1. 引言
微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是指包括微傳感器、微致動(dòng)器（也稱微執(zhí)行器）、微能源等微機(jī)械基本部分以及高性能的電子集成線路組成的微機(jī)電器件或裝置，也可稱為微機(jī)械系統(tǒng)?？梢哉f(shuō)微機(jī)電系統(tǒng)是一種獲取、處理信息和執(zhí)行機(jī)械操作的集成器件，它是微機(jī)械學(xué)、微電子學(xué)、自動(dòng)控制、物理、化學(xué)、生物以及材料等多學(xué)科、高技術(shù)的邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科。
經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，MEMS芯片已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是，很多芯片沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用，其主要原因就是沒(méi)有解決封裝問(wèn)題。雖然MEMS封裝采用了許多與微電子封裝相似的技術(shù)，但不能簡(jiǎn)單地將微電子封裝技術(shù)直接用于MEMS器件的封裝中去。MEMS封裝的功能包括了微電子封裝的功能部分，即電源分配、信號(hào)分配和散熱等。但由于MEMS器件的特殊性、復(fù)雜性和MEMS應(yīng)用的廣泛性，對(duì)封裝的要求是非?？量痰?，封裝的功能還應(yīng)增加以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
(1) 應(yīng)力：在MEMS器件中，微米或微納米尺度的零部件其精度高但十分脆弱，因此，MEMS封裝應(yīng)對(duì)器件產(chǎn)生最小的應(yīng)力；
(2) 高真空：可動(dòng)部件在真空中，就可以減小摩擦，達(dá)到長(zhǎng)期可靠工作的目標(biāo)；
(3) 高氣密性：一些MEMS器件，如微陀螺必須在穩(wěn)定的氣密條件下才能可靠長(zhǎng)期地工作，有的MEMS封裝氣密性要達(dá)到1×10^(-12) Pa?m3/s；
(4) 高隔離度：MEMS常需要高的隔離度，對(duì)MEMS射頻開關(guān)就更為重要。為了保證其他干擾信號(hào)盡可能小，就要求對(duì)傳感器的某些部位進(jìn)行封裝隔離。否則，干擾信號(hào)疊加在所采樣的有用信號(hào)上將使MEMS的正常功能難以發(fā)揮；
(5) 特殊的封裝環(huán)境和引出：某些MEMS器件的工作環(huán)境是氣體、液體或透光的環(huán)境，MEMS封裝就必須構(gòu)成穩(wěn)定的環(huán)境，并能使氣體、液體穩(wěn)定流動(dòng)。
MEMS封裝的特殊性大大增加了MEMS封裝的難度和成本，據(jù)估計(jì)，MEMS器件的封裝成本占整個(gè)MEMS成本的50%～90%，成為MEMS進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。目前，國(guó)內(nèi)MEMS封裝技術(shù)比較落后，必須予以重視，并積極發(fā)展MEMS封裝技術(shù)。
MEMS給封裝帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，也有很多自相矛盾之處。像噴墨頭和安全氣囊傳感器等早期產(chǎn)品都使用了合理的簡(jiǎn)單封裝形式。但新出現(xiàn)的領(lǐng)域(比如生物MEMS)具有特殊的要求，就需要新方法，這類封裝需要操作流體等新形式。但如果從MEMS的一般要求來(lái)考慮，對(duì)應(yīng)的封裝方法是針對(duì)具體器件來(lái)定制的，也就是說(shuō)，器件定制的解決方案意味著MEMS封裝方面的研究進(jìn)展較慢，而且標(biāo)準(zhǔn)化也面臨挑戰(zhàn)。
MEMS芯片在封裝完成之前，會(huì)對(duì)機(jī)械撞擊非常敏感，而且特別容易被劃片時(shí)的顆粒污染損壞。因而，一些晶圓加工廠會(huì)進(jìn)行部分或全部的封裝工藝。在使用掩膜版進(jìn)行分割或者晶圓級(jí)工藝操作過(guò)程中，必須很好的保護(hù)MEMS芯片的動(dòng)作空間。最常見的MEMS封裝要求是在不限制機(jī)械行為的前提下進(jìn)行保護(hù)，但是，并不能簡(jiǎn)單地從過(guò)去針對(duì)單純的電子芯片開發(fā)的技術(shù)中直接得到解決方法。電子器件通常會(huì)過(guò)成型操作，并有密封劑接觸芯片表面，因而這種方法會(huì)影響MEMS器件中的可動(dòng)部分。
2. MEMS封裝遇到的挑戰(zhàn)
MEMS封裝技術(shù)嚴(yán)重滯后的主要原因是MEMS封裝完全不同于傳統(tǒng)集成電路(IC)的封裝。傳統(tǒng)IC封裝的目的是提供IC芯片的物理支撐、保護(hù)其不受環(huán)境的干擾與破壞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與外界信號(hào)、能源及接地的電氣互連。MEMS 器件一般都含有由多種材料組成的三維結(jié)構(gòu)和活動(dòng)構(gòu)件，且常處于高溫、高濕或酸、堿性等惡劣環(huán)境之中。由于這種與外部環(huán)境的交互作用關(guān)系及其自身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，MEMS封裝與傳統(tǒng)IC封裝存在著相當(dāng)大的差別，對(duì)封裝技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
（1）MEMS 器件或微系統(tǒng)是在一塊硅片(或其他材料)上高度集成的多功能器件與系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)電氣互連的同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)機(jī)械、熱、光、流體等之間的連接，因此它涉及多介質(zhì)間的互連技術(shù)。
（2）由于MEMS需要感知外部世界，因此對(duì)封裝技術(shù)而言，需要提供讓芯片敏感區(qū)與外界環(huán)境交互作用的通道， 如流體傳感器則需要相應(yīng)的流體通道，微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS) 則需要光通道。這使得封裝同時(shí)面臨兩方面的問(wèn)題：一是如何保證芯片敏感區(qū)與外界環(huán)境充分交互作用，并保護(hù)芯片敏感區(qū)不因兩者間的交互作用產(chǎn)生性能惡化，保持其性能穩(wěn)定；二是需要保護(hù)芯片的其他區(qū)域。
（3）由于MEMS器件一般工作在各種強(qiáng)振動(dòng)、酸堿性物質(zhì)及其它化學(xué)物質(zhì)或有機(jī)溶劑等應(yīng)用環(huán)境下，因此要求封裝結(jié)構(gòu)與封裝材料能適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境。在保持穩(wěn)定性能的同時(shí)避免帶來(lái)傳感測(cè)量噪音。
（4）由于MEMS器件是集成的多功能器件，對(duì)工作環(huán)境有相應(yīng)的要求，如溫度、濕度以及大氣壓力等。如MEMS典型應(yīng)用之一的加速度測(cè)量?jī)x的最佳工況是運(yùn)行在接近大氣壓下的可控干燥大氣氛圍；而陀螺儀則需要真空環(huán)境。此外，上述兩者均對(duì)溫度敏感，因此需要在其中封裝傳感器，以便測(cè)量和控制溫度。對(duì)于具有活動(dòng)構(gòu)件的MEMS 器件而言，對(duì)封裝的要求更高。
（5）MEMS封裝工藝參數(shù)引起的MEMS可靠性問(wèn)題比較嚴(yán)重，如封裝熱應(yīng)力、封裝殘余應(yīng)力、封裝過(guò)程對(duì)芯片的污染、封裝除氣等。因此，對(duì)封裝工藝參數(shù)必須加以嚴(yán)格的要求和控制。
（6）鑒于MEMS制造工藝的多樣性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及應(yīng)用環(huán)境的多樣性，使得MEMS 封裝技術(shù)難以像IC 封裝技術(shù)一樣實(shí)現(xiàn)規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化，無(wú)法采用統(tǒng)一的封裝形式與封裝工藝。
綜上所述，對(duì)MEMS的封裝來(lái)說(shuō)，除了要考慮高密度封裝所面臨的多層互聯(lián)、散熱、可靠性、可測(cè)試性等問(wèn)題之外，還必須考慮將MEMS芯片、封裝與工作環(huán)境作為一個(gè)交互作用的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行MEMS封裝的設(shè)計(jì)與制造。
