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关于微传感器封装的一些看法

2019-11-30 19:06:35  点击:2668

得益于能够提高微传感器封装和系统质量、延长微传感器使用寿命的关键技术,小型微传感器能够在不断缩小的空间范围内实现准确可靠的传感器功能,形成多功能的微系统,从而大大提高自动化、智能化和可靠性水平。

在万物互联的时代,作为物联网的基本组成部分,小巧强大的微型传感器可以释放宝贵的电路空间,减少干扰,提高设计灵活性,这已经成为高速铁路、汽车、导航和智能终端技术进步的关键。与传统传感器相比,微传感器不是体积和收缩率相等的简单产品,而是结合了硅微加工和非硅加工等多种加工技术的新一代微传感器。它们具有新的工作机理和物理化学效应,需要在不断缩小的空间范围内实现可靠、准确的传感器功能。传感器封装是实现传感器功能的可靠保证。

事实上,当传感器的尺寸减小到一定程度时,最终产品的物理包装也必须满足极高的要求,才能将信息的采集、处理和执行集成在一起,形成一个具有多种功能的微系统,从而大大提高系统的自动化、智能化和可靠性。微传感器封装可以起到机械支撑、环境隔离的作用,提供与外部系统和介质的接口,还可以实现热管理、低应力、高真空度、高气密性、高隔离以及特殊的封装环境和提取。目前,主要的封装类型有金属封装、陶瓷封装、塑料封装和晶圆级封装。

微传感器封装结合了添加材料或减少材料的多步骤制造,包括贴片、涂覆、光刻、键合、蚀刻、引线键合、填充、注射成型、冲压等步骤。这是一个连续的表面和界面演化和逐层渐进的过程。包装过程中会出现材料热膨胀系数的不匹配。因此,随着材料微观结构的变化以及结构变形(翘曲和不平)和应力的演变,给包装带来了巨大的挑战。华中科技大学(Huzhong U niversity of Science and Technology)的研究团队,在国家科技研究计划、国家973计划、国家863计划、美国国家基金会和半导体研究公司(src)的支持下,经过24年的研究,率先为集成工艺力学和微传感器可靠性评估提出了独特的设计平台、工艺平台和可靠性测试平台。它在提高微传感器的封装和系统质量,延长微传感器系统的使用寿命方面取得了一系列重要的发明。

时间可以追溯到20世纪90年代,当时中国没有现代包装技术,包装材料热力学数据库缺失,没有验证建模和仿真工具,甚至没有小型通用材料试验机。有限元模拟只考虑材料的弹性和简单的弹塑性行为,未经验证的模型往往难以预测封装器件的工艺成品率和寿命,无法分析芯片与封装之间的相互作用机理,这意味着对微传感器封装的相关研究几乎从零开始。

封装过程中存在大量具有非线性力学行为的聚合物材料和焊料合金。这些材料的力学行为都与温度、湿度和应变率有关。包装材料和结构的热疲劳会导致孔洞、裂纹甚至界面脱层,这是研究团队面临的第一个难题。

为了应对上述挑战,研究团队发明了六轴通用测试技术、光学测试技术以及包装设备和材料的一系列设备。研究小组发明的六轴万能试验机有6个自由度,由5个伺服电机和一个直线电机驱动的工作台组成。这是业内第一台同类设备。借助样品安装的力反馈功能,可以消除微量样品安装过程中的预载。该测试仪主要用于研究小型包装材料的力学性能,如拉伸、压缩、松弛、蠕变、机械疲劳和热疲劳性能、粘弹性和粘塑性、热膨胀系数等材料性能和包装结构性能。六轴试验台的运动精度为0.1微米,旋转分辨率为0.001度,扭矩精度为0.02纳米。

利用twyman-green激光干涉仪的原理,该研究团队开发了业界首款纳米翘曲测试仪,该测试仪通过移相器的闭环精确控制测量薄膜晶片的面外变形,测量分辨率为1纳米。本发明还公开了一种用于测量微传感器封装和器件制造过程中面外变形的在线翘曲测量仪,面外分辨率可达1微米,面积可达400毫米×400毫米;采用高密度光栅面内变形测量技术,分辨率可达10.4纳米/条纹。这些工具可用于变形测量和变形/应力演化计算,以验证有限元模型。通过六轴万能测试技术、光学测试技术和一系列设备,研究团队首次获得了与温度、湿度和应变率相关的本构关系,开创了工艺力学的理论框架,并建立了贴片、引线键合、键合和灌胶等典型工艺的分步工艺变形/应力模型,从而解决了温度、湿度和时间对微传感器成品率低和性能退化的问题。

同时,研究团队建立了以界面断裂力学和损伤力学为代表的包装材料数据库和非线性有限元全局-局部集成制造与可靠性仿真平台,用于贴片、粘接和灌胶过程的分步过程变形、应力、屈服和寿命预测。研制的光学验证工具实现了10.4纳米/条纹的面内位移分辨率、1纳米的膜面外测量分辨率、1微米的封装和器件基板翘曲测量精度、80% ~ 95%的变形测量与有限元模型符合率。

研究团队面临的第二个问题是微传感器的温度漂移和时间漂移。为解决这一问题,研究团队采用典型包装工艺的分步过程变形和应力模型,揭示包装结构、材料、工艺参数和变形、应力和性能的定量规律。研制的微压传感器已经通过了30多次苛刻的汽车可靠性试验,其使用寿命远远超过军用标准要求。-40℃~125℃的热循环寿命达到300万次,最终解决了国内微传感器因温度、湿度和时间而导致的成品率低和性能下降的问题。研究团队提出的系统和方法已经获得了14家美国顶级半导体公司(如ibm和英特尔)的项目支持。

微传感器封装技术不仅面临上述共同挑战,而且一些器件也提出了特殊要求。例如,惯性导航和红外设备需要高真空和长期真空保持。微传感器器件的封装温度一般低于450℃,典型尺寸一般小于2厘米(电真空器件的典型尺寸大于10厘米)。电真空技术不能直接移植到微传感器真空封装技术中,电子管的真空检测不适用于微传感器器件。此外,氦质谱检漏仪在微传感器真空封装中有很大的应用局限性:首先,质谱仪检漏仪的检测灵敏度不符合真空封装对泄漏率的要求;其次,在真空条件下,检测到的泄漏率与实际泄漏率之间存在非线性关系,使得检测到的泄漏率仅具有相对的比较意义,与实际泄漏率相差甚远。测试结果表明,空气中的实际泄漏率比质谱仪检漏仪低至少3个数量级。仅通过提高焊接质量很难满足5年以上长时间的真空封装要求,这导致许多具有潜在市场应用的创新装置没有可靠的真空封装技术,而只能在实验室进行功能演示。

为了满足真空保持的长寿命要求,研究团队发明了带缓冲腔的器件级真空封装结构,并扩展到晶圆级真空封装。研究小组首次系统地研究了真空包装工艺。从真空下气体流动、气体吸附、渗透和扩散的理论出发,定量分析了吸附气体的解吸、气体渗透和包装材料中溶解气体的释放对真空包装效果的影响。

根据分析结果,研究小组从理论上揭示了传统的密封工艺很难达到微传感器真空封装所需的极低泄漏率,并认为实现微传感器真空封装只有两种方法:一是发明一种新型封装外壳,使有效泄漏率水平能够满足真空封装的要求;第二,吸气剂用于吸收泄漏的气体,从而平衡泄漏。对于0.1帕以下的真空包装,只能使用吸气剂。该带缓冲腔的器件级真空封装结构实现了0.1-5 Pa范围内无吸气剂的器件级真空封装技术。初步估计,该设计方案能有效延长真空保持寿命至少20倍。它已应用于军用战术红外传感器和陀螺仪,泄漏率为4.4e-10 Pa m3/s,在4,827天的实时监控期间真空度稳定(以前,业界公认空腔真空只能维持1-2个月)。

根据研究成果,研究团队开发了中国首台电阻熔焊真空包装设备,将电阻熔焊与真空包装工艺有机结合,结构上集成手套箱、真空炉、真空泵系统、焊接机构等。,为整个真空包装过程提供可重复的工作环境,并确保真空包装的质量。

同时,研究小组还提出了一种微腔中的实时真空监测方法。首次采用音叉应时晶体振荡器实时监测封装外壳内真空度的变化,解决了该器件体积小,无法用商用真空计测试的技术问题。所开发的晶体真空压力检测系统为真空封装技术的研究提供了可靠的评估方法,大大提高了晶体真空测量的精度和重复性,突破了微传感器腔内真空度长期在线监测的技术难题。现在,研究团队提出的双腔结构打破了跨国公司的技术垄断,为3个军用陀螺仪和红外器件研发单位提供了技术服务。

除了上述困难之外,从晶片级封装的角度来看,微传感器封装也比适用于图像传感器的传统封装工艺面临更多的困难。这是因为晶圆级微传感器封装产品的腔体经常需要保持高真空或充满惰性气体,传统工艺中使用的环氧树脂不能保证良好的气密性。对于需要填充惰性气体的微传感器,气体量越大,产品性能越好。因此,有必要蚀刻保护外罩上的空腔凹槽,并在蚀刻后保持良好的压制性能。此外,由于微传感器的复杂结构,微传感器的芯片厚度需要保持在400至500微米之间,并且一般的等离子蚀刻工艺不能确保在这种厚度下槽的形状和整体均匀性。

为此,研究团队发明了一种高密度超薄聚合物薄膜封装结构,通过非气密封装实现超低泄漏率,完美解决了封装等问题。晶片级微传感器芯片封装结构包括微传感器芯片、密集设置在芯片外围焊盘和设置在微机电系统芯片前表面的保护外罩。晶圆级封装微传感器芯片与保护外罩之间设置有超薄聚合物膜,该超薄聚合物膜的材料为聚合物光敏抗蚀刻可压密封材料;保护外罩通过超薄聚合物薄膜与芯片的前表面粘合;芯片上的微机电元件容纳在由超薄聚合物膜和微传感器芯片形成的空腔中。在微传感器芯片的凹槽和背面涂覆绝缘层,在焊盘侧面暴露面和绝缘层背面沉积外引线,在形成开口的外引线上涂覆焊接掩膜,在外引线的底端附着微珠,焊盘通过外引线与微珠电连通,实现电信号的输入和输出。

晶圆级微传感器封装可以更好地实现晶圆上所有微传感器的同时封装。所用的聚合物材料是苯并环丁烯(bcb),它不仅生产用于层压的超薄聚合物膜,还用作蚀刻掩模。气体创造性地采用非气密封装技术密封,使高分子链高压气体(如六氟化硫气体)密封在芯片封装中。此外,研究团队采用丝网印刷的方法在开槽基板上,用玻璃胶制作超薄聚合物薄膜,也实现了密封封装。首先通过半切割去除大部分硅,然后进行等离子刻蚀暴露焊盘,很好地解决了封装的密封性能问题和晶片厚度太厚导致等离子刻蚀的缺点,大大减小了封装后芯片的体积,同时显著降低了封装成本。

微传感器是国家战略性新兴产业,也是物联网的关键组成部分。这对高速铁路、汽车、家电、智能终端和国防工业等民用产业的科技进步具有重要意义。通过以上三大核心技术突破,研究团队形成了以微传感器封装材料的本构关系和多领域多尺度分步过程全局-局部有限元模型为核心的封装协同设计平台、工艺平台和测试平台,构建了国内外领先的微传感器封装理论、软件、设备和产品技术体系,显著提升了国内外微传感器封装行业的理论和设计技术水平。结果,第一个完成该项目的人刘胜于2009年被ieee器件封装与制造技术研究所(cpmt)授予杰出技术成就奖(中国封装领域的第一个获奖者),同年被中国电子制造与封装技术学会(CIE-empty)授予电子封装技术特别成就奖,并于2014年被选为美国机械工程师学会(asme)和ieee的会员。

目前,该研究团队取得的技术成果已批量应用于河北美泰公司(军用陀螺仪和惯性导航系统制造商)、北京大学、武汉飞恩微电子有限公司、武汉凌典汽车电子控制系统有限公司、武汉高德红外有限公司、东风汽车电子有限公司、苏州方静半导体技术有限公司等单位,帮助这些机构和公司取得良好效果。

目前,研究团队正在解决125℃硅基芯片的瓶颈技术。这项技术还处于小规模试验阶段,正在合作的国内asic芯片也处于试验阶段。未来,它将继续致力于芯片的本地化和封装技术的突破,实现精确的英寸间功能,帮助中国形成强大的竞争优势。该研究小组认为,微传感器封装技术的每一次突破都有可能给人类社会带来一场新的技术革命。

致谢:感谢国家科技重大项目(项目02)“高密度三维系统级封装关键技术研究”项目一“系统级封装的设计方法和工具、测试技术及可靠性”(项目编号:2009zx02038-001)、国家863项目“气密mems封装工艺及规范”(项目编号:2002aa404430)、国家973项目“mems器件级封装技术基础研究”(项目编号:2011cb309504)

这篇文章发表在2019年4月的ieee频谱中文版《科学技术概述》上。

专家介绍

刘胜:武汉大学动力与机械学院院长,ieee研究员。

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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