芯片真空封装（芯片真空密封）

北京航天控制仪表研究所

胡其芳、李楠楠、梅薇、杨波、邢朝阳

1、概述

微电子技术的发展方向是更高集成度、更小尺寸、更低功耗、更低成本。超过摩尔时代，为了进一步提高微电子器件的集成水平，出现了同质堆叠集成、异质集成等三维集成技术。 MEMS惯性微系统三维集成技术是将传统MINU（微型惯性测量系统）的MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、接口电路芯片、中央控制芯片等部件通过TSV转移技术互连集成在硅衬底上。堆叠集成最终实现了MEMS惯性微系统在封装内的集成。 MEMS惯性器件的全硅化工艺技术和晶圆级真空封装工艺技术是下一代微惯性芯片的发展方向。 MEMS惯性器件采用全硅化工艺加工，可以最大程度地抑制材料热失配应力引起的零位漂移和比例因子漂移，提高MEMS惯性器件的温度稳定性。采用MEMS晶圆级真空封装对MEMS惯性器件进行零级封装，有利于减小MEMS器件的整体体积和成本，实现倒装焊接，提高良率。采用基于TSV的MEMS惯性器件三维集成技术还可以减少MEMS结构与ASIC电路之间的互连路径，稳定MEMS惯性器件前端的寄生参数，抑制干扰噪声前端的。

2、军事需求分析

微系统（微纳卫星、微飞行器、微地面机器人和微水下航行器等）和低成本制导武器（大批量、低成本、高制导精度的各类智能弹药、精确制导炸弹和战术导弹）是未来军事高技术的重要发展方向之一，是未来高技术条件下取得战争胜利的重要手段。微型导航、制导与控制系统是新一代微型系统和低成本制导武器发展的核心技术，也是制约其广泛应用的主要瓶颈之一。采用微系统集成制造技术生产的硅基MEMS微惯性器件和微惯性测量单元(MIMU)体积小、成本低、精度高、易于批量生产。它们是微型导航和制导系统的共同特征。核心技术。它在精确制导武器装备和民用领域有着巨大而广泛的应用需求，是当前国际研究热点。

MEMS惯性器件与IC工艺兼容的生产方法决定了其软封装形式。但MEMS封装不像IC封装那样有相对统一的封装标准、外形尺寸等。其集成开发初期的技术特点包括硅玻璃键合MEMS工艺解决方案、壳级真空/气密封装以及PCB板集成。近年来，MEMS惯性导航系统的发展体现在MEMS惯性器件的全硅化、器件的晶圆级真空/气密封装、电路ASIC以及初步实现惯性器件的SoC集成和惯性器件的SiP集成。导航系统。 MEMS集成惯性导航系统未来在微纳卫星、月球车、火星车、运载火箭、小型战术武器等方面的应用，将需要MEMS的超高集成度、超低功耗、小尺寸、抗辐射等特性惯性导航系统。以及大规模可制造性等，MEMS封装正在从2.5D向3D发展。

图1 3D集成MEMS惯性器件的军事需求领域

3、国内外研究概况、水平和发展趋势

2012年，美国国防高级研究计划局（DARPA）分析了惯性导航制导/组合导航系统在美国各类武器航母中的应用现状和未来需求。据分析，目前工作时间超过10秒的武器平台导航制导均采用GPS辅助，包括工作时间超过1小时至24小时的单兵个人导航系统。在实际使用中，GPS很可能会受到严重干扰或完全屏蔽，使得GPS辅助导航系统无法完成其使命。这些要求要求未来武器平台采用完全自主、高度集成、不依赖任何外部辅助手段的微型惯性导航/制导系统。基于这些分析，DARPA 启动了一系列高度集成的导航和制导微系统研究项目。微惯性导航系统集成制造技术是一个极其重要的研究方向。

为了满足MEMS小型化、轻量化、高性能、高可靠性的惯性发展需求，国际上普遍采用全硅基3D晶圆级封装（3D-WLP）技术来实现高质量量产。瑞典Silex公司2008年推出的标准硅通孔工艺已成为MEMS陀螺仪和加速度计WLP的标准技术，如图2所示。通孔采用绝缘体填充技术，并采用重掺杂低阻硅作为电极导体。导通电阻为1D量级，可实现可靠的真空/气密晶圆级封装。它仍然是惯性MEMS器件的主流。晶圆级封装技术。

图2 瑞典Silex采用TSV技术生产的WLP系统集成

加拿大DALSA是北美一家拥有完整技术能力的OEM公司。为美国、加拿大各大学、研发机构提供OEM服务。它还推出了自己的标准金属导体垃圾填埋场TSV技术。并开发了10轴集成惯性器件的标准工艺方案，可在同一芯片上同时实现气压计的真空、气密性和放气孔，如图3所示。

图3 用于集成制造6轴惯性器件的TSV和WLP

高集成度的MEMS晶圆级真空解决方案采用ASIC芯片作为盖板，对MEMS器件进行晶圆级真空封装，如图4所示。ASIC芯片流片时，需要通过TSV过孔进行电极引出（ I/O）需要进行。 ASIC盖板和MEMS芯片焊接面还需要制备TSV接触孔并制作邦定焊环。该技术方案的优点是集成度高，不需要直接垂直堆叠并通过TSV转接板集成MEMS-IC。但这种技术方案的先天缺陷是ASIC的MEMS芯片面积需要一致，而且IC技术的微缩速度比MEMS技术快得多。如果要求两者的芯片面积一致，就会导致芯片面积的浪费和成本的增加。此外，ASIC流片的晶圆尺寸已达到12英寸，而MEMS芯片的流片尺寸一般为4至8英寸，难以进行晶圆级真空封装和键合。该技术更适合MEMS和IC在同一工厂、相同工艺条件下流片，并且MEMS的器件良率必须达到IC的良率。同时，MEMS器件的精度要求也不能太高。因此，它更适合消费电子MEMS惯性器件，但不适合性能要求更高的军用MEMS惯性器件。

图4 MEMS-IC单片集成晶圆级真空封装方案

美国公司InvenSense针对MEMS-IC单片集成MEMS晶圆级真空封装提供了类似的技术方案，如图5所示。其特点是不采用TSV作为MEMS器件的电极引出方案，而是采用TSV作为MEMS器件的电极引出方案。直接使用ASIC中的金属引线作为跨越封装内部和外部的电引线。它比上述解决方案更先进，但也不适用于高性能军用MEMS器件的晶圆级真空封装。

图5 美国InvenSense公司单片集成MEMS-IC晶圆级真空封装解决方案

瑞典AAC Microtec提出了一种基于双面镀铜的TSV盖晶圆级真空封装解决方案（XiVIA），如图6所示。其特点是与传统TSV相比，该技术可以生产MEMS晶圆级真空封装。硅片上穿透硅片的封装盖板，厚度为300~800微米。因此，盖板具有更大的刚性，更适合惯性MEMS。设备的真空包装。然而，该技术使用电镀铜来制作TSV 电极引线，同时也用作气密密封填充材料。因此，它具有与普通金属化TSV 技术相同的长期可靠性问题。特别是在军用全温环境下，电镀金属与硅基板结合的紧密程度直接影响器件的泄漏率和长期真空度。

图6 AAC Microtec的XiVIA晶圆级真空封装解决方案

Silex公司提出了一种基于玻璃熔化回流技术的MEMS晶圆级真空封装盖板新加工技术，如图7所示。其技术特点是在硅晶圆上刻蚀单晶硅TSV硅柱阵列，形成周围有一个隔离环。阳极键合用于将一块硼硅酸盐玻璃键合在蚀刻表面上，并在隔离环中产生真空。将粘合好的硅玻璃片在高温退火炉中加热直至玻璃熔化，并在真空作用下回流到TSV硅柱周围的真空隔离环中。经过硅减薄、玻璃减薄、CMP抛光、BGA植球等后续工艺，最终形成可用于MEMS器件晶圆级真空封装的盖板。该工艺技术的优点在于可以有效增加TSV周围绝缘介质层的厚度，从而有效降低各引脚之间的寄生电容。但该工艺整体工艺流程极其复杂，导致采用该技术的MEMS器件流片良率较低。

图7 Silex的Sil-Via晶圆级真空封装技术

美国ADI公司提出了基于玻璃通孔（TGV）的MEMS晶圆级真空封装工艺方案，如图8所示。其特点是通过蚀刻玻璃形成通孔，并用金属回填通孔。优点是不需要准备绝缘介质层，各个电极之间的绝缘性非常好。其缺点是无法实现高真宽比TGV，无法克服玻璃与硅材料之间的热失配应力。

图8 美国ADI基于TGV的MEMS晶圆级真空封装解决方案

国际惯性MEMS领域的领先公司和研究机构，如德国博世、美国mCube、德国弗劳恩霍夫研究所等，针对惯性MEMS技术的三维集成开展了一系列研究，并且部分技术在产品化方面也取得了突破。惯性MEMS三维集成技术的优势和应用价值备受业界关注。就国际上已公开的惯性MEMS三维集成技术而言，大致可分为三种类型。一是将惯性MEMS芯片和MEMS专用ASIC芯片堆叠在一起，并利用引线键合实现两个芯片之间的电连接；一是在制造过程中将惯性MEMS晶圆与MEMS专用集成电路IC晶圆进行键合，实现芯片堆叠和电连接。另一种是基于TSV技术的惯性MEMS三维集成。下面将进一步介绍以上三种惯性MEMS三维集成技术。

图9是Maxim开发的三轴MEMS陀螺仪。该产品采用LGA封装，体积为3mm x 3mm x 0.9mm。其中MEMS陀螺仪芯片采用奥地利Sensor Dynamic公司与德国Fraunhofer研究所联合开发的PSM-X2表面技术生产MEMS陀螺仪芯片，并采用AuSi共晶键合工艺实现MEMS陀螺仪芯片的真空封装。

图9 Maxim开发三轴MEMS陀螺仪产品

图10是美国InvenSense公司开发的MPU-6500六轴IMU产品。它采用24 个I/O 端口QFN 封装，I/O 端口间距为0.5 mm。该产品采用AlGe键合工艺，将MEMS陀螺仪结构层晶圆与MEMS专用集成电路IC晶圆键合。 Ge键合层用于实现MEMS陀螺仪结构层与MEMS专用集成电路之间的电连接，盖帽覆盖MEMS陀螺仪结构层，MEMS专用集成电路通过键合和引线键合固定在QFN衬底上实现与QFN基板的电连接。产品体积仅为4mm x 4mm x 0.9mm。

图10 InvenSense研发的六轴IMU产品

从以上两个例子可以发现，新型键合工艺、芯片堆叠、晶圆级真空封装已成为减小惯性MEMS器件尺寸、提高集成度的有效技术手段。值得注意的是，无论是MEMS专用IC晶圆与惯性MEMS晶圆/盖帽的芯片堆叠、引线键合还是晶圆级键合集成，MEMS专用ASIC芯片工艺/尺寸都需要考虑惯性MEMS结构设计可以说，MEMS专用ASIC芯片、惯性MEMS芯片以及两者的三维集成工艺融为一体。

TSV技术的应用和发展推动了基于TSV的惯性MEMS三维集成技术的研究，为惯性MEMS三维集成提供了新的技术途径。国际上已公开的技术方案中，可细分为三种情况。首先是TSV互连技术与惯性MEMS结构层制造工艺的融合，形成晶圆级封装形式。二是TSV互连技术与惯性MEMS结构层生产技术的融合。集成MEMS专用ASIC晶圆制造工艺，形成晶圆级封装形式。第三种是TSV转接板技术形式。将惯性MEMS芯片和MEMS专用ASIC芯片组装在TSV转接板上，形成惯性MEMS三维集成模块。下面将介绍基于TSV互连的惯性MEMS三维集成技术。

图11 mCube研发的三轴MEMS加速度计产品

图11是美国mCube公司开发的三轴MEMS加速度计芯片截面的扫描电子显微镜照片。该产品于2013年推出市场，是当时全球最小的三轴MEMS加速度计，面积仅为2mm^2。该产品采用Al-Ge键合工艺将MEMS加速度计结构层晶圆键合到MEMS专用集成电路IC晶圆基板上。 MEMS加速度计结构层上有硅通孔，硅通孔内填充金属钨，通过钨TSV互连实现MEMS加速度计结构层与位于衬底位置的MEMS专用IC之间的电连接，封盖晶圆通过键合工艺实现MEMS加速度计结构的局部气密封装。可以发现，在该集成解决方案中，TSV互连与惯性MEMS器件设计/加工密切相关。惯性MEMS专用IC晶圆与惯性MEMS结构晶圆也有着密切的关系。三者构成一个有机的整体。惯性MEMS专用IC设计和惯性MEMS结构设计是相互作用的。

图12 博世开发的WLCSP封装的MEMS三轴加速度计

图12是德国博世公司开发的MEMS三轴加速度计芯片，与美国mCube公司开发的技术有明显不同。在这个三维集成解决方案中，MEMS专用IC采用Via-Middle技术来生产铜TSV。 MEMS加速度计芯片采用类似于MEMS专用集成电路IC堆叠而成，采用晶圆级小尺寸封装技术，体积仅为1.2 mm x 1.5 mm x 0.8 mm。

结合两者可以发现，TSV互连与晶圆键合相结合已成为实现惯性MEMS三维集成的有效方法。它是推动惯性MEMS小型化、三维集成化的有效技术途径。同时，TSV互连、惯性MEMS设计/制造、惯性MEMS专用IC芯片设计/制造，三者构成有机整体，需要相互配合。此时，它们在一定程度上是封闭的，技术门槛较高。

图13 德国弗劳恩霍夫研究所提出的惯性MEMS三维集成TSV转接板技术构想

图13是德国弗劳恩霍夫研究所2014年在国际顶级学术会议ECTC上报告的基于TSV转接板的惯性MEMS三维集成技术概念。该项目得到了欧盟政府部门的支持，其核心思想是使用TSV 作为通用基板平台，转接板是指含有TSV 互连的硅晶圆，其上下表面均制作有重新布线层。微凸块用于在TSV 适配器板上组装惯性MEMS 芯片和MEMS 专用IC。芯片，这可以利用TSV转接板在热膨胀系数失配、线宽匹配等方面的优势，释放传统惯性MEMS三维集成技术对MEMS专用IC可选工艺的限制，并提供惯性MEMS 芯片的低应力组装。设计空间允许集成更多功能芯片，具有开放性的特点和优势。

德国弗劳恩霍夫研究所提出的惯性MEMS三维集成技术概念采用传统的铜TSV转接板技术。由于惯性MEMS芯片的厚度一般在300m以上，为了匹配惯性MEMS芯片与TSV转接板的机械强度，TSV转接板的厚度设计为200m。同时，由于铜TSV互连线与周围硅衬底的热膨胀系数不匹配，铜TSV互连线的直径控制在20m，且TSV互连线的深宽比10。这是TSV技术目前面临的一大挑战。此外，含有大量铜TSV 互连的硅中介层会加剧它们与惯性MEMS 芯片之间的热应力失配。为了克服传统铜质TSV转接板在惯性MEMS芯片三维集成应用中存在的上述问题，德国弗劳恩霍夫研究所提出了基于TSV转接板的三维集成应用惯性MEMS器件设计和生产工艺平台板。惯性MEMS器件采用玻璃浆晶圆键合实现晶圆级封装，并利用与周围空气电隔离的微导电柱实现惯性MEMS器件内部功能结构与外部的电连接。惯性MEMS 器件采用倒装芯片接合方式，并通过空气隔离的微导电柱固定至TSV 适配器板。空气隔离微导柱用于解决惯性MEMS器件与TSV转接板之间的热应力失配问题。图14是基于空气电隔离微导柱的惯性MEMS器件的制造工艺流程图。图15 显示了加工后的惯性MEMS 器件，图16 显示了加工后的惯性MEMS 器件上具有空气电隔离的微导电金属柱。

图14 基于空气电隔离微导柱的惯性MEMS器件制造工艺流程图

图15 基于空气隔离微导电柱的惯性MEMS器件

图16 空气隔离微导柱设计加工实拍照片

4、展望与思考

从国外领先的惯性MEMS研究机构的研究成果可以发现，惯性MEMS器件模块的顶层设计与MEMS芯片的工艺设计、MEMS专用ASIC芯片的设计的协同，惯性MEMS芯片和MEMS专用IC芯片等的集成工艺设计对于惯性MEMS来说非常重要。设备的整体性能至关重要。惯性MEMS三维集成技术的研究是惯性MEMS领域研究的重要组成部分。对于提高惯性MEMS器件研究水平、推动惯性MEMS应用发展具有重要意义。

惯性MEMS三维集成TSV互连技术通过提供垂直穿透惯性MEMS芯片或MEMS专用集成电路IC芯片的TSV互连，为两者的堆叠式三维集成提供了便利。更重要的是，它有利于两者的立体融合和循环融合。芯片级封装的集成化提供了设计空间，有效减小了惯性MEMS三维集成模块的体积/重量，提高了集成度。

惯性MEMS三维集成TSV转接板技术为惯性MEMS芯片、MEMS专用IC芯片等提供了通用的基板平台，并具有提供与惯性MEMS芯片或MEMS专用IC芯片匹配的线宽和低热膨胀系数失配的优点。 IC芯片。可有效降低惯性MEMS三维集成模块的体积、重量、热应力水平等。更重要的是，基于TSV转接板的惯性MEMS三维集成技术对惯性MEMS芯片和MEMS专用IC芯片的工艺影响很小，允许使用不同工艺的其他功能芯片集成在TSV转接板基板上，具有良好的开放性。至此，符合惯性MEMS三维集成多功能一体化的未来趋势，将成为未来惯性MEMS三维集成TSV互连技术发展的重要方向。

近年来，国内清华大学、北京大学、东南大学、航天十三院、航天三十三院、兵器科学研究所、电力十三院、航空六院等国内科研院所开展了系统、深入的研究。深入研究惯性MEMS器件。稳步推进，建立了独特的惯性MEMS器件加工技术。惯性MEMS器件部分指标已达到或接近国际水平，目前正处于应用突破阶段。但惯性MEMS器件三维集成TSV互连技术研究相对落后，与国外存在较大差距。迫切需要开展惯性MEMS器件三维集成技术研究，加速惯性MEMS器件的应用和发展。北京大学开展了TSV互连、Bump、多层存储芯片堆叠等TSV三维集成关键技术的研究。已在ECTC等国际学术会议上发表多篇论文，申请多项发明专利，初步展示了发展惯性MEMS三维集成TSV互连技术研究的潜力。

考虑到基于TSV的惯性MEMS三维集成技术的特点和发展趋势，以及国内惯性MEMS器件和TSV互连技术的研究布局和特点，基于TSV适配器的惯性MEMS三维集成技术董事会将在国内率先开展惯性MEMS三维集成研究。对国内惯性MEMS器件技术影响较小，有利于保持和提高惯性MEMS器件研究水平，可以整合惯性MEMS器件、MEMS专用IC等环节的研究力量，提升惯性MEMS器件研究产业链。