如何看待微傳感器封裝

得益于可提升微傳感器封裝及系統(tǒng)品質(zhì)、延長微傳感器系統(tǒng)壽命等的關(guān)鍵技術(shù)，外形小巧的微傳感器可以在不斷縮小的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)精確、可靠的傳感器功能，組成具有多種功能的微型系統(tǒng)，從而大幅度提高自動化、智能化和可靠性水平。

在萬物互聯(lián)的時代，作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)部件，外形小巧而功能強大的微傳感器可以釋放寶貴的電路空間、減少干擾、提高設(shè)計靈活性，已經(jīng)成為高鐵、汽車、導航及智能終端等領(lǐng)域技術(shù)進步的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)傳感器相比，微傳感器不是簡單的體積等比收縮產(chǎn)品，而是融合了硅微加工和非硅加工等多種加工技術(shù)的新一代微型傳感器部件，具有新的工作機理和物化效應，需要在不斷縮小的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)可靠、精確的傳感器功能。傳感器封裝則是實現(xiàn)傳感器功能的可靠保障。

事實上，當傳感器的體積縮小到一定程度時，最終產(chǎn)品的物理封裝也必須滿足極高的要求，才能將信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多種功能的微型系統(tǒng)，從而大幅度提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。微傳感器封裝可以起到機械支撐、環(huán)境隔離、提供與外界系統(tǒng)和媒質(zhì)的接口的作用，還可以實現(xiàn)熱管理、低應力、高真空度、高氣密性、高隔離度以及特殊的封裝環(huán)境與引出等，目前的主要封裝類型有金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝和晶圓級封裝等。

微傳感器封裝將多步增材制造或減材制造相結(jié)合，包括貼片、鍍膜、光刻、鍵合、刻蝕、打線、填充、注塑、打孔等步驟，是一個表面和界面不斷演化、層層遞進的過程。封裝過程中會出現(xiàn)材料的熱膨脹系數(shù)失配，因此伴隨著材料微觀組織的改變以及結(jié)構(gòu)變形（翹曲及不平度）和應力的演化，給封裝帶來了巨大的挑戰(zhàn)。來自華中科技大學的研究團隊迎難而上，在國家科技攻關(guān)計劃項目、國家973計劃項目、國家863計劃項目以及美國國家基金委及半導體研究公司（SRC）的支持下，歷經(jīng)24年攻關(guān)，率先提出適用于微傳感器的集成工藝力學和可靠性評估的獨特設(shè)計平臺、工藝平臺和可靠性測試平臺，在提高微傳感器封裝及系統(tǒng)品質(zhì)、提升微傳感器系統(tǒng)壽命等方面取得一系列重要發(fā)明成果。

時間撥回到20世紀90年代，那時中國還沒有現(xiàn)代意義上的封裝技術(shù)，封裝材料的熱力學數(shù)據(jù)庫缺失，沒有任何驗證建模仿真工具，甚至沒有小尺度的材料萬能試驗機；有限元仿真僅僅考慮材料彈性和簡單的彈塑性行為，沒有驗證的模型往往難以預測工藝成品率及封裝器件壽命，也無法分析芯片與封裝的相互作用機理，這意味著微傳感器封裝的相關(guān)研究幾乎是從零開始。

封裝過程中存在大量具有非線性力學行為的高分子材料和焊料合金，這些材料力學行為均與溫濕度和應變率相關(guān)，封裝材料和結(jié)構(gòu)的熱疲勞會帶來孔洞、裂紋，甚至會無法避免地導致界面脫層，這是研究團隊面臨的第一個難題。

針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊發(fā)明了用于封裝器件和材料的六軸萬能測試技術(shù)和光測技術(shù)及系列裝備。其中研究團隊發(fā)明的六軸萬能試驗機有6個自由度，由5個伺服馬達及1個線性馬達驅(qū)動的工作臺構(gòu)成，為業(yè)內(nèi)首臺同類型裝備；具有樣品安裝作用力反饋功能，可消除微樣品安裝過程的預載。該測試儀主要用于小尺度封裝材料的機械力學特性研究，如材料的拉伸、壓縮、松弛、蠕變、機械疲勞與熱疲勞特性、粘彈性與粘塑性、熱脹系數(shù)等材料性能和封裝結(jié)構(gòu)性能測試。六軸測試臺的運動精度達到0.1微米，轉(zhuǎn)動分辨率為0.001度，力矩精度高達0.02牛米。

利用Twyman-Green激光干涉儀原理，研究團隊開發(fā)了業(yè)內(nèi)首臺納米翹曲測試儀，通過閉環(huán)精確控制相移器來測量薄膜晶圓的離面變形，測量分辨率可以達到1納米；還發(fā)明了可用于微傳感器封裝與器件制造過程的離面變形在線測量翹曲測量儀，離面分辨率達到1微米，面積可達400毫米×400毫米；利用高密度光柵面內(nèi)變形測量技術(shù)，分辨率可達10.4納米/條紋。這些工具可用于變形測量、變形/應力演變計算，從而驗證有限元模型。通過六軸萬能測試技術(shù)和光測技術(shù)及系列裝備，研究團隊首次獲得了與溫濕度、應變率相關(guān)的本構(gòu)關(guān)系，首創(chuàng)工藝力學理論框架，構(gòu)建了貼片、打線、鍵合、灌膠等典型工藝的分步工藝變形/應力模型，解決了微傳感器因溫度、濕度和時間引起的成品率低和性能退化的難題。

與此同時，研究團隊建立了封裝材料數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了以界面斷裂力學和損傷力學為代表的非線性有限元全局-局部集成制造與可靠性仿真平臺，并用于貼片、鍵合、灌膠工藝的分步工藝變形、應力、成品率及壽命預估；研發(fā)的光學驗證工具取得了面內(nèi)位移10.4納米/條紋的分辨率，薄膜離面測量分辨率達到1納米，封裝及帶器件的基板翹曲測量精度可達到1微米，變形測量與有限元模型的重合度高達80%～95%。

研究團隊面臨的第二個難題是微傳感器的溫度漂移和時間漂移。針對這個問題，研究團隊采用封裝典型工藝的分步工藝變形和應力模型來揭示封裝結(jié)構(gòu)、材料、工藝參數(shù)與變形、應力和性能的量化規(guī)律，研制的微壓力傳感器已通過30多項嚴酷的汽車級可靠性試驗，壽命遠遠超過軍標要求，-40℃～125℃熱循環(huán)壽命達到300萬次，最終解決了國產(chǎn)微傳感器因溫度、濕度和時間引起的成品率低和性能退化的難題。研究團隊提出的體系和方法已獲得IBM、英特爾等14家美國頂級半導體公司的項目支持。

微傳感器封裝技術(shù)不僅面臨著上述共性挑戰(zhàn)，一些器件還提出了特殊要求。例如，慣性導航和紅外器件需要高真空度和長時間的真空保持度。微傳感器器件封裝的溫度一般要求低于450℃，典型尺寸一般小于2厘米（電真空器件典型尺寸大于10厘米），電真空技術(shù)不能直接移植到微傳感器真空封裝技術(shù)中，而且電子管的真空檢測也不適合微傳感器器件。另外，氦質(zhì)譜檢漏儀在微傳感器真空封裝中存在較大的應用局限：首先，質(zhì)譜檢漏儀的檢測靈敏度不滿足真空封裝對漏率的要求；其次，在真空下檢測漏率與實際漏率具有非線性關(guān)系，使得測試漏率只具有相對比較的意義，與實際漏率相去甚遠。試驗測試表明，空氣中的實際漏率比質(zhì)譜檢漏儀的測試漏率至少低3個數(shù)量級。僅僅通過提高焊接質(zhì)量很難達到真空封裝5年以上長時間真空保持的要求，這導致許多很有創(chuàng)意、具有潛在市場應用的器件沒有可靠的真空封裝技術(shù)，而只能在實驗室做功能演示。

為了滿足真空保持度的長壽命要求，研究團隊發(fā)明了帶緩沖腔的器件級真空封裝結(jié)構(gòu)，并推廣至晶圓級真空封裝。研究團隊首次系統(tǒng)地研究了真空封裝工藝，從真空狀態(tài)下的氣體流動、氣體吸附、滲透與擴散的理論入手，對吸附氣體的脫附、氣體的滲透以及封裝材料溶解氣體的排放對真空封裝效果的影響進行定量分析。

根據(jù)分析結(jié)果，研究團隊從理論上揭示了傳統(tǒng)密封工藝很難達到微傳感器真空封裝要求的極低泄漏率水平，認為實現(xiàn)微傳感器真空封裝只有兩個途徑：一是發(fā)明新穎的封裝外殼，使有效的泄漏率水平滿足真空封裝的要求；二是采用吸氣劑來吸收泄漏的氣體，從而平衡泄漏，對于0.1帕以下的真空封裝，只能采用吸氣劑來實現(xiàn)。帶緩沖腔的器件級真空封裝結(jié)構(gòu)在0.1～5帕范圍內(nèi)實現(xiàn)了不用吸氣劑的器件級真空封裝技術(shù)，初步估算該設(shè)計方案能有效延長真空保持壽命至少20倍以上，已應用于軍用戰(zhàn)術(shù)級紅外傳感器和陀螺儀，泄露率達到4.4E-10帕?立方米/秒，并在長達4827天的實時監(jiān)測中保持穩(wěn)定的真空度（此前業(yè)內(nèi)公認腔體真空只能保持1～2個月）。

根據(jù)研究成果，研究團隊研制了中國第一臺電阻熔焊真空封裝設(shè)備，把電阻熔焊與真空封裝工藝有機結(jié)合在一起，在結(jié)構(gòu)上將手套箱體、真空烘箱、抽真空系統(tǒng)、焊接機構(gòu)等融為一體，為整個真空封裝工藝提供了可重復的工作環(huán)境，保證了真空封裝的質(zhì)量。

與此同時，研究團隊還提出了微腔內(nèi)實時監(jiān)測真空度的方法。首次應用音叉石英晶振實時監(jiān)測封裝殼體內(nèi)的真空度變化，解決了器件由于體積小而無法采用商業(yè)真空規(guī)測試真空的技術(shù)難題。研制的晶振真空壓力檢測系統(tǒng)為研究真空封裝工藝提供了可靠的評價手段，大幅提高了晶振真空度測量的精度與重復性，突破了微傳感器腔內(nèi)真空度長時間在線監(jiān)測的技術(shù)難題。如今，研究團隊提出的雙腔體結(jié)構(gòu)打破了跨國公司的技術(shù)壟斷，已為3家軍用陀螺儀和紅外器件研發(fā)單位提供了技術(shù)服務(wù)。

除上述難點外，從晶圓級封裝的角度看，微傳感器的封裝也比適用于影像傳感器的傳統(tǒng)封裝流程面臨著更多難題。這是因為晶圓級微傳感器封裝成品的腔體中往往需要保持高真空或充惰性氣體，傳統(tǒng)工藝中使用的環(huán)氧樹脂無法保證良好的氣密性。對于需充惰性氣體的微傳感器，一般其氣體量越多產(chǎn)品性能越好，因此需要在保護外蓋上蝕刻制造出空腔凹槽，并在蝕刻后仍保持良好的壓合性能。另外，微傳感器由于結(jié)構(gòu)復雜，其芯片厚度需保持在400～500微米，一般的等離子體蝕刻工藝在如此厚度下無法保證開槽的形狀和整體均一性。

為此，研究團隊發(fā)明了高致密超薄高分子膜封裝結(jié)構(gòu)，通過非氣密性封裝實現(xiàn)了超低漏率，完美解決了封裝的密閉性等問題。晶圓級微傳感器芯片封裝結(jié)構(gòu)包括微傳感器芯片、芯片外圍密布排列焊墊以及設(shè)于微機電系統(tǒng)芯片正面的保護外蓋。在晶圓級封裝的微傳感器芯片和保護外蓋之間設(shè)有超薄高分子膜，其材質(zhì)為高分子感光型耐蝕刻可壓合的密封性材料，保護外蓋通過超薄高分子膜與芯片正面相粘結(jié)，芯片上的微機電部件容納在超薄高分子膜內(nèi)部與微傳感器芯片構(gòu)成的空腔內(nèi)；在溝槽處和微傳感器芯片背面包覆絕緣層，在焊墊橫向側(cè)的暴露面和絕緣層背面沉積有外引線，在形成開孔的外引線上覆有焊接掩模，在外引線底端附著微焊球，焊墊通過外引線與微焊球電連通，實現(xiàn)電信號的輸入和輸出。

晶圓級微傳感器封裝較好地實現(xiàn)了一片晶圓上所有微傳感器同時封裝，使用的高分子材料為苯并環(huán)丁烯（BCB），既制造出了用于壓合的超薄高分子膜，又作為蝕刻的掩模，創(chuàng)造性地通過非氣密性封裝技術(shù)進行氣體密閉，使得大分子鏈高壓氣體（比如六氟化硫氣體）被密封在芯片封裝中。另外，研究團隊使用了在開槽后的基板上進行絲網(wǎng)印刷的方法，用玻璃膠制作超薄高分子膜，同樣實現(xiàn)了密封性封裝；先半切去除大部分硅，再進行等離子蝕刻暴露出焊墊，完美地解決了封裝的密封性和晶圓厚度過厚不利于等離子蝕刻等問題，大大減小了芯片封裝后的體積，同時又顯著降低了封裝的成本。

微傳感器屬國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵部件，對高鐵、汽車、家電、智能終端等民用行業(yè)及國防工業(yè)的科技進步具有重要意義。通過上述3方面的核心技術(shù)突破，研究團隊形成了以微傳感器封裝材料本構(gòu)關(guān)系、多場多尺度分步工藝全局-局部有限元模型為核心的封裝協(xié)同設(shè)計平臺、工藝平臺和測試平臺，構(gòu)建了國內(nèi)外領(lǐng)先的微傳感器封裝理論、軟件、裝備和產(chǎn)品技術(shù)體系，顯著提升了國內(nèi)外微傳感器封裝產(chǎn)業(yè)的理論和設(shè)計技術(shù)水平。項目第一完成人劉勝因此于2009年獲IEEE器件封裝與制造技術(shù)學會（CPMT）杰出技術(shù)成就獎（國內(nèi)第一個封裝領(lǐng)域獲獎人），同年獲得中國電子學會電子制造與封裝技術(shù)分會（CIE-EMPT）電子封裝技術(shù)特別成就獎，并入選美國機械工程師學會（ASME）會士，2014年入選IEEE會士。

目前研究團隊所取得的技術(shù)成果已在河北美泰公司（軍用陀螺儀及慣導系統(tǒng)生產(chǎn)商）、北京大學、武漢飛恩微電子有限公司、武漢菱電汽車電控系統(tǒng)股份有限公司、武漢高德紅外股份有限公司、東風汽車電子有限公司、蘇州晶方半導體科技股份有限公司等單位得到批量應用，助力這些機構(gòu)和公司取得佳績。

目前，研究團隊正在攻關(guān)125℃ 硅基芯片的瓶頸技術(shù)，技術(shù)正處于小試階段，合作的國內(nèi)ASIC 芯片也在試用階段。未來將繼續(xù)致力于芯片的國產(chǎn)化和封裝技術(shù)的突破，在方寸之間實現(xiàn)精密的功能，助力中國形成強大的競爭優(yōu)勢。研究團隊相信，微傳感器封裝技術(shù)的每一次突破，都有可能為人類社會帶來一次新的技術(shù)革命。