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如果你正在尋求挑戰，那么就試試將微電機系統(MEMS)IC 和傳統IC 以及其它MEMS IC互連吧。MEMS 技術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械功能的集成。那么這種工藝的最終目標是什么呢？答案是：將MEMS 結構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系統(MOEMS)的器件采用微鏡引導高清電視中的信號，今后甚至會引導互聯網上的信號。另外一種技術是硅片微通道(微流體)，可以用來處理實驗室芯片上的氣體、液體和納米顆粒，從而可能實現醫療領域的重大突破。 現在有一些傳統IC 使用貫通硅片通孔(TSV)來將芯片連接進更薄的三維結構。制造商正在開發相應的工藝，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 會應用到MEMS 互連領域。 基本原理 因為MEMS 芯片必須放在空腔或其它不影響其機械運動的空間里，因此不能采用傳統方法進行封裝。芯片必須采用封帽或環氧包覆成型技術，不過不能用傳統的包覆成型技術，因為MEMS 結構不能被“鎖定”在位置上。另外，MEMS 芯片必須防止受到IC 技術常見的雜質污染。裸模切割引起的殘渣和標準IC 工藝的高溫效應對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行信號處理和其它功能才能發揮作用。這是因為MEMS 工藝有別于CMOS 之類標準IC 工藝。在幾乎全是MEMS 芯片的支持電路中需要額外芯片，并導致許多可能的互連實現(參見“MEMS Meets ASIC”)。 根據MEMS器件的結構特性，傳統的多晶硅處理工藝不能用來集成MEMS 器件和傳統芯片。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 結構。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 集成到標準硅基電子器件上部成為可能(參見“Low-Temperature SiGe Processing Advances MEMS Integration”)。 使用改進型封帽材料正變得越來越流行，并且有許多技術可用來連接MEMS 器件和其它芯片。晶圓級和器件級封裝常被用來進行MEMS 芯片的大批量生產，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 芯片上放一個常規帽，然后綁定芯片。許多涉足三維芯片堆疊的公司都在開發通孔工藝來創建硅微孔。再對微孔進行電鍍，這樣做允許實現無源芯片堆疊。 上述工藝可以在晶圓級用氣密封接實現，可避免任何后續封裝步驟。事實上，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，就可以使用傳統芯片工藝處理芯片封裝，甚至可以用液體分配或轉移包覆成型技術進行封裝。 VTI 科技公司的玻璃硅封帽晶圓技術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低的饋通孔(feed-through)。硅面積通過玻璃晶圓從頂部接觸面延伸到底部電極。底部實現與MEMS 結構的歐姆連接，并用作平面電極實現垂直檢測或激勵。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。對高級密封性而言，空腔可以使用轉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 芯片應用(比如消費類電子)來說要增加不少成本。 許多MEMS 芯片制造商選擇成本較低、采用轉移成型環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，當熱量移走時會風干變脆。 熱塑材料非常穩定，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，并能被融化和復用，從而實現回收利用。 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，熱塑材料在生物醫學領域有著長遠而優秀的記錄，比如耐藥性聚合物做的支架和醫療植入設施。然而在MEMS 方面他們幾乎被忽略了。對MEMS 來說熱塑材料的優勢和自然適合性非常明顯，他相信肯定有人在為MEMS 開發合適的熱塑材料。 目前業界正在向晶圓級封裝轉移，在整個封裝完成時MEMS 器件仍將處于晶圓格式。許多MEMS 專家認為這種新興技術是非常理想的方案，它不僅使MEMS 芯片與其它芯片集成的工藝流水線化，而且降低了整體成本。 目前已有成功的例子。例如Tessera 的圖像檢測芯片，它采用的是公司的Shellcase 技術(參見“Razor-Thin Package Sharpens Image-Sensing Applications”)。象壓力傳感器、加速計和其它MEMS 芯片受益于晶圓級封裝只是時間問題。 Tessera/Shellcase 例子代表了將芯片堆疊成更薄的整體封裝結構的趨勢。不過真正的三維集成是另外一個挑戰，它要求互連方法能減少互連線的平均長度，以便克服芯片越來越薄時性能受限的問題。 Tezzaron 半導體公司的垂直銅互連技術SuperVia 被廣泛用于MEMS 綁定/校正設備以及獨特基底的創建。據該公司透露，該方案的銅到銅綁定不僅滿足而且超過了互連的最小強度要求，甚至超過了典型的銅到二氧化硅(SiO2)接口的強度。 一些成功的商用案例 許多MEMS 芯片制造商已經成功利用傳統的IC 處理工藝生產出帶信號調整電路的MEMS芯片。然而，這些工藝中有許多是自己開發的，或從其它成熟公司獲得的許可。 模擬器件公司(ADI)在十多年前就利用表面顯微機械加工技術率先開發出單片MEMS 加速計。在那以前，所有其它MEMS 器件都是采用大塊顯微機械加工技術生產的。ADI 則采用了biCMOS 工藝，其中MEMS 結構與信號處理電路緊靠著排放。 首先，選擇性蝕刻被應用于標準IC 光刻工藝。然后在多晶硅層沉積一層犧牲性氧化層。生成的三維MEMS 結構就懸浮在基底上。biCMOS 工藝被廣泛用于信號處理電路(圖2)。 Akustica 公司的單片CMOS MEMS 麥克風芯片包含一個金屬化層，該層被引出后連接到獨立制造的CMOS 信號處理電路。制造工藝的最后一步是去除犧牲性氧化層(圖3)。 SiTime 和Bosch Sensortec 在MEMS 芯片和信號處理電路商用化方面也取得了成功。SiTime采用了Bosch 許可的MEMS First CMOS 工藝。據此將帶有溫度補償電路的MEMS 時序電路集成進工業標準封裝中(圖4)。 Discera 公司也成功制造出了MEMS 時序電路。但與Bosch 和SiTime 不同的是，Discera 在CMOS 信號處理電路制造完成后將MEMS 結構放在下面。最近該公司還推出了一個可編程的雙芯片MEMS 時序電路。MEMS 諧振器被放在封帽后的結構中，再利用晶圓級工藝將信號調整ASIC 通過線綁定互連到諧振器結構。 更成功的MEMS 芯片商用化案例之一是TI 公司的數字光學處理(DLP)技術。TI 的MOEMS數字微鏡器件(DMD)采用的就是這種技術。DMD 芯片已經成為屏幕對角線長度在60 英寸以上的家庭影院、背投、高清電視的基礎。然而，MOEMS 在互連和封裝方面遇到的挑戰比MEMS 芯片更為艱巨(參見“互連MOEMS 芯片”)。 微流體(microfluidic)挑戰 互連MEMS 芯片的挑戰已經夠大的了，但與互連微流體MEMS 相比就算不了什么，后者要求非常專業的封裝和電路板。微流體的要求比MEMS 芯片及其電子互連高得多，需要采用類似鉛制造的方法來處理液體、氣體和固體。總之，它們通常需要流體連接器和耦合以及光通道(圖5)。 互連這些微流體芯片的最佳方法是使用壓接互連至用聚二甲基硅氧烷(PDMS)成型的微流體通道。首先，在PDMS 上鉆一個小洞，并用一個微型針接入成型或埋入的微通道。然后用另外一個針插進小孔，建立無需綁定或成型的到微通道的直接連接。這些針隨后可以很容易地被多次插拔，因為密封完全是依靠每個針周圍的PDMS 壓縮實現的。 |
