，激光的波长248nm，脉冲宽度为38ns，如图11-10c所示。激光在GaN和Al2O3接触面上引起裂缝，这样一个GaN固化到硅晶片的键合就完成了。这里键合的媒介是铟钯（PdIn3）薄膜。这项键合技术同样也能应用在GaN与其他基底的键合上

29、，例如GaN和聚合体。引线键合的作用是从核心元件中引入和导出电连接，例如图11-4所示的压力传感器的硅膜，图11-5所示的微加速度计中的执行部分。一般引线材料为金或铝，其他的引线材料包括铜、银和钯，引线的直径在2080m之间。用在IC工业中的引线键合技术可以用在微系统中，在工业上通常有三种引线键合技术被采用：1，热压；2，锲-锲超声引线键合；3，热声键合。热压金属引线键合的原理是将加热过的金属球压接到金属焊盘上，如图11-11所示。在图11-11a中，金属引线通过毛细管键合工具把接头导出到金属焊盘上，引线头被火焰加热到400oC后变成球状，这时一个端部为半球状的工具降下来将球压在焊盘上（图11

30、-11b），一般在40ms的压接后，工具缩回，引线就粘接到焊盘底上了，如图11-11c所示。将引线可靠地键合到平板金属焊盘上涉及两个物理过程：通过工具将球压到焊盘上引起的塑性变形和两种键合材料原子间的融合。不同于热压键合，超声引线键合是一个低温过程。键合工具是一个可以引出导线的锲形体。键合的能量是超声波，它来自于振动锲形体的频率为2060kHz的超声换能器。键合工具平行地移动向焊盘，如图11-12a所示。到达目标焊盘后，锲形工具降到焊盘表面，通过压力作用，超声能量在接触表面上释放出来，于是完成表面键合（图11-12b）。典型的键合时间大约为20ms。这项技术结合了前两种引线键合技术，在适当的温

31、度镀100150oC之间，热压能和超声能一起作用。用毛细工具来提取供球接点。MEMS装置的引线键合经常结合球-锲形或锲-锲接头，如图11-13所示。任何装饰，无论是微传感器还是带阻尼的加速度计，都需要和被测量的媒介接触。许多其他类型的微装置，如在微流体系统的微沟道、阀和管，都需要和工作的流体相接触。无论从保护内部精细的核心元件（如敏感部分、检查阀片）的角度出发，还是从保护保证完成器件正确功能的致动梁的角度出发，所有这些器件和部件都需要通过封装将接触的流体密封起来。微壳用来保护微装置中的精细传感器或执行元件，如图11-15所示。微壳是通过表面微加工技术得到的。工艺过程首先是在被保护的芯片上沉积一

32、层牺牲层，如图11-15a所示。然后在牺牲层上沉积一层壳材料，随后通过一个腐蚀过程去除牺牲层。于是，在芯片和微壳之间产生了一个间隙，如图11-15b所示。其间隙可小到100nm。这项技术依赖于特殊的化学反应来对相配的器件进行密封，如图11-16所示。首先在芯片/基座之上放置一个密封帽，二者之间有一定的间隙。然后整体承受一个化学反应过程，硅帽底部和基座之间生长的SiO2对芯片起到了有效且可靠的密封作用。三维封装方法所需的特点：高的体积效率大容量的层与层间的信号传输适合于很多类型的层能够隔离并且对其中一个基层部分进行修复、维护以及升级适合于多种形态，如模拟、数字、RF功率器件等封装各层间有良好的导

33、热封装的引脚在下一级封装之间高效率的电传递 MEMS（或微系统）和信号处理一起封装成为“芯片实验室”，这种工业产品已经成为现实。图1-6所 示的加 速度计 就是一 个例子。3维封装使得系统更加紧凑，例如在x和y轴方向安置两个力平衡的加速度计，其中一个在另一个的上面，堆积的加速度计再放在信号处理芯片的上面，这个概念如图11-17所示。大多数使用毛细管电泳做生物分析的流体装置采用“芯片实验室”的结构。考虑到价格和可靠性，用尺寸在1m到几毫米之间的元件实现微系统的装配式目前工程师最棘手的问题。微装配的成本高有许多原因，下面是其中主要的几个原因：这类装配缺乏一种标准程序和规则微装配缺乏行之有效的工具在

34、嵌入和装配部件方面微元件的装配大多采用与材料强相关的物理-化学工艺 表11-2用于微系统各种零件的封装材料的总结。表11-3列出了一些常用芯片封装材料的性能。设计分析时，设计工程师应注意芯片键合材料高温时的性能表11-4和表11-5提供了表11-2中所列的钎焊合金和环氧树脂材料与温度相关的性能。用插值法和外推法可确定所给温度和应力范围中或范围外的性能。9.1微系统中的典型信号 信号转换关系到为微系统选择变送器类型和位置的建立与发展策略的问题，这是封装中最关键的因素之一。由传感器芯片产生或输入到致动器的电子或机械信号必须转换为能容易测量和处理的要求形式。各种各样的转换器已被用于这个目的（如图10

35、-2所示）。电信号的形式见表11-6所示。用应变片或压敏电阻改变值的最普遍的方法是使用惠斯登电桥，典型的电桥如图11-21所示。压敏电阻式把感应在微压力传感器膜上的机械压力转换为与其相应的电阻变化。要准确地通过惠斯登电桥测出压敏电阻的阻值改变（由梁上压力引起的），有两点必须特别注意：由于电阻温度系数（TCR）和压敏电阻温度系数（TCP）变化而引起的压敏电阻电阻率变化而导致的偏置调平和温度补偿。由于温度升高，压敏电阻的热膨胀引起的灵敏度归一化、线性化和温度补偿。电容是微系统中常用的变换器和执行器，一个电容容抗变化可通过如图11-25中的简单电路来测量。芯片和基底的准备芯片和基底的准备 封装这一级

36、始于硅芯片的构造和从晶片生产这些芯片。设计工程师必须把使用标准晶片大小及尺寸的限制牢记在心。硅基片或芯片的厚度受所选择的硅片尺寸限制，因而，仔细估计标准晶片能切出的芯片或基底的最大数目是必要地。在把大的晶片切割成小的芯片和基底方面，许多公司有它们自己的工艺步骤。芯片是MEMS器件或微系统正确功能的最关键的部分。芯片是产生或接受信号的元件，封装这些芯片的目的在于是周边和自然环境条件不会对它们预定的机械或电子的性能受到影响。在封装一个微型压力传感器和其他类型的MEMS器件或微系统时，芯片隔离室首先应考虑的事。芯片隔离常常成为封装设计中的一个重要环节。我们以一个典型的微型压力传感器为例来说明这一问题

37、，如图11-26所示。压力传感器的硅芯片需要固定在玻璃基座上（如图11-26a所示）。如图11-26b所示，我们知道芯片、管基固定材料和基座的热膨胀（CTE）系数具有显著不同的量值，个别材料的CTE不同将在芯片中产生相当的热应力。因为热环境而不是被测压力而导致的应力存在于膜中，我们把这些不期望产生的应力称为寄生应力。这些寄生应力会使从变送器输出的信号不正确并在测量结果中产生明显错误。芯片隔离取决于准确的芯片结构和芯片固定的设计。图11-26中的高度H是使芯片免受基片机械和热影响的一个重要参数。H的值越大，膜越有弹性。然而，压力传感器芯片的H尺寸受用来制造硅腔的标准硅片的厚度限制。如图11-27

38、所示，间隙能够加大芯片的隔离，并为芯片提供额外的弹性。但是，这个特殊部分却明显地增加了封装的花费和芯片的整体尺寸。这一步将芯片固定到基座上的键合有关，后者（固定基座）可以是玻璃、陶瓷或金属。芯片的键合需要很好地应用图11-4所述的芯片固定方法。总的来说有三种把芯片固定到固定基座上的方法：氧极键合、钎焊和粘附。将压力传感器芯片从外界的压力环境下保护起来的必要性在4节已讲过了。既然微型传感器中的芯片与上述情况一样，我们可以考虑使用三种常用的方法来保护这种传感器中的芯片Brysek等1991，Schulze 1998。1.气相沉积有机物。用于此用途的材料叫聚对二甲苯。通过在近室温下的LPCVD工艺，

39、这种材料在芯片表面上形成均匀的钝化层。沉积后进行退货处理。通常覆盖层薄于3.5m，可供传感器工作至105oC。覆盖层对装置的工作有负作用，它使隔膜变硬。因而，覆盖层厚度对隔膜弹性的影响是其应用于实际的限制因素。但是，这种技术在传感器中的导线和芯片保护方面很有用。2.覆盖硅树脂凝胶。通常使用的保护芯片的方法是在芯片表面覆盖上硅树脂凝胶，如图11-28所示。凝胶由一类或两类的硅氧烷组成。先在芯片表面施上厚度为毫米级的凝胶，然后固化。这种芯片保护技术很好地应用于许多压力传感器中。凝胶很低的弹性模量是覆盖层对隔膜弹性的影响减至最小，同时保护芯片免于与压力环境直接接触。3.充油不锈钢隔膜。许多时候微型压

40、力传感器是为在几种环境下工作而设计的。压力传感器要抵抗环境中存在的化学物质的高强度侵蚀和破坏。因而有必要把芯片完全从压力环境中隔离出来。例如，用微型压力传感器来测量核爆炸实验中的空气冲击压力。测量压力范围是70kPa350MPa，这相当于1020000g（g为重力加速）的冲击力。除了这些要求高强度的机械性能环境，测量还要适用于有高速灰尘微粒、高强度光线，甚至需要承受几个毫秒内5000oF温度的恶劣环境。这样，有效地封装是唯一能确保这些传感器存在和准确工作的途径。加州的Lucas NovaSensor研究出了在这种极端环境下工作的特殊的压力传感器封装方法，该方法就是使用了充油不锈钢隔膜，如图11

41、-29所示。我们可以从这个图中看到，芯片与连接导线都浸泡在硅油中。由薄不锈钢膜代替接受外界压力，再通过不可压缩的硅油把压应力传送给硅隔膜。不锈钢要设计成在所受应力方面至少不少于硅膜的100倍，以使封装在中间的硅油的热膨胀效应对芯片机械性能的影响较小。封装在内部的油的热膨胀明显能在硅膜上产生不应有的热应力，从而使测量产生错误，由于这个原因，油的容量需保持最小。把低热膨胀材料做成的容积补偿器嵌入封装中以填补芯片与不锈钢之间的空隙。用来传压的油在注入封装之前必须烘烤和出去杂物。这种压力传感器的可测压力达70MPa。然而，相对于该这种特殊传感器的苛刻要求和低需求量，这种封装成本很高。一旦关键的芯片和连接导线被正确地固定在固定基座上，它们就会被集成于钝化塑料（见图1-2右图）、陶瓷（见图1-2中图）或金属包装（见1-2左图）。这一级封装的主要任务是信号转换、芯片同用户需要的连接之间的设计和封装。用塑料压制的微型传感器通常用于一般温度环境，而用金属压制的使用于高温环境。注入压膜主要用于IC生产的塑封，金属封装则还包括焊接和熔接技术。当今对微型器件的封装还没建立实用的标准，实际上每个微系统在最后生产封装都需要一个特别的设计。