NasiriFabrication——晶圆片规模的封装MEMS晶圆片跟CMOS晶.DOC

一种新的MEMS加工技术——纳西里技术（Nasiri Fabrication）——晶圆片规模的封装、MEMS晶圆片跟CMOS晶圆片直接粘接的技术　?许多MEMS公司和新公司都想进入陀螺仪（gyroscope）这个快速发展的市场。但是设计和制造高性能、可靠和低成本MEMS陀螺仪过程中的多变性和复杂性是他们成功的最大障碍。MEMS陀螺仪在设计和制造中遇到的挑战远多于其他量产的MEMS产品比如加速度计或者压力计。MEMS陀螺仪工作在两块振荡的物体上，这相当于在一个芯片上制造两个MEMS器件，一个是能够自我调频的共振器——它产生传感科里奥里力，另一个是微g量级的加速度计——它传感这个正比于转速的科里奥里力。由于科里奥里力比一般加速度计的力小好几个量级，MEMS陀螺仪对任何可能的工艺变化、封装应力和温度效应都非常敏感。 一、一般的MEMS封装技术现在的MEMS陀螺仪的技术主要来自于对其他MEMS传感器的技术的改进。早期的陀螺仪是由电磁驱动、电磁或者电容传感。最后封装后的大小在1平方厘米、价格超过50美元。后来的MEMS陀螺仪用静电驱动、电容传感，尺寸变小，但是用多芯片技术封装，MEMS传感器跟信号处理器（ASIC）分开，两者用引线连接。从MEMS来的弱信号到达ASIC的过程中被加进了很多噪音，这大大降低了陀螺仪的性能。图一是用多芯片封装技术封装的MEMS传感器。图一、多芯片封装技术：MEMS和ASIC分开放置另一种封装技术就是把MEMS跟ASIC堆砌起来，它们之间用线连接。（图二）这种方法要比密封陶瓷空腔、球状引脚网格阵列封装技术（BGA Ceramic）成本低，（图三）但是需要硅片作盖、晶片要磨薄以及因为连线需要加大MEMS和IC芯片面积等又增加了成本，而且从MEMS到IC导致的额外寄生效应降低了产品的性能。图二、芯片堆砌起来的封装技术。MEMS和ASIC上下互连。?图三、密封陶瓷空腔、球状引脚网格阵列封装技术（BGA Ceramic）。左：陶瓷空腔。右：球状引脚。?尽管这些封装技术已经大大地降低了成本，比起上一代产品已经已经有了突破，但是产品价格仍旧在10美元以上，仍旧不能满足需要大批量应用的客户。二、纳西里加工技术（Nasiri Fabrication）纳西里技术是一种全新的技术，它由InvenSense公司发明。它克服了今天大多数MEMS制造和封装过程中所遇到的问题。纳西里封装技术使用了五片模板，它是跟CMOS相容的特殊MEMS制造工艺技术。它的晶圆片跟晶圆片相互粘接的技术能够直接把制造好的MEMS晶圆片跟现成的CMOS晶圆片在晶圆片这个尺度上集成在一起。纳西里制造技术是必威体育精装版的MEMS加工技术，它已经生产出了新一代的感知动态（motion sensing）的传感器，打破了低成本和开发速度的纪录。图四是InvenSense的双轴陀螺仪IDG，它是第一个低成本、高产量、用于消费电子市场的MEMS陀螺仪，数以百万计地提供给全球的主要原始设备制造商（OEM）。它的价格在每轴1美元左右，是用在汽车上的MEMS陀螺仪的十几分之一。图四、InvenSense的双轴陀螺仪IDG，它在四扁平、无引脚（QFN）封装后的大小只有6x6毫米。在晶圆片跟晶圆片粘合时，MEMS晶圆片跟CMOS晶圆片上的铝层直接键合，在铝层之上不需要其它材料层。纳西里技术提供了把MEMS跟CMOS连接在一起的晶圆片尺度的集成工艺、同时把MEMS结构全部密封的晶圆片尺度的封装工艺。（图五）图五、晶圆片尺度上的MEMS跟ASIC粘合封装技术。纳西里制造过程的最后一步是曝露出电接触点，用标准的切割技术，去掉盖住电接触点的MEMS硅。接下来的用塑料封装将是低成本的，在大多数标准化封装线上都能做，不需要成本很高的客户化的陶瓷或者多芯封装方法。纳西里技术可以用硅的体加工方法，这有好多好处。它可以设计很厚的活动部件（10-20多微米），比起表面微机械加工技术，它使陀螺仪更灵敏、性能更好。另一个好处是它可以直接在任何6寸或8寸的晶圆片加工，直接利用单晶硅，不需要生长一层多晶硅。还有一个很关键的优点是MEMS传感单元跟CMOS信号处理芯片靠得很近，这不仅大大地缩小了尺寸，而且减小噪声在微弱的传感信号到达CMOS的过程中的混入。图六是InvenSense的把MEMS和CMOS集成在一起的双轴陀螺仪，整个输出幅度才0.1fF（电容），比一般商业化的惯性传感器小好几个量级，但是它具有相似或者更好的性能。图六、InvenSense的把MEMS和CMOS集成在一起的双轴陀螺仪裸片，大小3毫米见方。纳西里加工技术的另一个主要优点是它在晶圆片尺度封装上能够形成MEMS单元所需的密封腔体。在工艺的其中一步，它把MEMS跟CMOS的电