应用于MEMS的芯片倒装技术*

[摘 要]：通过对芯片倒装技术尤其是凸点加工工艺在MEMS设计中的作用进行实例分析，指出倒装芯片不仅是一种高性能的封装模式，还能为MEMS器件提供立体通道或是力热载体，并形成许多特殊的结构。在MEMS的加工过程中，可以充分考虑芯片倒装技术所带来的加工便利。 0 引 言 过去10年，凸点焊接的倒装芯片技术取得了迅猛的发展，成为电子封装业向着低成本、高可靠性和高生产率方向发展的巨大动力。倒装芯片技术的雏形是1962年IBM公司在陶瓷基板上采用的固态逻辑技术。1970年，IBM公司将其发展为可控塌陷芯片连接（C4，Controlled collapse chipconnection）技术应用在芯片封装中。倒装芯片技术在逐步发展过程中，迎合了表面贴装技术的要求，并且，出现了适合载带自动键合的封装工艺类型。当前，飞速发展的先进封装形式，如，球栅阵列封装、芯片尺寸封装等，都是对倒装技术的继承和发展。 同引线键合相比，倒装工艺芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板互连。互联线非常短，互联产生的杂散电容、互连电阻与互连电感非常小，适于高频、高速的电子产品应用。安装互联所占的基板面积小，安装密度高。芯片焊区可面阵布局，更适于高输入/输出端子数的超大规模集成电路芯片使用。组装与互联同时完成，大大简化了工艺，快速省时，适于使用先进的表面贴装技术进行工业化大批量生产。这一系列优点促使倒装芯片技术在高密度封装电子系统中大放光彩，广泛采用。 MEMS器件都是尺寸极小的精密元件，如果不封装保护会很容易出现故障或结构损坏。因而，封装是MEMS走向实用的关键步骤，占据着MEMS器件生产成本的绝大部分。众所周知，集成电路封装的目的是进行机械保护和电连接，保护精密电路免受机械和环境的侵害，并且，去除芯片工作时产生的热量。而MEMS封装处理的因素更多，复杂性更大。封装必须保护在多种环境下使用的微机械部分，提供电信号之间的连接，在某些时候，还需要接触外部环境，并与环境进行相互作用，比如：光MEMS中光的传输和变换、微流体中流体的传送与转换。MEMS结构的多样性与工作方式的多样性，限制了MEMS封装的发展速度。目前，大部分的研究集中在利用成熟加工工艺的优势，借鉴集成电路中所用的封装方法。这其中当然也包括倒装芯片技术在MEMS中的应用。 1 倒装芯片技术 所谓倒装芯片，是指半导体裸芯片有源面朝下，直接与印刷电路板或芯片载体基板进行连接。芯片上的输入/输出端子和基板之间的互连通过芯片上的凸点结构和一般制作在基板上的焊接材料相互作用来实现。倒装工艺通常包括凸点的制作、对准和焊接及芯片下填充等多个步骤。芯片凸点是在原芯片金属布线电极焊区或重新布局的新焊区上形成的。凸点的形成有蒸发、溅射、电镀、化学镀、机械打球、移置等多种方法，尤以电镀法最为常用。凸点芯片可由芯片制造商提供，也可由专门从事在晶片上制作凸点的第三方提供，或者由外包工厂作为其工艺流程的一部分。目前，最常用的凸点有焊料凸点、金凸点和柔性聚合物凸点等。倒装焊则是指倒装技术中用于实现芯片和载体基板的机械连接和电气连接的互连方法，焊料凸点一般采用回流焊接工艺，但也有采用其他凸点材料和其他互连工艺的，如，适用于金属凸点的热压键合、热超声键合、钉头凸点互联方法以及适用于柔性聚合物凸点的导电胶粘接法等。倒装芯片组装通常要求进行下填充。下填充的作用是提供芯片与基板的良好粘接，保护芯片表面不受污染，匹配焊点、基板材料和芯片的热膨胀系数。 倒装芯片互连中的凸点有4个功能：（1）实现芯片和基板之间的电互连；（2）提供芯片的散热途径；（3）保护芯片；（4）实现芯片和基板的结构连接。倒装芯片互连系统的材料和工艺决定了它的互连性能。而这些功能在应用中也得到了一一体现。 2 应 用 基于倒装芯片在半导体先进封装中的广泛应用，以及小的互联效应，人们开始尝试利用倒装来进行MEMS电容的封装，这也是倒装工艺在MEMS中应用的开始。 作为封装使用的凸点，具有同微机械加工的MEMS结构十分相似的特性。从倒装结构的几何层面上看，倒装地互连线非常短，有效地降低了寄生效应，适合高灵敏度的信号处理电路与MEMS器件，尤其是微传感器集成。 在微传感器的系统设计中，通常，将处理电路靠近传感器放置以提高性能。早期的处理是采用混合或片上集成电路的方法，通过引线键合将电路芯片和传感器连接起来，实现系统的单个封装。这就是后来在业界广泛采用的多模块组件技术。但这种技术不能够批量制造，随着集成密度的增加，寄生电容越来越大。于是，近些年来，人们尝试将MEMS器件倒扣在制作有处理电路的基底上，或是将专用电路通过凸点焊接与硅衬底相连，利用倒装芯片的短引线来实现互联，这样，大大降低了芯片封装和系统集成的工艺规模和成本。比如：挪威SINTEF的研究人员设计的用于指纹识别的传感系统，就是将CMOS专用处理电路倒装在基于电容原理的传感器芯片的底部，而传感器的正面接收来自外界的指纹信号。这样，有效地实现了信号的采集，提高了处理电路的性能，节约了整个芯片的面积。 当然，倒装芯片也可以结合多模块组件技术，将MEMS器件和信号处理芯片封装在同一个管壳内，以实现小型化，同时，缩短信号从MEMS器件到驱动器或执行器的距离，减小信号衰减和外界干扰的影响。这方面较典型的是加速度计、专用集成电路以及陀螺仪等器件的集成封装。香港科技大学还利用这种技术把凸点倒装的压力传感器和引线键合的执行器制作在了同一块挠性基板上，并通过基板上的铜线进行相互连接。 从几何层面上讲，倒装芯片面朝下组装，为光信号提供了直线通路，非常适合光MEMS的设计和封装。其中，最典型的应用莫过于CMOS图像传感器，如日本东芝公司在其微型照相机中使用倒装技术，采用各向异性导电胶粘接的方法，将图像传感器芯片同透镜成像结构组装在一起。除了便于光的连接与耦合，倒装芯片逐层平面叠加的结构还可以实现立体通道。最简单的莫过于用在微流体结构中，将芯片分成2个部分进行加工，最终，通过凸点焊接的方法同时形成流体通道和电气连接。 从物理层面上看，倒装芯片可以给MEMS器件提供机械连接或是力热载体。表面微机械或是体硅加工是实现微执行器的一般途径。但是，有时牺牲层释放用以形成多层结构的连接锚区会因为粘附效应而变得不可靠。而体硅加工的湿法腐蚀对加工形貌有一定的限制。这时可以选择分别加工各层结构，再通过凸点焊接将彼此连接起来。美国UC Berkeley大学就是利用铟焊料凸点实现了微结构的局部转移。其方法是在一块硅片上通过牺牲层腐蚀制作出结构，结构的表面事先电镀上一层金属铜。然后，与目标芯片上的铟凸点进行室温冷焊，最后，将结构在远离所需图形的地方打断，从而实现了微结构的局部转移。 倒装芯片技术对芯片与基板具有很强的适应性，非常适合在MEMS器件的热设计中加以采用。此外，倒装芯片的下填充能够显著削弱热应力，在倒装芯片表面安装热沉也能提高散热性能，增加器件的可靠性。本实验研制的硅热风速传感器就是采用铜柱凸点技术将传感器倒装在薄层陶瓷基板上，避免传感器与测量环境的直接接触，保护了传感器和处理电路，并利用陶瓷的导热性能实现传感器芯片的加热元件和环境风速的热交换，同时，降低了整个芯片的功耗。 倒装芯片技术，尤其是采用淀积或电镀的凸点形成工艺，与微机械加工中的薄膜淀积、金属电镀几无区别，还独有其优点。以铅锡合金焊料凸点为例，采用低温回流焊接，引入的应力较小，同时，对芯片和基板间因热膨胀系数不同造成的剪应力起到了缓冲作用。回流过程中，焊料的表面张力可以纠正因对准引起的误差，有效地保证了对准精度。通过在芯片上施加压力来控制凸点的塌陷程度，一定程度上弥补了因芯片与基板的缺陷产生的焊接不均匀性，便于芯片的平坦化和高度控制。而铅锡焊料的使用与板级的组装材料相一致，既可以在球栅阵列等先进封装中应用，也可以直接进行芯片同印刷电路板的直接组装。 随着新型凸点的不断涌现，原先只能形成点结构凸点，现在可以利用光刻制作各种图形。所以，通过工艺集成，可以在凸点加工过程中在芯片上实现一些特殊的MEMS传感器或执行器结构，而不增加成本。早期，研究者采用倒装技术进行RFMEMS的封装，现在已经在尝试直接利用凸点形成工艺制作RF耦合元件或是无源元件等。凸点焊接简单实用，与硅—硅键合和阳极键合对工艺的苛刻要求相比，更适合多层结构之间的支撑和连接，尤其是MEMS器件的气密封装和保护。凸点工艺结合多次光刻和电镀工艺可实现各种复杂结构，如，微燃烧器、数字微镜等。 3 结束语 MEMS加工技术从一开始就是从半导体、机械等不同领域学习经验，如，通过传统机械加工微型化产生的特种精密加工技术、从微电子制造工艺发展而来的表面微机械和体硅加工技术，以及应用在微结构制造中的新型金属立体加工LIGA工艺。所以，只要是便于结构实现的，适于大批量生产的加工方法都会被设计者引入到MEMS微机械加工中来。 芯片倒装技术，从工艺流程的角度讲，属于封装，属于半导体的后道工序，往往在器件或是系统设计时，是比较受忽视的，或者说不是设计考虑的重点。然而，随着电子封装对系统性能的影响越来越显著，尤其对于没有统一加工方法的MEMS器件，封装设计已成为整个系统设计的重要组成部分。这时，就需要全面考虑前后道工序的加工特点，合理配置，找到一条经济有效的工艺集成道路。 倒装芯片具有短互联、小面积、立体通道等许多优异的封装特性，同时，伴随凸点加工，可以形成许多特殊结构或是无源元件，无论从节省工艺成本还是提高系统性能的角度，倒装芯片技术都将大有前途。某种意义上，芯片倒装是一种功能强大的微机械加工技术。