[摘 要]：通過(guò)對(duì)芯片倒裝技術(shù)尤其是凸點(diǎn)加工工藝在MEMS設(shè)計(jì)中的作用進(jìn)行實(shí)例分析，指出倒裝芯片不僅是一種高性能的封裝模式，還能為MEMS器件提供立體通道或是力熱載體，并形成許多特殊的結(jié)構(gòu)。在MEMS的加工過(guò)程中，可以充分考慮芯片倒裝技術(shù)所帶來(lái)的加工便利。
0 引 言
過(guò)去10年，凸點(diǎn)焊接的倒裝芯片技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展，成為電子封裝業(yè)向著低成本、高可靠性和高生產(chǎn)率方向發(fā)展的巨大動(dòng)力。倒裝芯片技術(shù)的雛形是1962年IBM公司在陶瓷基板上采用的固態(tài)邏輯技術(shù)。1970年，IBM公司將其發(fā)展為可控塌陷芯片連接（C4，Controlled collapse chipconnection）技術(shù)應(yīng)用在芯片封裝中。倒裝芯片技術(shù)在逐步發(fā)展過(guò)程中，迎合了表面貼裝技術(shù)的要求，并且，出現(xiàn)了適合載帶自動(dòng)鍵合的封裝工藝類型。當(dāng)前，飛速發(fā)展的先進(jìn)封裝形式，如，球柵陣列封裝、芯片尺寸封裝等，都是對(duì)倒裝技術(shù)的繼承和發(fā)展。
同引線鍵合相比，倒裝工藝芯片面朝下，芯片上的焊區(qū)直接與基板互連。互聯(lián)線非常短，互聯(lián)產(chǎn)生的雜散電容、互連電阻與互連電感非常小，適于高頻、高速的電子產(chǎn)品應(yīng)用。安裝互聯(lián)所占的基板面積小，安裝密度高。芯片焊區(qū)可面陣布局，更適于高輸入/輸出端子數(shù)的超大規(guī)模集成電路芯片使用。組裝與互聯(lián)同時(shí)完成，大大簡(jiǎn)化了工藝，快速省時(shí)，適于使用先進(jìn)的表面貼裝技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化大批量生產(chǎn)。這一系列優(yōu)點(diǎn)促使倒裝芯片技術(shù)在高密度封裝電子系統(tǒng)中大放光彩，廣泛采用。
MEMS器件都是尺寸極小的精密元件，如果不封裝保護(hù)會(huì)很容易出現(xiàn)故障或結(jié)構(gòu)損壞。因而，封裝是MEMS走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵步驟，占據(jù)著MEMS器件生產(chǎn)成本的絕大部分。眾所周知，集成電路封裝的目的是進(jìn)行機(jī)械保護(hù)和電連接，保護(hù)精密電路免受機(jī)械和環(huán)境的侵害，并且，去除芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量。而MEMS封裝處理的因素更多，復(fù)雜性更大。封裝必須保護(hù)在多種環(huán)境下使用的微機(jī)械部分，提供電信號(hào)之間的連接，在某些時(shí)候，還需要接觸外部環(huán)境，并與環(huán)境進(jìn)行相互作用，比如：光MEMS中光的傳輸和變換、微流體中流體的傳送與轉(zhuǎn)換。MEMS結(jié)構(gòu)的多樣性與工作方式的多樣性，限制了MEMS封裝的發(fā)展速度。目前，大部分的研究集中在利用成熟加工工藝的優(yōu)勢(shì)，借鑒集成電路中所用的封裝方法。這其中當(dāng)然也包括倒裝芯片技術(shù)在MEMS中的應(yīng)用。
1 倒裝芯片技術(shù)
所謂倒裝芯片，是指半導(dǎo)體裸芯片有源面朝下，直接與印刷電路板或芯片載體基板進(jìn)行連接。芯片上的輸入/輸出端子和基板之間的互連通過(guò)芯片上的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)和一般制作在基板上的焊接材料相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。倒裝工藝通常包括凸點(diǎn)的制作、對(duì)準(zhǔn)和焊接及芯片下填充等多個(gè)步驟。芯片凸點(diǎn)是在原芯片金屬布線電極焊區(qū)或重新布局的新焊區(qū)上形成的。凸點(diǎn)的形成有蒸發(fā)、濺射、電鍍、化學(xué)鍍、機(jī)械打球、移置等多種方法，尤以電鍍法最為常用。凸點(diǎn)芯片可由芯片制造商提供，也可由專門從事在晶片上制作凸點(diǎn)的第三方提供，或者由外包工廠作為其工藝流程的一部分。目前，最常用的凸點(diǎn)有焊料凸點(diǎn)、金凸點(diǎn)和柔性聚合物凸點(diǎn)等。倒裝焊則是指倒裝技術(shù)中用于實(shí)現(xiàn)芯片和載體基板的機(jī)械連接和電氣連接的互連方法，焊料凸點(diǎn)一般采用回流焊接工藝，但也有采用其他凸點(diǎn)材料和其他互連工藝的，如，適用于金屬凸點(diǎn)的熱壓鍵合、熱超聲鍵合、釘頭凸點(diǎn)互聯(lián)方法以及適用于柔性聚合物凸點(diǎn)的導(dǎo)電膠粘接法等。倒裝芯片組裝通常要求進(jìn)行下填充。下填充的作用是提供芯片與基板的良好粘接，保護(hù)芯片表面不受污染，匹配焊點(diǎn)、基板材料和芯片的熱膨脹系數(shù)。
倒裝芯片互連中的凸點(diǎn)有4個(gè)功能：（1）實(shí)現(xiàn)芯片和基板之間的電互連；（2）提供芯片的散熱途徑；（3）保護(hù)芯片； （4）實(shí)現(xiàn)芯片和基板的結(jié)構(gòu)連接。倒裝芯片互連系統(tǒng)的材料和工藝決定了它的互連性能。而這些功能在應(yīng)用中也得到了一一體現(xiàn)。
2 應(yīng) 用
基于倒裝芯片在半導(dǎo)體先進(jìn)封裝中的廣泛應(yīng)用，以及小的互聯(lián)效應(yīng)，人們開(kāi)始嘗試?yán)玫寡b來(lái)進(jìn)行MEMS電容的封裝，這也是倒裝工藝在MEMS中應(yīng)用的開(kāi)始。
作為封裝使用的凸點(diǎn)，具有同微機(jī)械加工的MEMS結(jié)構(gòu)十分相似的特性。從倒裝結(jié)構(gòu)的幾何層面上看，倒裝地互連線非常短，有效地降低了寄生效應(yīng)，適合高靈敏度的信號(hào)處理電路與MEMS器件，尤其是微傳感器集成。
在微傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常，將處理電路靠近傳感器放置以提高性能。早期的處理是采用混合或片上集成電路的方法，通過(guò)引線鍵合將電路芯片和傳感器連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單個(gè)封裝。這就是后來(lái)在業(yè)界廣泛采用的多模塊組件技術(shù)。但這種技術(shù)不能夠批量制造，隨著集成密度的增加，寄生電容越來(lái)越大。于是，近些年來(lái)，人們嘗試將MEMS器件倒扣在制作有處理電路的基底上，或是將專用電路通過(guò)凸點(diǎn)焊接與硅襯底相連，利用倒裝芯片的短引線來(lái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，這樣，大大降低了芯片封裝和系統(tǒng)集成的工藝規(guī)模和成本。比如：挪威SINTEF的研究人員設(shè)計(jì)的用于指紋識(shí)別的傳感系統(tǒng)，就是將CMOS專用處理電路倒裝在基于電容原理的傳感器芯片的底部，而傳感器的正面接收來(lái)自外界的指紋信號(hào)。這樣，有效地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集，提高了處理電路的性能，節(jié)約了整個(gè)芯片的面積。
當(dāng)然，倒裝芯片也可以結(jié)合多模塊組件技術(shù)，將MEMS器件和信號(hào)處理芯片封裝在同一個(gè)管殼內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)小型化，同時(shí)，縮短信號(hào)從MEMS器件到驅(qū)動(dòng)器或執(zhí)行器的距離，減小信號(hào)衰減和外界干擾的影響。這方面較典型的是加速度計(jì)、專用集成電路以及陀螺儀等器件的集成封裝。香港科技大學(xué)還利用這種技術(shù)把凸點(diǎn)倒裝的壓力傳感器和引線鍵合的執(zhí)行器制作在了同一塊撓性基板上，并通過(guò)基板上的銅線進(jìn)行相互連接。
從幾何層面上講，倒裝芯片面朝下組裝，為光信號(hào)提供了直線通路，非常適合光MEMS的設(shè)計(jì)和封裝。其中，最典型的應(yīng)用莫過(guò)于CMOS圖像傳感器，如日本東芝公司在其微型照相機(jī)中使用倒裝技術(shù)，采用各向異性導(dǎo)電膠粘接的方法，將圖像傳感器芯片同透鏡成像結(jié)構(gòu)組裝在一起。除了便于光的連接與耦合，倒裝芯片逐層平面疊加的結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)立體通道。最簡(jiǎn)單的莫過(guò)于用在微流體結(jié)構(gòu)中，將芯片分成2個(gè)部分進(jìn)行加工，最終，通過(guò)凸點(diǎn)焊接的方法同時(shí)形成流體通道和電氣連接。
從物理層面上看，倒裝芯片可以給MEMS器件提供機(jī)械連接或是力熱載體。表面微機(jī)械或是體硅加工是實(shí)現(xiàn)微執(zhí)行器的一般途徑。但是，有時(shí)犧牲層釋放用以形成多層結(jié)構(gòu)的連接錨區(qū)會(huì)因?yàn)檎掣叫?yīng)而變得不可靠。而體硅加工的濕法腐蝕對(duì)加工形貌有一定的限制。這時(shí)可以選擇分別加工各層結(jié)構(gòu)，再通過(guò)凸點(diǎn)焊接將彼此連接起來(lái)。美國(guó)UC Berkeley大學(xué)就是利用銦焊料凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)的局部轉(zhuǎn)移。其方法是在一塊硅片上通過(guò)犧牲層腐蝕制作出結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的表面事先電鍍上一層金屬銅。然后，與目標(biāo)芯片上的銦凸點(diǎn)進(jìn)行室溫冷焊，最后，將結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)離所需圖形的地方打斷，從而實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)的局部轉(zhuǎn)移。
倒裝芯片技術(shù)對(duì)芯片與基板具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，非常適合在MEMS器件的熱設(shè)計(jì)中加以采用。此外，倒裝芯片的下填充能夠顯著削弱熱應(yīng)力，在倒裝芯片表面安裝熱沉也能提高散熱性能，增加器件的可靠性。本實(shí)驗(yàn)研制的硅熱風(fēng)速傳感器就是采用銅柱凸點(diǎn)技術(shù)將傳感器倒裝在薄層陶瓷基板上，避免傳感器與測(cè)量環(huán)境的直接接觸，保護(hù)了傳感器和處理電路，并利用陶瓷的導(dǎo)熱性能實(shí)現(xiàn)傳感器芯片的加熱元件和環(huán)境風(fēng)速的熱交換，同時(shí)，降低了整個(gè)芯片的功耗。
倒裝芯片技術(shù)，尤其是采用淀積或電鍍的凸點(diǎn)形成工藝，與微機(jī)械加工中的薄膜淀積、金屬電鍍幾無(wú)區(qū)別，還獨(dú)有其優(yōu)點(diǎn)。以鉛錫合金焊料凸點(diǎn)為例，采用低溫回流焊接，引入的應(yīng)力較小，同時(shí)，對(duì)芯片和基板間因熱膨脹系數(shù)不同造成的剪應(yīng)力起到了緩沖作用。回流過(guò)程中，焊料的表面張力可以糾正因?qū)?zhǔn)引起的誤差，有效地保證了對(duì)準(zhǔn)精度。通過(guò)在芯片上施加壓力來(lái)控制凸點(diǎn)的塌陷程度，一定程度上彌補(bǔ)了因芯片與基板的缺陷產(chǎn)生的焊接不均勻性，便于芯片的平坦化和高度控制。而鉛錫焊料的使用與板級(jí)的組裝材料相一致，既可以在球柵陣列等先進(jìn)封裝中應(yīng)用，也可以直接進(jìn)行芯片同印刷電路板的直接組裝。
隨著新型凸點(diǎn)的不斷涌現(xiàn)，原先只能形成點(diǎn)結(jié)構(gòu)凸點(diǎn)，現(xiàn)在可以利用光刻制作各種圖形。所以，通過(guò)工藝集成，可以在凸點(diǎn)加工過(guò)程中在芯片上實(shí)現(xiàn)一些特殊的MEMS傳感器或執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，而不增加成本。早期，研究者采用倒裝技術(shù)進(jìn)行RFMEMS的封裝，現(xiàn)在已經(jīng)在嘗試直接利用凸點(diǎn)形成工藝制作RF耦合元件或是無(wú)源元件等。凸點(diǎn)焊接簡(jiǎn)單實(shí)用，與硅—硅鍵合和陽(yáng)極鍵合對(duì)工藝的苛刻要求相比，更適合多層結(jié)構(gòu)之間的支撐和連接，尤其是MEMS器件的氣密封裝和保護(hù)。凸點(diǎn)工藝結(jié)合多次光刻和電鍍工藝可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如，微燃燒器、數(shù)字微鏡等。
3 結(jié)束語(yǔ)
MEMS加工技術(shù)從一開(kāi)始就是從半導(dǎo)體、機(jī)械等不同領(lǐng)域?qū)W習(xí)經(jīng)驗(yàn)，如，通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)械加工微型化產(chǎn)生的特種精密加工技術(shù)、從微電子制造工藝發(fā)展而來(lái)的表面微機(jī)械和體硅加工技術(shù)，以及應(yīng)用在微結(jié)構(gòu)制造中的新型金屬立體加工LIGA工藝。所以，只要是便于結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，適于大批量生產(chǎn)的加工方法都會(huì)被設(shè)計(jì)者引入到MEMS微機(jī)械加工中來(lái)。
芯片倒裝技術(shù)，從工藝流程的角度講，屬于封裝，屬于半導(dǎo)體的后道工序，往往在器件或是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，是比較受忽視的，或者說(shuō)不是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。然而，隨著電子封裝對(duì)系統(tǒng)性能的影響越來(lái)越顯著，尤其對(duì)于沒(méi)有統(tǒng)一加工方法的MEMS器件，封裝設(shè)計(jì)已成為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。這時(shí)，就需要全面考慮前后道工序的加工特點(diǎn)，合理配置，找到一條經(jīng)濟(jì)有效的工藝集成道路。
倒裝芯片具有短互聯(lián)、小面積、立體通道等許多優(yōu)異的封裝特性，同時(shí)，伴隨凸點(diǎn)加工，可以形成許多特殊結(jié)構(gòu)或是無(wú)源元件，無(wú)論從節(jié)省工藝成本還是提高系統(tǒng)性能的角度，倒裝芯片技術(shù)都將大有前途。某種意義上，芯片倒裝是一種功能強(qiáng)大的微機(jī)械加工技術(shù)。
