陶瓷封装在MEMS上的应用

图 MEMS加速度计，来源：TDK

常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品，被广泛应用于消费电子、汽车、工控、医疗等领域。封装是MEMS 技术走向产业化实用化的关键技术之一，MEMS封装的特殊性大大增加了 MEMS封装的难度和成本，成为 MEMS发展的瓶颈。艾邦建有陶瓷封装全产业链微信群，欢迎陶瓷封装产业链上下游扫码加群与我们交流。

1、MEMS的封装分类

(1)按封装层次分类

芯片级封装、圆片级封装、系统级封装

(2)按外壳的材料分类

分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装

(3)按气密性分类

分为气密性封装和非气密性封装，气密封装是对工作环境气密的保护，而非气密封装则是可以透气的。金属封装和陶瓷封装属气密性封装，而塑料封装一般为非气密性封装。

封装的密封是为了保护芯片和封装的金属镀层以免受环境腐蚀和在处理过程中的机械损。目前在高可靠性应用中，几乎都采用气密性封装。对气密性封装的要求主要有：

(1)封装的气密性，通常要求氦气的泄漏率低于1x10-8Pa·m³/s。

(2)在气密性封装中，封装外壳主要用金属和陶瓷两种材料。

(3)盖板，无论是金属封装还是陶瓷封装，其盖板通常用金属。

(4)在金属封装中，每条引线是采用分立的玻璃密封封进金属平台或管座中。而陶瓷封装引线是通过厚膜网印及烧结技术制成的，且通常是埋置在陶瓷中。

(5)满足气密性要求，所有这些封装的帽子密封是由适当的玻璃或金属来完成的。在钎焊和锡焊中，是用一种低熔点的钎焊和锡焊合金来形成密封的，而在熔焊中，则是由帽子本身后部熔融来实现密封。

2、MEMS的封装要求

虽然MEMS封装采用许多与微电子封装相似的技术，但不能简单地将微电子封装技术直接用于MEMS器件的封装中去。由于MEMS的特殊性、复杂性和 MEMS应用的广泛性，对封装的要求是非常苛刻的：

(1)机械支撑：有效的封装结构可以对器件形成有效保护，避免在储存、运输以及工作时，可能受到的外界不可控载荷、无意识机械冲击或环境热变等由复杂工作环境带来的物理损伤或化学腐蚀，这些复杂损害对微器件来说是致命的，有效的机械支撑可以防止器件内部所含的微机械结构受到破坏甚至使得器件失效。

(2)电气互连：对MEMS器件的基本要求是与外界系统进行信息的传递，封装外壳对芯片有着密闭的保护作用，那么就需要在外壳上留有信息传递的通道或媒质交互的窗口，即通过封装外壳预留出引线或管脚，与外界实现稳定的电连接，以确使芯片与外界系统各类信号的输入与输出是连续可靠的。

图 MEMS陶瓷封装，来源：Analog Devices

(3)热传导：对于一些带功率的器件在工作时，会产生热量，而过热对于器件来说是有害无益的，那么就要求封装外壳具备散热功能，及时将芯片产生的热量向外界传递出去。

(4)应力：在 MEMS器件中，微米或微纳米尺度的零部件其精度高但十分脆弱，因此，MEMS封装应产生对器件最小的应力；

(5)高真空：可动部件在“真空”中，就可以减小摩擦，达到长期可靠工作的目标；

(6)高气密性：一些 MEMS器件，如微陀螺必须在稳定的气密条件下才能可靠长期地工作，有的 MEMS封装气密性要达到1×10-12Pa·m³/s；

(7)高隔离度：MEMS常需要高的隔离度，对 MEMS射频开关就更为重要。为了保证其他干扰信号尽可能小，就要求对传感器的某些部位进行封装隔离。否则，干扰信号叠加在所采样的有用信号上将使MEMS的正常功能难以发挥；

(8)特殊的封装环境和引出：某些 MEMS器件的工作环境是气体、液体或透光的环境，MEMS封装就必须构成稳定的环境，并能使气体、液体稳定流动，使光纤输入低损耗，高精度对位的特性等。

3、陶瓷封装在MEMS的应用

陶瓷材料具有足够高的机械强度，绝缘电阻及绝缘破坏电压高；在温度高、湿度大的条件下性能稳定，确保可靠性。并且热导率高；热膨胀系数与Si的热膨胀系数匹配，耐热性优良。

用于MEMS器件封装的陶瓷材料有Al2O3、AIN、BeO、莫来石及低温陶瓷（也称玻璃土陶瓷）等。Al2O3是最常用的一种陶瓷封装材料，其价格相对便宜，应用面广。AIN是一种性能更优越的陶瓷材料，通常用在对性能和可靠性极高的场合。低温陶瓷也是一种性能极优异的陶瓷材料，特别是玻璃-陶瓷的性能与所要求的理想陶瓷的性能相近，用于对硅芯片的封装可达到极好的材料性能匹配。

图 LTCC封装MEMS，来源：Fraunhofer

由于LTCC具有优良的物理化学特性，其越来越多的应用于微系统。LTCC基板在微系统中的应用主要表现在两个方面：一个是作为微系统的封装基板，搭载微电子、光电子及MEMS芯片等；另一个是利用LTCC材料加工出MEMS器件，并集成在基板内部，使器件与封装一体化。后者形成MEMS技术的一个发展分支，即陶瓷MEMS(C-MEMS)。

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原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：陶瓷封装在MEMS上的应用