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　　[摘 要]：通過對芯片倒裝技術尤其是凸點加工工藝在MEMS設計中的作用進行實例分析，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構。在MEMS的加工過程中，可以充分考慮芯片倒裝技術所帶來的加工便利。
　　0 引 言
　　過去10年，凸點焊接的倒裝芯片技術取得了迅猛的發展，成為電子封裝業向著低成本、高可靠性和高生產率方向發展的巨大動力。倒裝芯片技術的雛形是1962年IBM公司在陶瓷基板上采用的固態邏輯技術。1970年，IBM公司將其發展為可控塌陷芯片連接（C4，Controlled collapse chipconnection）技術應用在芯片封裝中。倒裝芯片技術在逐步發展過程中，迎合了表面貼裝技術的要求，并且，出現了適合載帶自動鍵合的封裝工藝類型。當前，飛速發展的先進封裝形式，如，球柵陣列封裝、芯片尺寸封裝等，都是對倒裝技術的繼承和發展。
　　同引線鍵合相比，倒裝工藝芯片面朝下，芯片上的焊區直接與基板互連。互聯線非常短，互聯產生的雜散電容、互連電阻與互連電感非常小，適于高頻、高速的電子產品應用。安裝互聯所占的基板面積小，安裝密度高。芯片焊區可面陣布局，更適于高輸入/輸出端子數的超大規模集成電路芯片使用。組裝與互聯同時完成，大大簡化了工藝，快速省時，適于使用先進的表面貼裝技術進行工業化大批量生產。這一系列優點促使倒裝芯片技術在高密度封裝電子系統中大放光彩，廣泛采用。
　　MEMS器件都是尺寸極小的精密元件，如果不封裝保護會很容易出現故障或結構損壞。因而，封裝是MEMS走向實用的關鍵步驟，占據著MEMS器件生產成本的絕大部分。眾所周知，集成電路封裝的目的是進行機械保護和電連接，保護精密電路免受機械和環境的侵害，并且，去除芯片工作時產生的熱量。而MEMS封裝處理的因素更多，復雜性更大。封裝必須保護在多種環境下使用的微機械部分，提供電信號之間的連接，在某些時候，還需要接觸外部環境，并與環境進行相互作用，比如：光MEMS中光的傳輸和變換、微流體中流體的傳送與轉換。MEMS結構的多樣性與工作方式的多樣性，限制了MEMS封裝的發展速度。目前，大部分的研究集中在利用成熟加工工藝的優勢，借鑒集成電路中所用的封裝方法。這其中當然也包括倒裝芯片技術在MEMS中的應用。
　　1 倒裝芯片技術
　　所謂倒裝芯片，是指半導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行連接。芯片上的輸入/輸出端子和基板之間的互連通過芯片上的凸點結構和一般制作在基板上的焊接材料相互作用來實現。倒裝工藝通常包括凸點的制作、對準和焊接及芯片下填充等多個步驟。芯片凸點是在原芯片金屬布線電極焊區或重新布局的新焊區上形成的。凸點的形成有蒸發、濺射、電鍍、化學鍍、機械打球、移置等多種方法，尤以電鍍法最為常用。凸點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，最常用的凸點有焊料凸點、金凸點和柔性聚合物凸點等。倒裝焊則是指倒裝技術中用于實現芯片和載體基板的機械連接和電氣連接的互連方法，焊料凸點一般采用回流焊接工藝，但也有采用其他凸點材料和其他互連工藝的，如，適用于金屬凸點的熱壓鍵合、熱超聲鍵合、釘頭凸點互聯方法以及適用于柔性聚合物凸點的導電膠粘接法等。倒裝芯片組裝通常要求進行下填充。下填充的作用是提供芯片與基板的良好粘接，保護芯片表面不受污染，匹配焊點、基板材料和芯片的熱膨脹系數。
　　倒裝芯片互連中的凸點有4個功能：（1）實現芯片和基板之間的電互連；（2）提供芯片的散熱途徑；（3）保護芯片；　　（4）實現芯片和基板的結構連接。倒裝芯片互連系統的材料和工藝決定了它的互連性能。而這些功能在應用中也得到了一一體現。
　　2 應 用
　　基于倒裝芯片在半導體先進封裝中的廣泛應用，以及小的互聯效應，人們開始嘗試利用倒裝來進行MEMS電容的封裝，這也是倒裝工藝在MEMS中應用的開始。
　　作為封裝使用的凸點，具有同微機械加工的MEMS結構十分相似的特性。從倒裝結構的幾何層面上看，倒裝地互連線非常短，有效地降低了寄生效應，適合高靈敏度的信號處理電路與MEMS器件，尤其是微傳感器集成。
　　在微傳感器的系統設計中，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，通過引線鍵合將電路芯片和傳感器連接起來，實現系統的單個封裝。這就是后來在業界廣泛采用的多模塊組件技術。但這種技術不能夠批量制造，隨著集成密度的增加，寄生電容越來越大。于是，近些年來，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凸點焊接與硅襯底相連，利用倒裝芯片的短引線來實現互聯，這樣，大大降低了芯片封裝和系統集成的工藝規模和成本。比如：挪威SINTEF的研究人員設計的用于指紋識別的傳感系統，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自外界的指紋信號。這樣，有效地實現了信號的采集，提高了處理電路的性能，節約了整個芯片的面積。
　　當然，倒裝芯片也可以結合多模塊組件技術，將MEMS器件和信號處理芯片封裝在同一個管殼內，以實現小型化，同時，縮短信號從MEMS器件到驅動器或執行器的距離，減小信號衰減和外界干擾的影響。這方面較典型的是加速度計、專用集成電路以及陀螺儀等器件的集成封裝。香港科技大學還利用這種技術把凸點倒裝的壓力傳感器和引線鍵合的執行器制作在了同一塊撓性基板上，并通過基板上的銅線進行相互連接。
　　從幾何層面上講，倒裝芯片面朝下組裝，為光信號提供了直線通路，非常適合光MEMS的設計和封裝。其中，最典型的應用莫過于CMOS圖像傳感器，如日本東芝公司在其微型照相機中使用倒裝技術，采用各向異性導電膠粘接的方法，將圖像傳感器芯片同透鏡成像結構組裝在一起。除了便于光的連接與耦合，倒裝芯片逐層平面疊加的結構還可以實現立體通道。最簡單的莫過于用在微流體結構中，將芯片分成2個部分進行加工，最終，通過凸點焊接的方法同時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器件提供機械連接或是力熱載體。表面微機械或是體硅加工是實現微執行器的一般途徑。但是，有時犧牲層釋放用以形成多層結構的連接錨區會因為粘附效應而變得不可靠。而體硅加工的濕法腐蝕對加工形貌有一定的限制。這時可以選擇分別加工各層結構，再通過凸點焊接將彼此連接起來。美國UC Berkeley大學就是利用銦焊料凸點實現了微結構的局部轉移。其方法是在一塊硅片上通過犧牲層腐蝕制作出結構，結構的表面事先電鍍上一層金屬銅。然后，與目標芯片上的銦凸點進行室溫冷焊，最后，將結構在遠離所需圖形的地方打斷，從而實現了微結構的局部轉移。
　　倒裝芯片技術對芯片與基板具有很強的適應性，非常適合在MEMS器件的熱設計中加以采用。此外，倒裝芯片的下填充能夠顯著削弱熱應力，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。本實驗研制的硅熱風速傳感器就是采用銅柱凸點技術將傳感器倒裝在薄層陶瓷基板上，避免傳感器與測量環境的直接接觸，保護了傳感器和處理電路，并利用陶瓷的導熱性能實現傳感器芯片的加熱元件和環境風速的熱交換，同時，降低了整個芯片的功耗。
　　倒裝芯片技術，尤其是采用淀積或電鍍的凸點形成工藝，與微機械加工中的薄膜淀積、金屬電鍍幾無區別，還獨有其優點。以鉛錫合金焊料凸點為例，采用低溫回流焊接，引入的應力較小，同時，對芯片和基板間因熱膨脹系數不同造成的剪應力起到了緩沖作用。回流過程中，焊料的表面張力可以糾正因對準引起的誤差，有效地保證了對準精度。通過在芯片上施加壓力來控制凸點的塌陷程度，一定程度上彌補了因芯片與基板的缺陷產生的焊接不均勻性，便于芯片的平坦化和高度控制。而鉛錫焊料的使用與板級的組裝材料相一致，既可以在球柵陣列等先進封裝中應用，也可以直接進行芯片同印刷電路板的直接組裝。
　　隨著新型凸點的不斷涌現，原先只能形成點結構凸點，現在可以利用光刻制作各種圖形。所以，通過工藝集成，可以在凸點加工過程中在芯片上實現一些特殊的MEMS傳感器或執行器結構，而不增加成本。早期，研究者采用倒裝技術進行RFMEMS的封裝，現在已經在嘗試直接利用凸點形成工藝制作RF耦合元件或是無源元件等。凸點焊接簡單實用，與硅—硅鍵合和陽極鍵合對工藝的苛刻要求相比，更適合多層結構之間的支撐和連接，尤其是MEMS器件的氣密封裝和保護。凸點工藝結合多次光刻和電鍍工藝可實現各種復雜結構，如，微燃燒器、數字微鏡等。
　　3 結束語
　　MEMS加工技術從一開始就是從半導體、機械等不同領域學習經驗，如，通過傳統機械加工微型化產生的特種精密加工技術、從微電子制造工藝發展而來的表面微機械和體硅加工技術，以及應用在微結構制造中的新型金屬立體加工LIGA工藝。所以，只要是便于結構實現的，適于大批量生產的加工方法都會被設計者引入到MEMS微機械加工中來。
　　芯片倒裝技術，從工藝流程的角度講，屬于封裝，屬于半導體的后道工序，往往在器件或是系統設計時，是比較受忽視的，或者說不是設計考慮的重點。然而，隨著電子封裝對系統性能的影響越來越顯著，尤其對于沒有統一加工方法的MEMS器件，封裝設計已成為整個系統設計的重要組成部分。這時，就需要全面考慮前后道工序的加工特點，合理配置，找到一條經濟有效的工藝集成道路。
　　倒裝芯片具有短互聯、小面積、立體通道等許多優異的封裝特性，同時，伴隨凸點加工，可以形成許多特殊結構或是無源元件，無論從節省工藝成本還是提高系統性能的角度，倒裝芯片技術都將大有前途。某種意義上，芯片倒裝是一種功能強大的微機械加工技術。