摘要：隨著微機電系統（MEMS）的器件圓片級封裝技術、垂直互連轉接板技術、新鍵合工藝技術等技術研究的出現，慣性微系統正在朝著三維封裝集成架構發展，以滿足微電子技術更高集成度、更小體積、更低功耗、更低成本的發展需求。介紹了MEMS慣性器件和MEMS慣性微系統三維集成技術，硅通孔（Through Silicon Via，TSV）三維互連技術和倒裝芯片技術為慣性MEMS微系統三維集成一體化提供了設計空間，有效地降低了慣性MEMS三維集成模塊的體積、質量，提高了集成度，符合未來慣性MEMS三維集成多功能融合趨勢的需求。

0引言

微小型系統（微納衛星、微小型飛行器、微小型地面機器人及微小型水下航行器等）及低成本制導武器（批量大、成本低、制導精度較高的各類靈巧彈藥、精確制導炸彈和戰術導彈）等是未來軍事高科技的重要發展方向之一，也是取得未來高技術條件下戰爭勝利的重要手段。微小型導航、制導與控制系統是新一代微小型系統發展及低成本制導武器的核心技術，也是制約其廣泛應用的主要瓶頸之一。硅基MEMS微慣性器件及結合微系統集成制造技術制作的微慣性測量單元（Micro InertialMeasurement Unit，MIMU）具有體積小、成本低、精度較高且便于大批量生產的特點，是微小型導航制導系統的共性核心技術。在精確制導化武器裝備及民用領域具備廣闊的應用需求，是當前的國際研究熱點。

近年來，三維集成技術的發展，促進了系統微封裝集成技術的發展，其應用領域正由芯片向集成度、復雜度更高的系統級三維集成方向發展。采用三維集成制造技術，令每個功能模塊占據一層芯片通過高密度TSV將其集成，可將由不同工藝制造的混合型芯片集成于一個系統中。這個復雜的系統包含了邏輯、存儲、光學、電學、射頻系統，以及MEMS傳感器等多個在封裝內集成的模塊。MEMS慣性導航系統的發展體現于MEMS慣性器件的全硅化、器件的圓片級真空/氣密封裝、電路專用化（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），初步實現了慣性器件的片上系統（System on Chip，SoC）集成，以及慣導系統級封裝（System in Package，SiP）集成。

在未來，MEMS集成慣導系統在微納衛星、月球車、火星車、運載火箭及小型戰術武器中的應用，對MEMS慣導系統的集成度、功耗、體積、抗輻照性能及可批量制造性等提出了更高的要求，MEMS封裝技術正在從2.5D向3D方向發展。

1國內外研究的水平和發展趨勢

據美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）分析，工作時間超過10s的武器平臺的導航制導目前均得到了全球定位系統（Global Positioning System，GPS）的輔助，甚至還包括工作時間為1h~24h的單兵個人導航系統。在實際使用過程中，GPS極可能被嚴重干擾或完全阻塞，而使得由GPS輔助的導航系統無法完成工作任務。這些現狀，均要求在未來的武器平臺中，使用一種全自主的、不依賴任何外部輔助手段的高集成度微型慣性導航/制導系統。根據這些分析，DARPA已經啟動了一系列高集成度導航制導微系統研究計劃，而微慣性導航系統的集成制造技術是其中極為重要的研究方向。其中的關鍵，在于如何利用先進的集成制造技術，實現慣性器件與集成電路（Integrated Circuits，ICs）等的小體積、低成本、大批量生產。此外，慣性器件的正交集成已成為了MEMS封裝集成發展的瓶頸。

圖1 MEMS封裝集成發展路線圖

（1）MEMS慣性傳感器集成技術

MEMS慣性器件必須與集成電路結合才能有效工作，集成電路用于實現MEMS傳感器與外界之間的通信，起到信號調節功能，例如模數轉換、放大濾波和信息處理電路等。因此，絕大多數商用MEMS慣性產品（加速度計、陀螺儀）和IC組件被集成或封裝在一起，以實現更短的信號路徑長度、更小的寄生電容、更低的互連電阻、更小的封裝尺寸/體積。MEMS和IC組件的集成和封裝可通過多種可能的方法實現，對其的技術選擇很大程度上取決于設備、應用領域和商業要求。

基于制造技術的發展，為滿足移動電子設備和高端芯片的需求，存儲、CPU及MEMS等器件模塊正在朝著三維架構方向發展，成為了“超越摩爾”技術的重要技術領域，如圖1所示。為了滿足MEMS慣性器件對小型化、輕質化、高性能、高可靠性的需求，國際MEMS慣性領域中的領先企業、研究機構等（如德國Bosch公司、美國mCube公司、德國弗朗恩霍夫研究所等）均對慣性MEMS三維集成技術開展了一系列研究。MEMS慣性器件與IC組件的封裝集成，實現了從多芯片模組（Muli-chip Modules，MCM）到SiP技術、SoC技術再到圓片級芯片封裝（Wafer Level Chip Scale Package，WLCSP）技術、三維堆疊集成技術的發展，實現了從獨立設計、制造和測試的板級集成，向基于晶圓級單片的系統級芯片解決方案集成技術，以及三維異構集成技術的發展，如圖2所示。

圖2 MEMS慣性傳感器集成技術

就國際上己經公開的慣性MEMS三維集成技術而言，其大致可被劃分為3種，如圖3所示：1）慣性MEMS芯片與MEMS專用ASIC芯片層疊，利用引線鍵合方式實現2顆芯片之間的電氣連接。2）在制造過程中，慣性MEMS圓片與MEMS專用集成電路IC圓片兩者鍵合，實現芯片層疊與電氣連接。通常采用一種橫向電極引出的封裝集成技術方案，直接使用ASIC中的金屬引線作為跨越封裝內外的電學引出導線。3）基于TSV技術的慣性MEMS三維集成（如WLCSP技術）成為了MEMS微系統尺寸減小、集成度提高的有效技術手段，使得MEMS微系統的3D硅通孔互聯技術取得了產品化的突破。以上3種三維集成方式，實現了慣性MEMS芯片到芯片（Chip to Chip，C2C）、芯片到晶圓（Chip to Wafer，C2W）及晶圓到晶圓（Wafer to Wafer，W2W）的堆疊集成，實現了慣性器件的商業/軍事應用。

圖3 慣性MEMS三維集成技術

（2）MEMS慣性微系統集成技術

美國國防部在20世紀90年代末率先采用異構集成技術，將微電子器件、MEMS器件整合集成在一起，開發出了集成微系統的新概念。它的核心是按武器裝備功能發展的需求，將多種先進元器件通過異構集成技術，以三維集成的結構形式大幅度降低導航系統的體積、功耗，使其易于批量化制造，尤其可滿足新型戰術武器的需求。MEMS的多軸傳感器經歷了傳統集成方式、立體集成方式和平面集成方式后，正朝著微系統集成的方向發展，如圖4所示。

圖4 慣性微系統集成技術

2010年，美國加州大學Irvine分校報道了Draper實驗室的折疊芯片結構慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU），該研究給出了六面體結構和金字塔結構2種技術方案，如圖5所示。獨立的傳感器采用絕緣襯底上的硅晶圓（Silicon on Insulator，SOI）工藝技術制備，6軸慣性儀表分布于立方體的六面，通過柔性連接板實現單片集成，同時形成了用于固定折疊結構的閂鎖結構，得到了3維IMU微系統，其體積小于1cm3。出于對六面體結構機械穩定性的考慮，同時研究了采用樹脂和焊料加固折疊金字塔的效果。經測試，前者的傳感器軸變動在4mrad之內，后者改進到了0.2mrad之內。該方案實現了6軸IMU的單片集成，但該集成方案限制了MEMS的儀表加工制備工藝，同時多傳感器單片集成的成品率也較低。

圖5 集成可折疊六軸IMU示意圖

德國弗勞恩霍夫研究所在2014年國際頂級學術會議——IEEE電子元器件和技術會議中報道了基于TSV轉接板的慣性MEMS三維集成技術概念，該項目得到了歐盟政府部門的支持，其核心思想是利用TSV轉接板作為公共襯底平臺，如圖6所示。TSV硅轉接板是指含有TSV互連的硅圓片，其上下表面制作了重新布線層，利用微凸點在TSV轉接板上組裝慣性MEMS芯片及MEMS專用IC芯片。

圖6 基于TSV硅轉接板集成技術

基于TSV轉接板的慣性MEMS三維集成技術可以發揮TSV轉接板在熱膨脹系數失配、線寬匹配等方面的優勢，釋放了傳統慣性MEMS三維集成技術對MEMS專用IC在可選工藝制程方面的束縛，為慣性MEMS芯片的低應力組裝提供了設計空間，允許其集成更多功能芯片，具有開放性的特點、優點，如圖7所示。目前，制造技術已經能夠滿足一般的應用要求，但是相比與三維集成制造相關的三維集成設計方法、器件可靠性、散熱、多功能材料和器件集成等方面的需求，仍存在一定的差距。圍繞這些問題，三維集成技術將在模型模擬、設計方法、可靠性評估和改進、系統可測試性信號設計、散熱優化和提高效率，以及三維集成制造能力、良率和成本控制等方面，進行深入研究。

圖7 基于TSV硅轉接板的復雜微系統集成技術

（3）TSV垂直互連技術

由于慣性MEMS芯片的厚度一般在300μm以上，為了匹配慣性MEMS芯片與TSV轉接板的機槭強度，TSV轉接板的厚度通常需要大于或等于200μm。同時，由于銅TSV互連與周圍硅襯底的熱膨脹系數失配，銅TSV的互連直徑通常被控制為小于或等于20μm，TSV互連的深寬比大于或等于10，這對目前的TSV技術是個較大的挑戰。為了克服傳統銅TSV轉接板在慣性MEMS芯片三維集成應用過程中的上述問題，國際MEMS領域中的領先企業（ADI公司、Bosch公司、mCube公司、Silex公司、Fairchild公司等）均對MEMS三維集成技術開展了一些研究。

Silex公司在2008年推出了標準硅通孔工藝，其通孔采用絕緣填埋技術，用重摻雜低阻硅作為電極導體，導通電阻在1D量級，如圖8（a）所示。隨后，該公司提出了一種基于玻璃熔融回流的硅通孔技術，如圖8（b）所示。其技術特點是在硅片上刻蝕以形成單晶硅TSV硅柱陣列，并在四周刻蝕以形成隔離環，利用陽極鍵合在刻蝕面鍵合玻璃片，在高溫退火爐中加熱至玻璃熔融，在真空作用下將其回流至隔離環內。經過后續的硅減薄、玻璃減薄、化學機械拋光（Chemical and Mechanical Polishing，CMP）等工藝流程的處理，最終形成硅轉接板。該技術有效地增加了絕緣介質層的厚度，有效減少了各引腳之間的寄生電容。但是，該工藝復雜，技術難度大，玻璃回填深寬比有限。以上2種技術方案均采用了硅互連通孔（Silicon Via，Sil-via）實現垂直互連。2012年，借助該技術Silex公司實現了2.5D硅轉接板的研制，其中BGA植球用TSV的孔徑為50μm，間隔為150μm。同樣使用低阻硅實現垂直互連的轉接板方案有穿玻璃通孔（Through Glass Via，TGV）技術，如圖8（c）所示。該技術同樣采用玻璃熔融工藝，其特點是在玻璃晶圓內與刻蝕有硅柱的硅晶圓鍵合，將其高溫加熱至玻璃熔融，使得硅柱填埋入玻璃晶圓內。該工藝難度相對較小，轉接板厚度可達200μm及以上。但是，采用該技術制備的轉接板的基底材料為玻璃，無法解決硅-玻璃之間熱膨脹系數差異的問題。Schott Hermes采用該技術實現了MEMS-ICs的WLCSP集成。

為滿足不同器件的集成需求，瑞典ACC Microtec公司和Silex公司開發了金屬通孔（Metal Via，Met-Via）技術，如圖8（d）所示。其特點在于與常規TSV相比，該技術可以在厚度為300μm~800μm的硅片上制作轉接板，轉接板剛度大，尤其適合對應力敏感的MEMS傳感器的三維集成。然而，該技術采用銅電鍍制作TSV電極引出子，和普通金屬化TSV技術一樣存在長期可靠性的問題。

圖8 TSV垂直互連技術

（4）倒裝芯片（Flip Chip，FC）技術

倒裝芯片是一種已被廣泛應用的封裝技術，用來實現芯片與芯片的對準和鍵合。倒裝芯片的互連方式主要包括了熱超聲、回流焊和熱壓3種鍵合工藝，分別對應金球凸點、錫球凸點和銅柱凸點3種凸點制作工藝。相比于引線鍵合，該技術互聯線短，互連產生的電容、電阻、電感小，所占基板面積小，安裝密度高。倒裝芯片通常無塑封，芯片背面可被有效冷卻，提高了其散熱能力，更適合多I/O數的芯片使用。改進的散熱能力促進了倒轉芯片技術的應用，以實現高密度和低成本的封裝集成。

圓片級倒裝焊料的凸點可分為C4（Controlled-collapse Chip Connection）和C2（Chip Connection）2種，如圖9所示。基于C4的倒裝技術的應用已超過了50年，表面張力的作用使得C4在回流過程中可實現自對準。但是，由于芯片引腳數急劇增加，引腳間距減小，回流焊可能會使相鄰的焊料C4凸點短路。因此，在應用C4技術時，凸點間距一般不得小于50μm。C2則更適合于更精細的間距的芯片鍵合。由于銅的高導熱性和低電阻率，C2較C4的電、熱性能均更好。C2倒裝鍵合般包括回流焊和熱壓鍵合2種方式。

圖9 圓片級倒裝焊凸點技術：C4凸點和C2凸點

基于倒裝芯片技術，臺積電公司（TSMC）提出了芯片-晶圓-基底（Chip on Wafer on Substrate，CoWoS）集成工藝，并與Xilinx公司合作實現了FPGA的芯片集成。集成基底為厚度100μm的硅轉接板，TSV的通孔直徑10μm，有4層再布線層，布線間距為0.4μm，集成現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）單芯片凸點數超過了5000個微凸點間距僅為45μm，如圖10所示。

圖10 FPGA的倒裝集成

基于FC技術、TSV技術和轉接板技術，AMD實現了圖像處理器（Graphics Processing Unit，GPU）的三維集成，如圖11所示。在TSV轉接板上集成1個GPU圖像傳感器、2個高帶寬存儲器（HighBandwidth Memory，HBM2），GPU和HBM間的互連通過TSV轉接板上的多層再布線層（Redistribution Layer，RDL）解決，其他引腳經TSV硅轉接板一次扇出，再經過有機基板的球柵陣列（Ball Grid Array，BGA）輸出。

圖11 GPU三維封裝集成

2展望與思考

從國內外領先的MEMS及微系統集成研究成果可以發現，集成工藝設計對MEMS器件的整體性能至關重要，MEMS三維集成技術研究是該領域研究中的一個重要環節，對于提升MEMS微系統研究水平、推動MEMS應用、完善慣性MEMS器件產業鏈的發展具有重要意義。

MEMS垂直互連技術通過提供垂直貫穿轉接板，為MEMS芯片、信號處理/解算電路、控制芯片、電源芯片等立體化集成提供了便利，允許集成元器件由采用不同工藝制造的功能芯片集成于TSV轉接板襯底上，開放性好，符合未來慣性維集成多功能融合趨勢的需求。綜合考慮基于TSV的慣性MEMS三維集成技術的特點與發展趨勢，以及國內慣性MEMS器件及TSV互連技術研究布局與特點，基于TSV轉接板的慣性MEMS三維集成技術將是國內開展慣性MEMS維集成研究的優選切入點。該技術有效減少了MEMS三維集成模塊的體積/質量，提高了集成度可以有效降低慣性MEMS三維集成模塊的體積質量、熱應力水平等，將成為未來慣性MEMS三維集成TSV互連技術發展的重要方向。