楊凱駿，王學(xué)軍，井文麗，張建宏，王 寧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

MEMS技術(shù)是一門(mén)集光學(xué)、機(jī)械、電子、控制、材料和化學(xué)等多種科技的整合技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)包括微傳感器、微電子、微制動(dòng)器和微結(jié)構(gòu)。目前，MEMS芯片的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是，由于MEMS封裝技術(shù)的研究明顯滯后，封裝只能單個(gè)進(jìn)行而不能大批量同時(shí)生產(chǎn)，因此封裝在MEMS產(chǎn)品總費(fèi)用中占據(jù)70%～80%，封裝技術(shù)已成為MEMS生產(chǎn)中的瓶頸。使許多MEMS芯片沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用，限制了MEMS的發(fā)展。在MEMS封裝技術(shù)中，MEMS真空封裝是一個(gè)需要重點(diǎn)研究的課題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的MEMS器件都需要真空封裝，這些器件內(nèi)部都具有可動(dòng)部件或者真空腔體,只有采用真空封裝,才能獲得較好的性能。目前，吸氣劑方面的研究成果，提高了MEMS器件保持真空度的能力，使真空封裝后MEMS器件保持真空度的能力大幅度提高。

1 MEMS器件空氣阻尼分析

MEMS陀螺儀是典型的在空氣中和真空下封裝后，品質(zhì)因數(shù)相差較大的MEMS器件，以MEMS陀螺儀為例對(duì)MEMS器件的空氣阻尼進(jìn)行具體分析：

MEMS陀螺儀在空氣環(huán)境下的品質(zhì)因數(shù)約為150～200，當(dāng)真空封裝陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)達(dá)10萬(wàn)以上時(shí)，真空封裝陀螺儀的腔體內(nèi)氣壓很低。當(dāng)腔體內(nèi)氣壓較低時(shí)，氣體分子間的碰撞大大減小，甚至于不可能，而氣體阻尼的產(chǎn)生是由氣體分子與振動(dòng)結(jié)構(gòu)的碰撞而產(chǎn)生的，此時(shí)克努森數(shù)大于10(Kn＞10)，氣體屬于自由分子流區(qū)。自由分子流區(qū)的氣體分子的速度分布函數(shù)是平衡態(tài)的分布，即麥克斯韋分布，即：

式中：n為氣體分子數(shù)密度，k為玻耳茲曼常數(shù)(k=1.38×10-23J/K)，m為氣體分子質(zhì)量，T為絕對(duì)溫度，μ'、υ'、ω'為分子速度在 x、y、z軸上的 3 個(gè)分量。

式中：Rg為氣體常數(shù)，ρ=mn為氣體質(zhì)量密度。同理。阻尼系數(shù)為：

式(3)表明，氣體屬于自由分子流區(qū)時(shí)，作用在微結(jié)構(gòu)上的氣體阻尼系數(shù)與氣體分子密度成正比。而溫度不變時(shí)，氣體密度與壓強(qiáng)成正比，則腔體內(nèi)壓強(qiáng)可表示為：

式中，ρ0、P0分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的空氣密度和壓強(qiáng)，P0為真空封裝時(shí)封裝管殼內(nèi)的氣體壓強(qiáng)。對(duì)于采用體硅工藝加工的硅微器件，σ=0.8，當(dāng)品質(zhì)因數(shù)為1.4×105時(shí)，腔體內(nèi)的壓強(qiáng)約為12 Pa?？梢?jiàn)，當(dāng)MEMS陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)超過(guò)10萬(wàn)時(shí)。腔體內(nèi)的氣壓很小,，約為幾十帕。腔體內(nèi)有微量氣體分子的變化都會(huì)引起氣壓的較大變化，從而改變陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)。

因此，真空封裝技術(shù)不僅是提高M(jìn)EMS陀螺儀性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，還決定了MEMS陀螺儀的可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及其成本。

2 MEMS器件的封裝方法

2.1 圓片級(jí)真空封裝

圓片級(jí)真空封裝的全部工藝流程都可以在超凈間里完成，這大大提高了MEMS器件的成品率，成功的圓片級(jí)封裝將大大降低后續(xù)器件級(jí)封裝的難度，圓片級(jí)封裝是MEMS封裝的發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)外關(guān)于MEMS真空封裝的研究主要集中在圓片級(jí)真空封裝。由于國(guó)內(nèi)缺乏圓片級(jí)真空封裝的基礎(chǔ)，包括加工條件、加工工藝和圓片級(jí)真空封裝技術(shù)的認(rèn)識(shí)深度，因此，國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)MEMS器件的圓片級(jí)真空封裝仍需較長(zhǎng)時(shí)日。

2.2 芯片級(jí)真空封裝

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的真空封裝技術(shù)還很不成熟,存在成本高、可靠性不好等問(wèn)題?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)MENS器件的真空封裝主要還是通過(guò)氣密性封裝后，再抽真空來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要方法有：

(1)平行縫焊。平行縫焊是MEMS器件常用的一種封帽方式，平行縫焊是單面雙電極接觸電阻焊。平行縫焊只對(duì)局部加熱，封帽過(guò)程不會(huì)對(duì)芯片造成影響。

(2)激光焊。是利用激光束優(yōu)良的方向性和高功率密度的特點(diǎn)，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚集在狹小的區(qū)域和很短的時(shí)間內(nèi)，使被焊物形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。激光焊能量高度集中和可控，加熱過(guò)程高度局部化，不產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此不會(huì)對(duì)芯片造成影響。

(3)共晶焊。可實(shí)現(xiàn)氣體填充或真空封帽。它將焊料放在蓋板和外殼之間施加一定的力并一同加熱，焊料熔融并浸潤(rùn)焊接區(qū)表面，在毛細(xì)管力作用下擴(kuò)散填充蓋板和外殼焊接區(qū)之間的間隙，冷卻后形成牢固的焊接。蓋板焊料有金錫、金銻、錫銀銅等。由于吸氣劑激活工藝中需要高溫，因此一般采用共晶金錫(Au/Sn)合金作為焊料。

平行縫焊和激光焊的缺點(diǎn)是：真空度低，帶吸氣劑的器件不能用這兩種方法來(lái)焊接。隨著吸氣劑技術(shù)的成熟和廣泛使用，此兩種方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足封裝工藝的需要，所以必須用真空共晶的方法來(lái)進(jìn)行MEMS器件的真空封裝。

3 共晶設(shè)備用于MEMS的封裝

本課題研制的真空/可控氣氛共晶爐已經(jīng)廣泛運(yùn)用于微電子行業(yè)的共晶貼片及真空封帽,但是如果直接將此工藝設(shè)備用于MEMS器件的真空封裝,還存在以下問(wèn)題：

(1)MEMS器件的真空度是指封裝完成后，器件內(nèi)部的真空度。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，只能是在外部先把MEMS器件和蓋板對(duì)好后，在放到共晶爐里加熱共晶封帽.由于焊料的存在和MEMS器件管殼和蓋板的加工精度等因素的影響，使得MEMS內(nèi)部并不能達(dá)到爐子所抽到的真空度。

(2)吸氣劑的問(wèn)題。吸氣劑是用來(lái)獲得、維持真空以及純化氣體等，能有效地吸著某些(種)氣體分子的制劑或裝置的通稱(chēng)，它可以通過(guò)控制壓力或雜質(zhì)純度水平來(lái)維持合適的器件運(yùn)行環(huán)境(真空環(huán)境或惰性氣體環(huán)境)，從而能增強(qiáng)最終器件的可靠性并延長(zhǎng)其壽命。目前，國(guó)外已有將吸氣劑應(yīng)用于MEMS陀螺儀的成功范例。

但是，目前所用吸氣劑都需要激活，且激活溫度都要高于常用共晶焊料的溫度，所以，在焊接過(guò)程中，產(chǎn)生了焊接和吸氣劑激活的矛盾,如果要激活吸氣劑，就會(huì)使焊料在高溫下長(zhǎng)期處于熔融狀態(tài),影響焊料的物理化學(xué)性質(zhì)，產(chǎn)生漏氣等問(wèn)。如果只考慮焊料熔化，吸氣劑沒(méi)有被有效激活，又不能維持真空。見(jiàn)圖1。

圖1 帶吸氣劑的MEMS器件

綜上所述，現(xiàn)有的共晶設(shè)備已經(jīng)不能滿(mǎn)足MEMS器件的真空封裝工藝，新的封裝工藝流程如圖2所示。

圖2 MEMS器件級(jí)真空封裝流程圖

根據(jù)新的封裝工藝流程，對(duì)共晶設(shè)備和共晶夾具做相應(yīng)改造。如圖3a所示，封裝時(shí)帶吸氣劑的蓋板放置于加熱層石墨上，帶預(yù)置焊料的管殼倒置于活動(dòng)層石墨上。如圖3b所示，石墨夾具是可以活動(dòng)的，分為分離和對(duì)位兩種狀態(tài)。在爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，可以在兩種狀態(tài)間切換。

設(shè)備增加了運(yùn)動(dòng)功能，定制夾具放入爐內(nèi)后，驅(qū)動(dòng)石墨夾具到分離狀態(tài)，從爐內(nèi)左右兩側(cè)伸出的隔熱板(如圖4a所示)將蓋板和管殼隔離開(kāi)來(lái)，啟動(dòng)抽真空、加熱，只加熱位于加熱層的帶吸氣劑的管殼，防止位于管殼上的共晶焊料過(guò)早熔化。

圖3 定制石墨夾具

吸氣劑激活后，隔熱板收回。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)夾具對(duì)位，使管殼和蓋板準(zhǔn)確對(duì)位(圖4b)。由于抽真空時(shí)，管殼和蓋板處于分離狀態(tài)，所以對(duì)位后管殼內(nèi)依然保持此時(shí)爐體內(nèi)的真空度。重新啟動(dòng)加熱后，加熱焊料，使共晶焊料熔化，達(dá)到真空封裝的目的。

4 結(jié)論

本文對(duì)需要真空封裝的MEMS器件從理論上進(jìn)行分析，得出封裝后管殼內(nèi)的氣體壓力和品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系，氣壓越低，MEMS器件的品質(zhì)因數(shù)越高。隨著MEMS器件封裝要求的提高，對(duì)已有的共晶設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種可靠的封裝方法，能實(shí)現(xiàn)高真空封裝，并且運(yùn)用吸氣劑技術(shù)，使真空度能很好的保持。此方法能大大提高M(jìn)EMS器件的品質(zhì)因數(shù)。

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