续《MEMS封装技术简介（一） 》
3. 封装技术分类
3.1 封装材料
一般来说，MEMS器件对封装材料有如下要求：封装材料的电导性要低，以降低电信号传送的干扰；传热性要好，对某些应用是需要散热，而另一些应用，诸如热传感器，则要求其与外界的温度保持一致；密封性能要好，对一些微机械结构而言，空气中的某些气体成分对其有腐蚀作用，而且杂质也会影响微机械系统的正常工作，因此要求封装材料具有良好的密封性能，才能保证器件的高可靠性。目前，用于MEMS封装的材料主要有陶瓷、金属和塑料等几种。
(1) 陶瓷封装
可靠、可塑、易密封等特性使得陶瓷在电子封装领域占有重要地位，它被广泛使用于多芯片组件以及球栅阵列等先进的电子封装技术中。这些优点也使陶瓷成为MEMS器件的封装的首选材料，许多已经商业化的微机械传感器都使用了陶瓷封装。但是使用陶瓷封装的成本要高于其他材料。
(2) 金属封装
在集成电路工业发展初期，芯片上的晶体管和引脚数目较少，而金属封装由于其坚固性和易组装性而得到应用。出于同样的原因，也有很多MEMS器件使用了金属封装。同时，金属封装还具有短的制作周期，焊封后的密封性较好等优点。但它的成本还是比塑料封装要高。
(3) 铸模塑料封装
铸模塑料不具备陶瓷或者金属的密封性能，但由于其成本低廉、可塑性强的优点而在集成电路封装中得到越来越多的使用。而且近年来铸模塑料封装在提高可靠性方面的研究取得了很大进展因而应用更为广泛。在MEMS器件封装方面，由于密封性能不够好，而限制了塑料封装在某些对密封性能要求较高的领域的应用。目前，吸气剂方面的研究成果则给了塑料封装在MEMS方面应用的新契机。吸气剂可以用来去除MEMS器件内部的湿气以及其他一些会影响器件可靠性的微粒，使用适量的吸气剂和塑料封装技术就可能获得准密封的封装效果，从而在降低封装成本的同时保证了MEMS器件的可靠性。
3.2 封装技术
目前，对MEMS封装技术的研究主要集中在特定应用的微传感器与微驱动器，也有少量的通用封装技术与整体封装规划设计的研究。MEMS封装按封装层次可分为三级：圆片级封装(Wafer-leverpackage)、芯片级封装(Chip Packaging)、系统级封装(System-in-package)。不同级别的封装，其封装目的及所采用的具体技术都有所不同，下边介绍几种MEMS封装中的技术。
(1) 单片全集成MEMS封装技术
全集成的MEMS是指在一个基底上形成微结构和微电路，并使之成为一个系统。它的优势很明显：具有最小的尺寸、最短的内部连接长度、最佳电气特性、最高输出入接点密度、最小功耗，这也是MEMS发展的方向。但以目前的技术条件，制作这样系统的难度比较大，原因在于电子和MEMS器件在材料和制作工艺上的不兼容性和昂贵的成本，这样的器件对封装技术的挑战也是很大的。所以，根据目前的情况，多芯片组件技术和混合电路封装技术更具竞争力。为实现单片全集成MEMS器件及其封装，有很多科研机构进行了相关方面的研究，并取得了一定的成果。
(2) 多芯片组件(MCM)封装技术
多芯片组件是指将多个芯片固定在一个基板上，进而集成在一个封装之内，而这些不同的芯片可以是用不同材料和工艺制作的。这样做的一个好处就是可以充分利用已有的条件和设备，分别地制造一个MEMS器件的不同部分，再通过多芯片组件技术将它们组装到一起，从而形成一个系统。多芯片组件技术中，如何将不同的芯片组件有效地连接起来是一个关键问题。目前一般有两种方式：一是将芯片固定在基板的表面上，通过基板上的金属导线连接各个芯片；另外一种方式是将芯片埋入基板之中，然后通过位于芯片顶面上的连接层，使用焊线或者倒装芯片等技术实现芯片之间的连接。一般MEMS器件在投入使用之前还要经过一次蚀刻从而最终形成三维结构或者可移动部件，问题是MEMS器件上的微结构比较脆弱， 容易被损坏。所以，MCM应用的另外一个问题就是这道蚀刻工序应该在封装前作还是封装后作，从MEMS器件角度出发，是希望在封装后再完成这道工序，但是蚀刻又可能对芯片上的微电子结构造成破坏，这一矛盾正在进一步研究。
(3) 倒装芯片技术
倒装芯片技术是一种将晶片直接与基板相互连接的封装技术。在封装过程中，芯片以面朝下的方式让芯片上的结合点透过金属导体与基板的结合点相互连接的封装技术。和传统的引线键合技术相比，使用倒装芯片技术后，引脚可以放在晶粒正下方的任何地方，而不是只能排列在其四周，这样就能使得引线电感变小、串扰变弱、信号传输时间缩短，从而提高电性能；同时，由于倒装芯片技术可以将导电晶体直接覆盖在晶粒上，从而能够大幅缩小晶粒的尺寸，实现芯片尺寸封装(CSP)。倒装芯片结构如图1。
图1 倒装芯片结构示意图
倒装芯片技术对MEMS产业的另一个吸引力在于它能够在一个基板上安装数个独立的MEMS芯片，使这些芯片通过基板内的多层电气连接层形成一个系统。例如，可以使用倒装芯片技术在一个封装内安装三个加速度计，一个速度传感器和一个专用集成电路，从而形成一个全内置的导航系统。也就是说，使用倒装芯片技术有可能实现多芯片混合封装，从而形成一个复杂的系统。鉴于倒装芯片技术本身的一系列优点，它已成为MEMS封装中有吸引力的选择。
(4) 近密封封装技术
很多MEMS器件要求封装具有较好的密封性，因为器件中的湿气和一些物质微粒可能会影响其可靠性，但密封的最大问题是成本太高，而且很多情况下完全密封并不是必须的，一个解决方法是用准气密封装。随着技术的发展，人们采用近气密封装替代准气密封装，它通过使用某些特定的封装材料来实现一定密封级别的同时为MEMS器件提供活动空间或者光学通道的一种封装技术，采用的封装材料大多是热固塑脂类环氧基聚合物或者热塑性塑料系列材料等高分子材料。在达到特定密封级别的条件下，近气密性封装的成本结构接近塑料飞气密性封装，具有封装性能好、成本低的优点。
(5) 模块式MEMS封装设计
降低MEMS器件生产成本的一种方法是实现批量生产，但MEMS器件在很多专业领域的使用量却不可能很大，因而MEMS器件封装的另外一个任务就是要使得批量生产的MEMS器件也能够在一些专用的微系统应用领域中使用，这样能够减少在封装设备上的投资。德国Fraunhofer IZM提出了模块式MEMS封装的概念。模块式MEMS与传统的微机械系统的最大差别在于它要为MEMS设计提供一些模块式的外部接口，从而使MEMS器件能使用统一的标准化的封装批量生产，进而降低MEMS器件的生产成本，缩短产品生产周期。模块式MEMS设计依赖于许多微加工和精密工程的加工技术，这种设计的主要特点之一是要求封装可以向三维空间自由扩展和连接，形成模块并能够完成一些功能，同时要保证尽可能高的封装密度。模块式MEMS封装设计要同时考虑封装的兼容性、功能性和可靠性等重要因素。不同的外部接口对应于不同的应用领域，也可以按其结构和用途划分接口，一般分为光学接口、流体接口和电学接口。
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