MEMS創(chuàng)新工藝解決微型MEMS的無縫互連挑戰(zhàn)

　　如果你正在尋求挑戰(zhàn)，那么就試試將微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)IC 和傳統(tǒng)IC 以及其它MEMS IC互連吧。MEMS 技術(shù)涉及到許多不同功能之間的高層集成。

　　MEMS 芯片的集成通常是指電子和機(jī)械功能的集成。那么這種工藝的最終目標(biāo)是什么呢？答案是：將MEMS 結(jié)構(gòu)無縫集成到與之相連的同一CMOS 芯片上。

　　目前的MEMS 芯片可能包含了電子和機(jī)械功能。在某些情況下，它們還可能包含光信號。這種被稱為微光電機(jī)系統(tǒng)(MOEMS)的器件采用微鏡引導(dǎo)高清電視中的信號，今后甚至?xí)龑?dǎo)互聯(lián)網(wǎng)上的信號。另外一種技術(shù)是硅片微通道(微流體)，可以用來處理實(shí)驗(yàn)室芯片上的氣體、液體和納米顆粒，從而可能實(shí)現(xiàn)醫(yī)療領(lǐng)域的重大突破。

　　現(xiàn)在有一些傳統(tǒng)IC 使用貫通硅片通孔(TSV)來將芯片連接進(jìn)更薄的三維結(jié)構(gòu)。制造商正在開發(fā)相應(yīng)的工藝，以便在50mm 薄、300mm 直徑的晶圓上生成30 到50mm 直徑的TSV。總有一天TSV 會應(yīng)用到MEMS 互連領(lǐng)域。

　　基本原理

　　因?yàn)镸EMS 芯片必須放在空腔或其它不影響其機(jī)械運(yùn)動的空間里，因此不能采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行封裝。芯片必須采用封帽或環(huán)氧包覆成型技術(shù)，不過不能用傳統(tǒng)的包覆成型技術(shù)，因?yàn)镸EMS 結(jié)構(gòu)不能被“鎖定”在位置上。另外，MEMS 芯片必須防止受到IC 技術(shù)常見的雜質(zhì)污染。裸模切割引起的殘渣和標(biāo)準(zhǔn)IC 工藝的高溫效應(yīng)對MEMS 芯片來說都可能是致命的。

　　另外，MEMS 芯片不能憑借自身提供任何功能。它必須連接到附加電路以及處理電路上執(zhí)行信號處理和其它功能才能發(fā)揮作用。這是因?yàn)镸EMS 工藝有別于CMOS 之類標(biāo)準(zhǔn)IC 工藝。在幾乎全是MEMS 芯片的支持電路中需要額外芯片，并導(dǎo)致許多可能的互連實(shí)現(xiàn)(參見“MEMS Meets ASIC”)。

　　根據(jù)MEMS器件的結(jié)構(gòu)特性，傳統(tǒng)的多晶硅處理工藝不能用來集成MEMS 器件和傳統(tǒng)芯片。多晶硅芯片處理要求800 度以上的高溫，如此高的溫度會損害甚至破壞MEMS 結(jié)構(gòu)。但可以處理400 到500 度左右溫度的低溫、back-of-the-line(BOL)硅鍺(SiGe)工藝則使MEMS 集成到標(biāo)準(zhǔn)硅基電子器件上部成為可能(參見“Low-Temperature SiGe Processing Advances MEMS Integration”)。

　　使用改進(jìn)型封帽材料正變得越來越流行，并且有許多技術(shù)可用來連接MEMS 器件和其它芯片。晶圓級和器件級封裝常被用來進(jìn)行MEMS 芯片的大批量生產(chǎn)，此時的芯片封裝要早于晶圓切割步驟。

　　有一種方法是在頂帽外面采用通孔和焊盤。在這種情況下，工程師可以使用晶圓級處理工藝，該工藝允許對頂帽材料和MEMS 芯片進(jìn)行同時切割。這種方法制造的芯片只有少量的線綁定焊盤。

　　另外一種方法是創(chuàng)建微型過孔，將MEMS 焊盤置于底部，并在只有很小空腔的MEMS 芯片上放一個常規(guī)帽，然后綁定芯片。許多涉足三維芯片堆疊的公司都在開發(fā)通孔工藝來創(chuàng)建硅微孔。再對微孔進(jìn)行電鍍，這樣做允許實(shí)現(xiàn)無源芯片堆疊。

　　上述工藝可以在晶圓級用氣密封接實(shí)現(xiàn)，可避免任何后續(xù)封裝步驟。事實(shí)上，在晶圓級封裝整個MEMS 芯片是可能的(圖1)。有時這被叫做零級封裝。一旦頂帽被置于合適位置，就可以使用傳統(tǒng)芯片工藝處理芯片封裝，甚至可以用液體分配或轉(zhuǎn)移包覆成型技術(shù)進(jìn)行封裝。

　　VTI 科技公司的玻璃硅封帽晶圓技術(shù)提供了大量寄生電容非常低、隔離阻抗高以及接觸電阻相當(dāng)?shù)偷酿佂?feed-through)。硅面積通過玻璃晶圓從頂部接觸面延伸到底部電極。底部實(shí)現(xiàn)與MEMS 結(jié)構(gòu)的歐姆連接，并用作平面電極實(shí)現(xiàn)垂直檢測或激勵。頂部的金屬化表面也可以用來連接饋通孔或用于再路由。

　　在選擇封頂MEMS 芯片空腔的材料時密閉性是非常重要的一個參數(shù)。對高級密封性而言，空腔可以使用轉(zhuǎn)移成型封頂材料以及低溫共火陶瓷(LTCC)封裝。但高級密閉性對許多MEMS 芯片應(yīng)用(比如消費(fèi)類電子)來說要增加不少成本。

　　許多MEMS 芯片制造商選擇成本較低、采用轉(zhuǎn)移成型環(huán)氧樹脂和非密閉性塑料封裝的近似密閉方法。這種方法提供的近似密閉性能位于密閉陶瓷方法和非密閉塑料方法之間。這些公司采用類似液晶聚合物(LCP)的熱塑性材料，這些材料在受熱時會變形，當(dāng)熱量移走時會風(fēng)干變脆。

　　熱塑材料非常穩(wěn)定，因此可以使用能忍受300 度以上高溫的低成本注入模型。它們還具有很好的吸濕性，并能被融化和復(fù)用，從而實(shí)現(xiàn)回收利用。

　　熱塑材料的使用并不是新鮮事物了。ET-Trends 公司的總裁Ken Gilleo 表示，熱塑材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著長遠(yuǎn)而優(yōu)秀的記錄，比如耐藥性聚合物做的支架和醫(yī)療植入設(shè)施。然而在MEMS 方面他們幾乎被忽略了。對MEMS 來說熱塑材料的優(yōu)勢和自然適合性非常明顯，他相信肯定有人在為MEMS 開發(fā)合適的熱塑材料。