微系统封装技术-概论

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1、微机电系统封装技术基础主讲：汪学方华中科技大学MEMS中心微机电系统（MicroElectroMechanicalSystems—MEMS）是融合了硅微加工、LIGA（光刻、电铸和塑铸）和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它在微电子技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技术。它包括感知外界信息（力、热、光、磁、电、声等）的传感器和控制对象的执行器，以及进行信号处理和控制的电路。微机电系统的概念微机电系统的概念美国：微型机电系统MEMS:Microelectromechanicalsystem日本

2、：微机械Micromachine欧洲：微系统Microsystem各个国家不同的定义典型MEMS器件介绍：微泵(MicroPump)压电片容积泵，压电驱动双金属热致动阀微喷——喷墨打印头电阻电热式微推进器通过电阻加热，把工质汽化，产生高温高压气体从喷口喷出。数字镜面显示（DMD）改变反射方向微机电系统（MEMS）与微电子（IC）器件的区别：MEMS器件IC器件几何特性三维结构二维结构物理特性有运动部件（存在尺寸效应，表面效应）无运动部件应用材料的效应体效应器件面效应器件环境敏感性对环境很敏感对环境不太敏感信号接口种类有机械、光

3、、电、多种信号主要是电信号加工工艺有多种加工工艺主要是表面加工工艺加工材料有多种加工材料主要是半导体材料微电子封装成本占总成本30%左右，MEMS封装成本为器件成本80%左右影响MEMS器件的环境因素应力振动冲击气体湿度腐蚀机械化学物理温度压力加速度1.封装和制造引起残余应力2.外部载荷3.变形引起应力4.机械失效气密性封装芯片划伤封装时加载在器件上的温度过高，压力过大MEMS器件受多方面环境因素的影响也是MEMS器件封装之所以多样和复杂的原因微机电系统主要加工工艺Bulkmicromachining~1960Surfacem

4、icromachining~1986LIGA~1978体加工(BulkMachining)指通过刻蚀(Etching)等去除部分基体或衬底材料，从而得到所需的元件的体构形。它在微机械制造中应用最早，主要是通过光刻和化学刻蚀等在硅基体上得到一些坑、凸台、带平面的孔洞等微结构，它们成为建造悬臂梁、膜片、沟槽和其它结构单元的基础，最后利用这些结构单元可以研制出压力或加速度传感器等微型装置。体微机械加工常用的是利用硅腐蚀的各向异性制造各种几何机构，再通过键合技术将两部分硅的微结构结合再一起体硅加工：体硅加工工艺主要流程硅园片去掉光刻胶

5、腐蚀硅片刻蚀光刻胶淀积光刻胶为了得到质量好的结构，一般采用SiO2或Si3N4作为掩膜体硅工艺体硅工艺的典型应用微泵：具有两个单向阀，当电压施加到极板上时，变形膜向上运动，此时泵室体积增加，压力减小，进水阀打开，液体流进腔室。断电后，相反。泵的基本参数：变形膜面积4×4mm2，厚度25微米，间隙4微米，工作频率1～100Hz，典型值为25Hz，流量为70mL/min加工工艺路线驱动部分：可根据各种不同的结构采用高掺杂的硅膜、形状记忆合金、金属膜薄片等。腔体制备：采用双面氧化的硅片，首先在硅片背面开出窗口（正面用光刻胶保护），放

6、入HF，去除SiO2，去掉光刻胶，放入KOH，腐蚀Si，直到要求的膜厚为止阀膜制备阀膜制备对双面氧化的硅片进行双面光刻腐蚀SiO2、去除光刻胶、清洗用KOH腐蚀硅片双面，腐蚀深度10～15微米去除浅腐蚀面的SiO2（将深腐蚀面保护）去浅腐蚀面用于键合的金属层用密闭良好的夹具将有金属的一面保护，再用KOH进行深度腐蚀，直到腐蚀穿透整个硅片。剩下的硅膜即为阀膜厚度最后将三部分键合到一起静电微泵结构表面微机械加工以硅片微基体，通过多层膜淀积和图形加工制备三维微机械结构。硅片本身不被加工，器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成，结构和基

7、体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用是支持结构层，并形成所需要的形状的空腔尺寸，在微器件制备的最后工艺中溶解牺牲层表面硅工艺硅园片淀积结构层刻蚀结构层淀积牺牲层刻蚀牺牲层释放结构表面硅加工工艺主要流程淀积结构层刻蚀结构层表面工艺常用材料组合表面加工要求所应用的材料是一组相互匹配的结构层、牺牲层材料结构材料必须满足应用所需要的电学和机械性能，例如静电执行器（微电机和侧向谐振器）的导电结构和绝缘层。机械性能要求适中的残余应力、高的屈服断裂应力、低的蠕变和高的疲劳强度、抗磨损等牺牲层材料应有好的粘结力、低的残余应力，同时既满足工艺条件

8、又不产生相反作用等表面工艺使用结构层与牺牲层材料组合典型组合多晶硅作为结构层材料，氧化硅作为牺牲层以LPCVD淀积的多晶硅作为结构层材料，热生长或LPCVD淀积的氧化硅作为牺牲层材料已经广泛用于多晶硅的表面微机械，电学和机械性能均能满足结构层和牺牲层以及各种工艺的要求；腐蚀剂