MEMS器件真空封装工艺研究

sukiyaki

前言

MEMS 技术是一门集光学、机械、电子、控制、材料和化学等多种科技的整合技术，其关键技术包括微传感器、微电子、微制动器和微结构。目前，MEMS 芯片的设计与制造技术已经相当成熟，但是，由于MEMS 封装技术的研究明显滞后，封装只能单个进行而不能大批量同时生产，因此封装在MEMS 产品总费用中占据70％～80％，封装技术已成为MEMS 生产中的瓶颈。使许多MEMS 芯片没有得到实际应用，限制了MEMS 的发展。在MEMS 封装技术中，MEMS 真空封装是一个需要重点研究的课题，因为大多数的MEMS 器件都需要真空封装，这些器件内部都具有可动部件或者真空腔体,只有采用真空封装,才能获得较好的性能。目前，吸气剂方面的研究成果，提高了MEMS 器件保持真空度的能力，使真空封装后MEMS 器件保持真空度的能力大幅度提高。

MEMS器件空气阻尼分析

MEMS 陀螺仪是典型的在空气中和真空下封装后，品质因数相差较大的MEMS 器件，以MEMS陀螺仪为例对MEMS 器件的空气阻尼进行具体分析：

MEMS 陀螺仪在空气环境下的品质因数约为150～ 200，当真空封装陀螺仪的品质因数达10 万以上时，真空封装陀螺仪的腔体内气压很低。当腔体内气压较低时，气体分子间的碰撞大大减小，甚至于不可能，而气体阻尼的产生是由气体分子与振动结构的碰撞而产生的，此时克努森数大于10 (Kn ＞ 10)，气体属于自由分子流区。自由分子流区的气体分子的速度分布函数是平衡态的分布，即麦克斯韦分布，即：

式中：n 为气体分子数密度，k 为玻耳兹曼常数( k= 1.38 × 10-23 J/K) ，m 为气体分子质量，T 为绝对温度，μ'、υ'、ω' 为分子速度在x、y、z 轴上的3 个分量。假设活动结构以U 的速度运动通过静止气体，且U 与结构表面法向量垂直，气体分子与结构表面碰撞时，分子发生漫反射和镜面反射。设在结构表面分子有σ部分漫反射，而(1- σ)部分作镜面反射，作用在微结构上的剪应力为：

式中：Rg 为气体常数，ρ= mn 为气体质量密度。同理。阻尼系数为：

式(3) 表明，气体属于自由分子流区时，作用在微结构上的气体阻尼系数与气体分子密度成正比。而温度不变时，气体密度与压强成正比，则腔体内压强可表示为：

式中，ρ0、P0 分别为标准大气压时的空气密度和压强，P0 为真空封装时封装管壳内的气体压强。对于采用体硅工艺加工的硅微器件，σ= 0.8，当品质因数为1.4×105 时，腔体内的压强约为12 Pa。可见，当MEMS 陀螺仪的品质因数超过10 万时。腔体内的气压很小，约为几十帕。腔体内有微量气体分子的变化都会引起气压的较大变化，从而改变陀螺仪的品质因数。

因此，真空封装技术不仅是提高MEMS 陀螺仪性能的关键技术之一，还决定了MEMS 陀螺仪的可靠性、长期稳定性及其成本。

MEMS器件的封装方法

1 圆片级真空封装

圆片级真空封装的全部工艺流程都可以在超净间里完成，这大大提高了MEMS 器件的成品率，成功的圆片级封装将大大降低后续器件级封装的难度，圆片级封装是MEMS 封装的发展趋势。目前，国外关于MEMS 真空封装的研究主要集中在圆片级真空封装。由于国内缺乏圆片级真空封装的基础，包括加工条件、加工工艺和圆片级真空封装技术的认识深度，因此，国内实现MEMS 器件的圆片级真空封装仍需较长时日。

2 芯片级真空封装

现在国内外的真空封装技术还很不成熟,存在成本高、可靠性不好等问题。现在国内MENS 器件的真空封装主要还是通过气密性封装后，再抽真空来实现，主要方法有：

(1) 平行缝焊。平行缝焊是MEMS 器件常用的一种封帽方式，平行缝焊是单面双电极接触电阻焊。平行缝焊只对局部加热，封帽过程不会对芯片造成影响。

(2) 激光焊。是利用激光束优良的方向性和高功率密度的特点，通过光学系统将激光束聚集在狭小的区域和很短的时间内，使被焊物形成牢固的焊点和焊缝。激光焊能量高度集中和可控，加热过程高度局部化，不产生热应力，因此不会对芯片造成影响。

(3) 共晶焊。可实现气体填充或真空封帽。它将焊料放在盖板和外壳之间施加一定的力并一同加热，焊料熔融并浸润焊接区表面，在毛细管力作用下扩散填充盖板和外壳焊接区之间的间隙，冷却后形成牢固的焊接。盖板焊料有金锡、金锑、锡银铜等。由于吸气剂激活工艺中需要高温，因此一般采用共晶金锡(Au/Sn ) 合金作为焊料。

平行缝焊和激光焊的缺点是：真空度低，带吸气剂的器件不能用这两种方法来焊接。随着吸气剂技术的成熟和广泛使用，此两种方法已经不能满足封装工艺的需要，所以必须用真空共晶的方法来进行MEMS 器件的真空封装。

共晶设备用于MEMS 的封装

本课题研制的真空/ 可控气氛共晶炉已经广泛运用于微电子行业的共晶贴片及真空封帽,但是如果直接将此工艺设备用于MEMS 器件的真空封装,还存在以下问题：

(1) MEMS 器件的真空度是指封装完成后，器件内部的真空度。在现有的技术条件下， 只能是在外部先把MEMS 器件和盖板对好后，在放到共晶炉里加热共晶封帽. 由于焊料的存在和MEMS 器件管壳和盖板的加工精度等因素的影响，使得MEMS 内部并不能达到炉子所抽到的真空度。

(2) 吸气剂的问题。吸气剂是用来获得、维持真空以及纯化气体等， 能有效地吸着某些( 种)气体分子的制剂或装置的通称， 它可以通过控制压力或杂质纯度水平来维持合适的器件运行环境(真空环境或惰性气体环境)，从而能增强最终器件的可靠性并延长其寿命。目前，国外已有将吸气剂应用于MEMS 陀螺仪的成功范例。

但是，目前所用吸气剂都需要激活，且激活温度都要高于常用共晶焊料的温度，所以，在焊接过程中，产生了焊接和吸气剂激活的矛盾,如果要激活吸气剂，就会使焊料在高温下长期处于熔融状态,影响焊料的物理化学性质，产生漏气等问。如果只考虑焊料熔化，吸气剂没有被有效激活，又不能维持真空。见图1。

综上所述，现有的共晶设备已经不能满足MEMS 器件的真空封装工艺，新的封装工艺流程如图2 所示。

根据新的封装工艺流程，对共晶设备和共晶夹具做相应改造。如图3a 所示，封装时带吸气剂的盖板放置于加热层石墨上，带预置焊料的管壳倒置于活动层石墨上。如图3b 所示，石墨夹具是可以活动的，分为分离和对位两种状态。在炉内运动机构的驱动下，可以在两种状态间切换。

设备增加了运动功能，定制夹具放入炉内后，驱动石墨夹具到分离状态，从炉内左右两侧伸出的隔热板( 如图4a 所示)将盖板和管壳隔离开来，启动抽真空、加热，只加热位于加热层的带吸气剂的管壳，防止位于管壳上的共晶焊料过早熔化。

吸气剂激活后，隔热板收回。运动机构驱动夹具对位，使管壳和盖板准确对位( 图4b)。由于抽真空时，管壳和盖板处于分离状态，所以对位后管壳内依然保持此时炉体内的真空度。重新启动加热后，加热焊料，使共晶焊料熔化，达到真空封装的目的。

结论

本文对需要真空封装的MEMS 器件从理论上进行分析，得出封装后管壳内的气体压力和品质因数的关系，气压越低，MEMS 器件的品质因数越高。随着MEMS 器件封装要求的提高，对已有的共晶设备进行改进，提出了一种可靠的封装方法，能实现高真空封装，并且运用吸气剂技术，使真空度能很好的保持。此方法能大大提高MEMS 器件的品质因数。

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