惯性MEMS封装集成技术研究进展
最新更新时间：2019-11-08
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本文内容转载自《导航与控制》2018年第6期，版权归《导航与控制》编辑部所有。
李男男，邢朝洋
北京航天控制仪器研究所
摘要：随着微机电系统（MEMS）的器件圆片级封装技术、垂直互连转接板技术、新键合工艺技术等技术研究的出现，惯性微系统正在朝着三维封装集成架构发展，以满足微电子技术更高集成度、更小体积、更低功耗、更低成本的发展需求。
本文介绍了MEMS惯性器件和MEMS惯性微系统三维集成技术，硅通孔（Through Silicon Via，TSV）三维互连技术和倒装芯片技术为惯性MEMS微系统三维集成一体化提供了设计空间，有效地降低了惯性MEMS三维集成模块的体积、质量，提高了集成度，符合未来惯性MEMS三维集成多功能融合趋势的需求。
关键词：微机电系统；惯性微系统；三维集成；硅通孔；倒装芯片
0引言
微小型系统（微纳卫星、微小型飞行器、微小型地面机器人及微小型水下航行器等）及低成本制导武器（批量大、成本低、制导精度较高的各类灵巧弹药、精确制导炸弹和战术导弹）等是未来军事高科技的重要发展方向之一，也是取得未来高技术条件下战争胜利的重要手段。
微小型导航、制导与控制系统是新一代微小型系统发展及低成本制导武器的核心技术，也是制约其广泛应用的主要瓶颈之一。
硅基MEMS微惯性器件及结合微系统集成制造技术制作的微惯性测量单元（Micro InertialMeasurement Unit，MIMU）具有体积小、成本低、精度较高且便于大批量生产的特点，是微小型导航制导系统的共性核心技术。
在精确制导化武器装备及民用领域具备广阔的应用需求，是当前的国际研究热点。
近年来，三维集成技术的发展，促进了系统微封装集成技术的发展，其应用领域正由芯片向集成度、复杂度更高的系统级三维集成方向发展。
采用三维集成制造技术，令每个功能模块占据一层芯片通过高密度TSV将其集成，可将由不同工艺制造的混合型芯片集成于一个系统中。
这个复杂的系统包含了逻辑、存储、光学、电学、射频系统，以及MEMS传感器等多个在封装内集成的模块。
MEMS惯性导航系统的发展体现于MEMS惯性器件的全硅化、器件的圆片级真空/气密封装、电路专用化（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），初步实现了惯性器件的片上系统（System on Chip，SoC）集成，以及惯导系统级封装（System in Package，SiP）集成。
在未来，MEMS集成惯导系统在微纳卫星、月球车、火星车、运载火箭及小型战术武器中的应用，对MEMS惯导系统的集成度、功耗、体积、抗辐照性能及可批量制造性等提出了更高的要求，MEMS封装技术正在从2.5D向3D方向发展。
1国内外研究的水平和发展趋势
据美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）分析，工作时间超过10s的武器平台的导航制导目前均得到了全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的辅助，甚至还包括工作时间为1h~24h的单兵个人导航系统。
在实际使用过程中，GPS极可能被严重干扰或完全阻塞，而使得由GPS辅助的导航系统无法完成工作任务。这些现状，均要求在未来的武器平台中，使用一种全自主的、不依赖任何外部辅助手段的高集成度微型惯性导航/制导系统。
根据这些分析，DARPA已经启动了一系列高集成度导航制导微系统研究计划，而微惯性导航系统的集成制造技术是其中极为重要的研究方向。
其中的关键，在于如何利用先进的集成制造技术，实现惯性器件与集成电路（Integrated Circuits，ICs）等的小体积、低成本、大批量生产。此外，惯性器件的正交集成已成为了MEMS封装集成发展的瓶颈。
图1 MEMS封装集成发展路线图
（1）MEMS惯性传感器集成技术
MEMS惯性器件必须与集成电路结合才能有效工作，集成电路用于实现MEMS传感器与外界之间的通信，起到信号调节功能，例如模数转换、放大滤波和信息处理电路等。
因此，绝大多数商用MEMS惯性产品（加速度计、陀螺仪）和IC组件被集成或封装在一起，以实现更短的信号路径长度、更小的寄生电容、更低的互连电阻、更小的封装尺寸/体积。
MEMS和IC组件的集成和封装可通过多种可能的方法实现，对其的技术选择很大程度上取决于设备、应用领域和商业要求。
基于制造技术的发展，为满足移动电子设备和高端芯片的需求，存储、CPU及MEMS等器件模块正在朝着三维架构方向发展，成为了“超越摩尔”技术的重要技术领域，如图1所示。
为了满足MEMS惯性器件对小型化、轻质化、高性能、高可靠性的需求，国际MEMS惯性领域中的领先企业、研究机构等（如德国Bosch公司、美国mCube公司、德国弗朗恩霍夫研究所等）均对惯性MEMS三维集成技术开展了一系列研究。
MEMS惯性器件与IC组件的封装集成，实现了从多芯片模组（Muli-chip Modules，MCM）到SiP技术、SoC技术再到圆片级芯片封装（Wafer Level Chip Scale Package，WLCSP）技术、三维堆叠集成技术的发展，实现了从独立设计、制造和测试的板级集成，向基于晶圆级单片的系统级芯片解决方案集成技术，以及三维异构集成技术的发展，如图2所示。
图2 MEMS惯性传感器集成技术
就国际上己经公开的惯性MEMS三维集成技术而言，其大致可被划分为3种，如图3所示：
1）惯性MEMS芯片与MEMS专用ASIC芯片层叠，利用引线键合方式实现2颗芯片之间的电气连接。
2）在制造过程中，惯性MEMS圆片与MEMS专用集成电路IC圆片两者键合，实现芯片层叠与电气连接。通常采用一种横向电极引出的封装集成技术方案，直接使用ASIC中的金属引线作为跨越封装内外的电学引出导线。
3）基于TSV技术的惯性MEMS三维集成（如WLCSP技术）成为了MEMS微系统尺寸减小、集成度提高的有效技术手段，使得MEMS微系统的3D硅通孔互联技术取得了产品化的突破。
以上3种三维集成方式，实现了惯性MEMS芯片到芯片（Chip to Chip，C2C）、芯片到晶圆（Chip to Wafer，C2W）及晶圆到晶圆（Wafer to Wafer，W2W）的堆叠集成，实现了惯性器件的商业/军事应用。
图3 惯性MEMS三维集成技术
（2）MEMS惯性微系统集成技术
美国国防部在20世纪90年代末率先采用异构集成技术，将微电子器件、MEMS器件整合集成在一起，开发出了集成微系统的新概念。
它的核心是按武器装备功能发展的需求，将多种先进元器件通过异构集成技术，以三维集成的结构形式大幅度降低导航系统的体积、功耗，使其易于批量化制造，尤其可满足新型战术武器的需求。
MEMS的多轴传感器经历了传统集成方式、立体集成方式和平面集成方式后，正朝着微系统集成的方向发展，如图4所示。
图4 惯性微系统集成技术
2010年，美国加州大学Irvine分校报道了Draper实验室的折叠芯片结构惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU），该研究给出了六面体结构和金字塔结构2种技术方案，如图5所示。
独立的传感器采用绝缘衬底上的硅晶圆（Silicon on Insulator，SOI）工艺技术制备，6轴惯性仪表分布于立方体的六面，通过柔性连接板实现单片集成，同时形成了用于固定折叠结构的闩锁结构，得到了3维IMU微系统，其体积小于1cm3。
出于对六面体结构机械稳定性的考虑，同时研究了采用树脂和焊料加固折叠金字塔的效果。经测试，前者的传感器轴变动在4mrad之内，后者改进到了0.2mrad之内。
该方案实现了6轴IMU的单片集成，但该集成方案限制了MEMS的仪表加工制备工艺，同时多传感器单片集成的成品率也较低。
图5 集成可折叠六轴IMU示意图
德国弗劳恩霍夫研究所在2014年国际顶级学术会议——IEEE电子元器件和技术会议中报道了基于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，其核心思想是利用TSV转接板作为公共衬底平台，如图6所示。
TSV硅转接板是指含有TSV互连的硅圆片，其上下表面制作了重新布线层，利用微凸点在TSV转接板上组装惯性MEMS芯片及MEMS专用IC芯片。
图6 基于TSV硅转接板集成技术
基于TSV转接板的惯性MEMS三维集成技术可以发挥TSV转接板在热膨胀系数失配、线宽匹配等方面的优势，释放了传统惯性MEMS三维集成技术对MEMS专用IC在可选工艺制程方面的束缚，为惯性MEMS芯片的低应力组装提供了设计空间，允许其集成更多功能芯片，具有开放性的特点、优点，如图7所示。
目前，制造技术已经能够满足一般的应用要求，但是相比与三维集成制造相关的三维集成设计方法、器件可靠性、散热、多功能材料和器件集成等方面的需求，仍存在一定的差距。
围绕这些问题，三维集成技术将在模型模拟、设计方法、可靠性评估和改进、系统可测试性信号设计、散热优化和提高效率，以及三维集成制造能力、良率和成本控制等方面，进行深入研究。
图7 基于TSV硅转接板的复杂微系统集成技术
（3）TSV垂直互连技术
由于惯性MEMS芯片的厚度一般在300μm以上，为了匹配惯性MEMS芯片与TSV转接板的机槭强度，TSV转接板的厚度通常需要大于或等于200μm。
同时，由于铜TSV互连与周围硅衬底的热膨胀系数失配，铜TSV的互连直径通常被控制为小于或等于20μm，TSV互连的深宽比大于或等于10，这对目前的TSV技术是个较大的挑战。
为了克服传统铜TSV转接板在惯性MEMS芯片三维集成应用过程中的上述问题，国际MEMS领域中的领先企业（ADI公司、Bosch公司、mCube公司、Silex公司、Fairchild公司等）均对MEMS三维集成技术开展了一些研究。
Silex公司在2008年推出了标准硅通孔工艺，其通孔采用绝缘填埋技术，用重掺杂低阻硅作为电极导体，导通电阻在1D量级，如图8（a）所示。
随后，该公司提出了一种基于玻璃熔融回流的硅通孔技术，如图8（b）所示。
其技术特点是在硅片上刻蚀以形成单晶硅TSV硅柱阵列，并在四周刻蚀以形成隔离环，利用阳极键合在刻蚀面键合玻璃片，在高温退火炉中加热至玻璃熔融，在真空作用下将其回流至隔离环内。
经过后续的硅减薄、玻璃减薄、化学机械抛光（Chemical and Mechanical Polishing，CMP）等工艺流程的处理，最终形成硅转接板。该技术有效地增加了绝缘介质层的厚度，有效减少了各引脚之间的寄生电容。
但是，该工艺复杂，技术难度大，玻璃回填深宽比有限。以上2种技术方案均采用了硅互连通孔（Silicon Via，Sil-via）实现垂直互连。
2012年，借助该技术Silex公司实现了2.5D硅转接板的研制，其中BGA植球用TSV的孔径为50μm，间隔为150μm。
同样使用低阻硅实现垂直互连的转接板方案有穿玻璃通孔（Through Glass Via，TGV）技术，如图8（c）所示。该技术同样采用玻璃熔融工艺，其特点是在玻璃晶圆内与刻蚀有硅柱的硅晶圆键合，将其高温加热至玻璃熔融，使得硅柱填埋入玻璃晶圆内。
该工艺难度相对较小，转接板厚度可达200μm及以上。但是，采用该技术制备的转接板的基底材料为玻璃，无法解决硅-玻璃之间热膨胀系数差异的问题。Schott Hermes采用该技术实现了MEMS-ICs的WLCSP集成。
为满足不同器件的集成需求，瑞典ACC Microtec公司和Silex公司开发了金属通孔（Metal Via，Met-Via）技术，如图8（d）所示。
其特点在于与常规TSV相比，该技术可以在厚度为300μm~800μm的硅片上制作转接板，转接板刚度大，尤其适合对应力敏感的MEMS传感器的三维集成。然而，该技术采用铜电镀制作TSV电极引出子，和普通金属化TSV技术一样存在长期可靠性的问题。
图8 TSV垂直互连技术
（4）倒装芯片（Flip Chip，FC）技术
倒装芯片是一种已被广泛应用的封装技术，用来实现芯片与芯片的对准和键合。倒装芯片的互连方式主要包括了热超声、回流焊和热压3种键合工艺，分別对应金球凸点、锡球凸点和铜柱凸点3种凸点制作工艺。
相比于引线键合，该技术互联线短，互连产生的电容、电阻、电感小，所占基板面积小，安装密度高。
倒装芯片通常无塑封，芯片背面可被有效冷却，提高了其散热能力，更适合多I/O数的芯片使用。改进的散热能力促进了倒转芯片技术的应用，以实现高密度和低成本的封装集成。
圆片级倒装焊料的凸点可分为C4（Controlled-collapse Chip Connection）和C2（Chip Connection）2种，如图9所示。
基于C4的倒装技术的应用已超过了50年，表面张力的作用使得C4在回流过程中可实现自对准。但是，由于芯片引脚数急剧增加，引脚间距減小，回流焊可能会使相邻的焊料C4凸点短路。
因此，在应用C4技术时，凸点间距一般不得小于50μm。C2则更适合于更精细的间距的芯片键合。由于铜的高导热性和低电阻率，C2较C4的电、热性能均更好。C2倒装键合般包括回流焊和热压键合2种方式。
图9 圆片级倒装焊凸点技术：C4凸点和C2凸点
基于倒装芯片技术，台积电公司（TSMC）提出了芯片-晶圆-基底（Chip on Wafer on Substrate，CoWoS）集成工艺，并与Xilinx公司合作实现了FPGA的芯片集成。
集成基底为厚度100μm的硅转接板，TSV的通孔直径10μm，有4层再布线层，布线间距为0.4μm，集成现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）单芯片凸点数超过了5000个微凸点间距仅为45μm，如图10所示。
图10 FPGA的倒装集成
基于FC技术、TSV技术和转接板技术，AMD实现了图像处理器（Graphics Processing Unit，GPU）的三维集成，如图11所示。
在TSV转接板上集成1个GPU图像传感器、2个高带宽存储器（HighBandwidth Memory，HBM2），GPU和HBM间的互连通过TSV转接板上的多层再布线层（Redistribution Layer，RDL）解决，其他引脚经TSV硅转接板一次扇出，再经过有机基板的球栅阵列（Ball Grid Array，BGA）输出。
图11 GPU三维封装集成
2 展望与思考
从国内外领先的MEMS及微系统集成研究成果可以发现，集成工艺设计对MEMS器件的整体性能至关重要，MEMS三维集成技术研究是该领域研究中的一个重要环节，对于提升MEMS微系统研究水平、推动MEMS应用、完善惯性MEMS器件产业链的发展具有重要意义。
MEMS垂直互连技术通过提供垂直贯穿转接板，为MEMS芯片、信号处理/解算电路、控制芯片、电源芯片等立体化集成提供了便利，允许集成元器件由采用不同工艺制造的功能芯片集成于TSV转接板衬底上，开放性好，符合未来惯性维集成多功能融合趋势的需求。
综合考虑基于TSV的惯性MEMS三维集成技术的特点与发展趋势，以及国内惯性MEMS器件及TSV互连技术研究布局与特点，基于TSV转接板的惯性MEMS三维集成技术将是国内开展惯性MEMS维集成研究的优选切入点。
该技术有效減少了MEMS三维集成模块的体积/质量，提高了集成度可以有效降低惯性MEMS三维集成模块的体积质量、热应力水平等，将成为未来惯性MEMS三维集成TSV互连技术发展的重要方向。
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