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军用微电子机械系统的应用及封装
桑 荣
（西安新星电子公司，陕西 西安 ７１００５４）
摘 要：扼要介绍微电子机械系统的特征，在军事装备和航空航天系统中的应用及其各种封装技术。
关键词：微电子；微机械；微电子机械系统；封装；应用
１ 引言
纳米科学与技术是近年来出现的一门综合性和交叉性新学科，将对电子信息产业的变革产生决定性的影响，也将对未来的军事电子装备作出巨大的贡献。２０世纪８０年代中后期，由半导体工业中的微细加工技术与机械工业中的微机械加工技术结合而产生并逐步发展的微电子机械系统（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅ-ｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ——ＭＥＭＳ）是纳米电子学的重要领域之一，是一项极具发展前景的军民两用高技术，它的出现将引发一场新的技术革命。
目前的微电子机械系统（ＭＥＭＳ）主要包括微结构、微型传感器、微型执行器、微型机器和系统。ＭＥＭＳ的制作技术是传统的ＩＣ工艺和微机械加工技术的结合。ＭＥＭＳ制作技术深受ＩＣ技术的影响，又有一套独特的创新技术，诸如本体微机械加工、表面微机械加工、 ＬＩＧＡ工艺等许多专用技术。
在ＭＥＭＳ结构中，微型传感器的出现给军事应用领域注入了新的活力。美国的一些研究部门采用微机械加工技术研究成功的微型加速度计可使火箭或飞船的制导系统的重量从几百克下降到几克。日本２０世纪９０年代研制出的微型集成式光学编码器（包括微机械加工的光学系统），其工作原理基于衍射光的干涉，优点是超小（０．５ ｍｍ×０．５ ｍｍ）、超轻（５×１０－５ ｇ），同时分辨率很高。这种高性能传感器已用于军事通讯和目标识别等。
ＭＥＭＳ具有成本低、功能全、体积小、重量轻、机动灵活、功耗低、可靠性高、性能优异等特点，不仅能大量用于更新和装备现有武器系统，而且还有许多极具挑战性的军事用途。ＭＥＭＳ具有广阔的应用潜力，如控制系统中的微致动器、陀螺仪等，传动系统中的微型马达、微型泵等，医疗设备中的神经探针、诊断仪等。ＭＥＭＳ的市场已初具规模，预计目前的世界市场规模在１４０亿美元以上，同时，产品的附加值可能高达大约１ ０００ 亿美元。
目前，ＭＥＭＳ的封装技术相对滞后，封装形式因ＭＥＭＳ的用途不同而千差万别，能否降低ＭＥＭＳ的封装难度及其成本是它能否迅速发展、广泛应用的关键，因此急待解决。
２ ＭＥＭＳ基空间应用电子系统的封装
ＭＥＭＳ封装技术大量借助于已经成熟的微电子技术，类似之处包括密封性和芯片级集成技术如ＭＣＭ，不同之处是有其特殊的失效模式。在没有综合性器件和失效模拟工具的情况下，需要为ＭＥＭＳ器件开发合理的、以器件的真实性能为基础而不是以推断电子电路的失效模式为基础的实践条件。
封装技术包括机械结构和电子结构，通常把元件结合起来形成一个系统，实质上，封装是分级的，它在技术特征、规模和工艺处理方面都很方便。电子系统的大部分主体都需要封装，在常规的封装系统中，９９％以上的结构都直接与封装有关，并且，即使采用ＭＣＭ，这个比例只有稍微地改善（在大多数情况下为９０％～９５％），通过采用３Ｄ封装和芯片尺寸封装（ＣＳＰ），有可能改善封装效率和显著减小封装尺寸及重量。
大部分空间应用零件是气密封装的，这是为了提高可靠性和将可能的排气量减至最低程度。由于粒子会再沉积在光学仪器、太阳能电池和仪器仪表上，所以与排气是有关系的，通过使用更先进的２Ｄ和３Ｄ封装方法，能成功地减小对排气有贡献的表面面积。
２．１ 空间应用
在科学仪器和惯性制导系统中ＭＥＭＳ传感器和激励器都很重要，虽然它们可能会冲击宇宙飞船子系统，如推进器、能正常工作的监控器或活性机械和热控制结构。
２．１．１ 科学传感器
科学传感器主要有两种，即遥控传感器（远距离进行卫星和天文观察）和就地传感器（测量传感器周围的物理环境，包括粒子和电场）。ＭＥＭＳ基的遥控传感器元件包括红外焦平面（辐射热测量器、热电池或者红外线指示器），摄谱仪（Ｆａｂｒｙ?鄄Ｐｅｒｏｔ干涉仪或者衍射光栅），遮光器和滤波器（包括微波滤波器和谐振器），定向和控制器件或者自调光学元件。但是，典型的遥控传感平台需要一个大光圈、精密定向、制导、处理和传送大量数据的能力。在可预见的未来，要使这类平台的重量低于５０ ｋｇ必须依赖ＭＥＭＳ，因此，对ＭＥＭＳ来说，必须首先在性能基础上满足上述各项需求。
另一方面，在严格的重量和功率制约下，就地传感器经常应用在遥控环境中。由于这种传感器只能测量范围很小的局部环境，所以，必然要使用大量传感器，在考虑尺寸、重量、功耗和成本的基础上引入ＭＥＭＳ是理想的选择。这些传感器能覆盖包括固体、液体、气体等离子体或者自由空间中的电场的分析所涉及的全部物理现象和化学现象。此外，小的（其重量小于１ ｋｇ）自控科学测试仪能改进对卫星表面的研究，它具有通信、数据处理、功率和基本灵活性（远距离应用和得到样本的能力）。目前，正在开发这类仪器，包括使空间应用的穿透器小型化和集总应用的光碟大小的（直径为１０ ｃｍ）自由飞行磁力计的小型化。
２．１．２ 制导传感器
宇宙飞船的姿态和位置通过惯性方式、光学方式或所使用的已知电场来确定，把这些方法结合起来也许需要依靠不同的飞行相位。惯性传感器包括有 １ μｇ、大于０．１ Ｈｚ～３００ Ｈｚ性能要求的加速度计和比１°／ｈ变化率更好的陀螺仪。从光学上考虑，确定姿态可使用星跟踪式定位仪，它具有比１ ａｒｃ?鄄ｓｅｃ更精确的间距／偏航角和比１０ ａｒｃ?鄄ｓｅｃ更精确的倾斜角，以及比１°还精确的太阳和水平度探测器。最后，在地球卫星轨道上也可使用精确度为０．５°～３°的磁力计来确定卫星或飞船的姿态。
２．１．３ 推进器
宇宙飞船的姿态控制和卫星的轨道保持均由推进器的分配系统来完成，推进器系统有两类，即电子的和化学的，最简单的是在气体推进剂基础上的推进器系统。采用ＭＥＭＳ来实现这样的系统还不可能，因为在微阀门中有很高的漏气率。假设在５年飞行过程中所损失的推进剂不超过其总量的１０％，那么，压降大于１ ０００ Ｐａ时所要求的漏气率不得超过１０－６ ｓｃｃ／ｓ。 基于系统的液体推进剂或固体推进剂在发射前不久经过蒸发或升华后也能使用，因此，仍然需要流体控制器，例如阀门和节制闸。
推进器通过气体膨胀来实现，通过一个喷嘴来增加排气速度，在一个微推进器系统中，通过推进器喷口和喷嘴的流体流动是由界面层效应来控制的。对离子和化学推进器来说，目前正在研究几种微推进器系统原理，采用特殊控制的ＭＥＭＳ推进器或阀门系统来产生所希望的总推进力，并将整个系统（容器、阀门和推进器）集成到一个单脉冲单元中，其优点是流体从存贮到空间的转移速度最快。
３ ＭＥＭＳ的多芯片组件式封装
ＭＥＭＳ加工和集成电路加工的不协调性会使ＭＥＭＳ的单块集成和微电子技术复杂化，可供选择的ＭＥＭＳ与电子线路的集成和封装方法是使用多芯片组件（ＭＣＭ）。由于ＭＣＭ具有在同一个基板中容纳不同类型管芯的能力，而不要求对ＭＥＭＳ或电子器件的制造工艺进行更改或折衷处理，因而，它是集成和封装ＭＥＭＳ的一种引人注目的方法。
３．１ ＭＥＭＳ封装的测试管芯
设计ＭＥＭＳ封装的测试管芯是为了评价采用ＭＣＭ的ＭＥＭＳ的协调性，为了评价微电子组装和封装的效果采用了特殊设计的芯片。设计测试管芯的组装测试芯片（ＡＴＣ）系列是为了监控在制造、封装和工作过程中集成电路的正常状态和性能，这种ＭＥＭＳ封装测试管芯包含各种器件和测试结构，以便评价成品ＭＣＭ封装对ＭＥＭＳ的影响。ＭＥＭＳ封装测试芯片采用多用户ＭＥＭＳ工艺（ＭＵＭＰ）加工，ＭＵＭＰ工艺是由美国国防部先进研究计划局（ＤＡＲＰＡ）开发的一种三层多晶硅表面微机械技术。在这种ＭＥＭＳ工艺里，二氧化硅是牺牲性材料，并且可以在氢氟酸中用湿法刻蚀剥离。
这种测试芯片包含不同类型的器件和测试结构以监控表面微机械ＭＥＭＳ器件承受封装工艺的性能。在测试结构中有监控过剩压应力的破损探测器和监控过剩热应力的多晶硅电阻器，管芯上的其他器件能反映实际应用中使用的ＭＥＭＳ结构的特征。ＭＥＭＳ封装测试管芯上的器件包括破损探测器；多晶硅电阻器；可变电容器；热致动器；面向上安装和旋转器件；静电活塞反光镜和静电梳型驱动器。
３．２ ＭＣＭ技术
３．２．１ 高密度互连工艺
标准高密度互连（ＨＤＩ）工艺包括将裸芯片埋入基板里的腔体中及在元件顶部形成金属薄膜互连结构。ＨＤＩ互连涂层里的每一层都是这样制成的，即在基板上淀积一层介质膜，并且通过激光钻孔工艺形成通孔，然后通过溅射和光刻产生用于管芯互连的多金属层（Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉ）。ＨＤＩ的工艺流程如图１所示。
对ＭＥＭＳ和电子系统封装来说，ＨＤＩ工艺有几个重要特征。由于采用了直接涂敷金属来替代键合丝，管芯互连的寄生电容和寄生电感都很低，ＨＤＩ封装系统可以在大于１ ＧＨｚ下正常工作。其他优点还包括三维封装的延伸；在管芯上的任何地方给键合点定位的能力及ＭＣＭ的可补偿性。
３．２．２ ＭＣＭ?鄄Ｄ工艺
微型组件系统（ＭＭＳ）ＭＣＭ?鄄Ｄ工艺是一种惯用的封装方法，在基板上淀积互连层，并在互连层上粘贴管芯，管芯和基板之间的互连通过键合丝来完成。选择ＭＭＳ工艺是因为基板和布线材料与用于ＭＵＭＰ管芯的工艺流程非常相容。
３．３ ＭＣＭ封装和后工序
３．３．１ ＨＤＩ封装
为了封装ＭＥＭＳ，改变了标准ＨＤＩ工艺以便使物理入口能到达ＭＥＭＳ管芯。封装前不能取出ＭＥＭＳ管芯，这是由于脆性的ＭＥＭＳ器件不能使该封装工艺保持完好。经过钝化后，ＭＥＭＳ芯片上的介质涂层中的窗口采用激光钻孔方法有选择地打开，采用连续的氩离子激光束（波长为３５０ ｎｍ）来钻孔。最初的激光功率大约为１．６ Ｗ，大部分涂层材料被腐蚀以后，激光功率减小，使因激光引起的器件损伤程度降低到最小。ＨＤＩ／ＭＥＭＳ封装的特性如表１所示。
表１ ＨＤＩ／ＭＥＭＳ封装的特性
涂覆层及ＭＥＭＳ管芯证实的良好连续性，ＨＤＩ涂层保护ＣＭＯＳ芯片免受腐蚀，这可由材料的化学相容性测试进行预测。
在测试过程中，出现的最严重的问题是激光钻孔产生的扩散热使ＭＥＭＳ器件变形或失效。对过热最敏感的是到基板的热损耗通路不好的长而薄的结构。接收激光钻孔高功率区域里的多晶硅电阻器的电阻降为１０％～１５％，这与在多晶硅电阻器微调过程中典型电阻率的变化是一致的。
３．３．２ ＭＣＭ?鄄Ｄ封装
ＨＤＩ工艺中的ＣＭＯＳ芯片由涂覆层保护，与之相反，ＭＣＭ?鄄Ｄ封装中的ＣＭＯＳ芯片位于组件表面。因此，该芯片需要一个掩膜来使它免遭蚀刻所使用的氢氟酸的腐蚀。各种密封剂和光刻胶的测试表明，Ｗａｙｃｏａｔ ＨＲ?鄄２００型带负电的光刻胶是一种有效的掩膜，它可以预防管芯的腐蚀。用Ｗａｙｃｏａｔ ＨＲ?鄄２００型光刻胶深ＣＭＯＳ芯片并使该组件在６０ ℃下烘２０ ｍｉｎ。
ＭＣＭ?鄄Ｄ／ＭＥＭＳ封装特性如表２所示。
表２ ＭＣＭ?鄄Ｄ／ＭＥＭＳ封装特性
焊环用铂／金焊。其中的传感器可以采用有３０个引脚的陶瓷扁平封装，将传感器与其前置放大器和温控电路封装在一起，其缺点是所有元件都必须钎焊，不能用环氧粘接，真空密封后就不可能返修。用ＬＣＣＣ型封装比较合适，但芯片载体的设计要尽量减少寄生电容，并为传感器提供屏蔽，盖板用锡／银焊接，抽真空小孔用铟密封。用铝丝键合将内引线互连起来。电路的功耗为１．５ Ｗ，加热器的功耗为３．５ Ｗ，温控最大范围为７２ ℃±１８ ℃，工作温度范围为－４０ ℃～１２５ ℃。可见，这种封装比前一种封装前进了一步。
４．１．３ ＭＣＭ型封装
从上述两种封装可以看出，微陀螺仪的成本、尺寸、功率都与传感器工作所必需的电子器件即执行器密切相关，因此，开发了采用多芯片组件即ＭＣＭ的封装方式的ＡＳＩＣ取代尽可能多的执行元器件，使之具有包括温度补偿在内的许多功能。图２示出这种ＭＣＭ式的ＡＳＩＣ电路板的结构，这是一个ＭＣＭ?鄄Ｃ，其中包括２个５０ ｍｍ２的陶瓷基板，总功耗为３．５ Ｗ，是用ＣＭＯＳ技术制造的ＡＳＩＣ。Ａ板中有９４只电容器，５７只电阻器，４０只Ｖｉｓｈａｙ电阻器，２６个ＩＣ裸芯片，１个二极管；Ｂ板中有３５只电容器，１５只电阻器，１２只Ｖｉｓｈａｙ电阻器，１１个ＩＣ裸芯片。再将这种ＭＣＭ与微传感器封装在一个母板中，可以大大简化微陀螺仪的封装，只是成本太高，不宜商用。
４．１．４ 单体封装
所谓单体封装，就是将微传感器、执行器ＡＳＩＣ及其他所需元器件封装在一个管壳内，使微电子机械陀螺仪成为单个封装的ＡＳＩＣ。执行器ＡＳＩＣ的尺寸为７．５ ｍｍ２，功耗为１．５ Ｗ。在这样封装的陀螺仪中，有１个ＡＳＩＣ，１个传感器，１３只电容器，８只电阻器，采用图３所示的扁平封装，其中，传感器采用ＬＣＣＣ型封装，面向下倒装焊在陶瓷布线板上，通过丝焊与其他元件互连，再用熔焊密封盖板。
４．２ 集成化微电子机械加速度计的封装
加速度计包括加速度传感器及其外围电路，可以采用整体或表面微机械加工技术制造。传感器的衬底材料是硅或多晶硅，一般采用单个传感器与外围电路混合封装。建议用多晶硅制造集成化微机械传感器。全球第一种ＡＤＸＬ５０型全集成化表面微机械加速度计是美国模拟器件公司开发的。采用３ μｍ ＢｉＣＭＯＳ技术和标准ＩＣ制造工艺。传感器的量程为５０ ｇ，工作电压为２４ Ｖ，可作为单芯片汽车气胎控制器。加速度计的封装技术主要包括制作表面保护层和气密封装。
如图４所示，在多晶硅传感器、转子及其他外围电路制作好以后，在其上面加上双层保护膜，下层是等离子体化学气相淀积（ＰＣＶＤ）氧化物，上层是低压化学气相淀积（ＬＰＣＶＤ）氮化物，再在其上涂敷光致抗蚀剂，形成图４（ｃ）所示的最后结构。多晶硅传感器位于管芯中央，约占管芯总面积的５％，采用圆形陶瓷封装，耐高温和耐机械振动，同时也耐酸和碱腐蚀，具有自测试功能。
４．３ 微型电动机的封装
用ＬＩＧＡ技术可以制成工作原理与钢铁工业用的巨型电动机相同、体积非常小的微型电动机，这是目前最典型的ＭＥＭＳ。如图５所示，这是一种外转子微型马达，包括转子、定子、轴承和轴瓦，２个外转子的尺寸分别为Φ１５０ μｍ和Φ２００ μｍ，转速大于 ３０ ｒｐｍ，驱动电压为１４ Ｖ。现在，用ＬＩＧＡ技术和硅微细加工技术可以制作转速在３０ ０００ ｒｐｍ以上的磁性微型马达。
德国美因茨显微技术研究所采用ＬＩＧＡ技术制成尺寸不及１个铅笔尖大小的电磁电动机，整个电动机的直径约为１ ｍｍ，厚１．９ ｍｍ，小卫星轮子小于 １／３ ｍｍ，齿轮厚度相当于人的头发丝，电动机的重量为０．１ ｇ，每分钟转动１０万次。这种微型马达主要用于医疗，进行诊断和体内手术，可以推动电子显微镜、手表、摄录相机和激光扫描仪的发展。采用圆筒型外壳封装，电磁线圈不用线卷而是作成金模子印在一个特殊的薄膜上。空筒内壁上布满内向齿轮，有３个与之吻合的小齿轮围绕中央的一个大齿轮转动，类似卫星式结构。
５ 发展方向
ＭＥＭＳ的封装形式取决于它的类别和用途，目前还未达到系列化和标准化，多数处在开发阶段。
１） 微小型化是所有ＭＥＭＳ封装的总趋势。日本已能制作直径只有１ ｍｍ～２ ｍｍ的静电发动机；德国已制成只有黄蜂大小且能升空的直升机，双发动机，重量不到０．５ ｇ。这些产品的封装技术还未完全公开，但有些产品如微传感器的封装技术的趋势可能是ＰＣＢ（ＣＯＢ）
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