北京航天控制儀器研究所

胡啟方、李男男、梅崴、楊博、邢朝洋

1、概述

微電子技術的發(fā)展方向是更高的集成度、更小體積、更低功耗、更低的成本。在超越摩爾時代（More than Moore），為了滿足微電子器件的集成度的進一步提高 ，出現(xiàn)了同構堆疊集成、異構集成等三維集成技術。MEMS慣性微系統(tǒng)的三維集成技術是將傳統(tǒng)MINU（微型慣性測量系統(tǒng)）的MEMS加速度計、MEMS陀螺儀、接口電路芯片、中央控制芯片等組件通過TSV轉接技術，在硅基板上進行互聯(lián)以及三維堆疊集成，最終實現(xiàn)MEMS慣性微系統(tǒng)在封裝內集成。MEMS慣性器件的全硅化工藝技術以及圓片級真空封裝工藝技術是下一代微型慣性芯片的發(fā)展方向。MEMS慣性器件采用全硅化工藝加工可以最大程度的抑制由于材料熱失配應力導致的零位漂移、標度因數(shù)漂移，提高MEMS慣性器件的溫度穩(wěn)定性。而采用MEMS圓片級真空封裝對MEMS慣性器件進行零級封裝有利于降低MEMS器件的整體體積、成本，實現(xiàn)倒裝焊、提高成品率。采用基于TSV的MEMS慣性器件三維集成技術還能夠減少MEMS結構和ASIC電路的互聯(lián)路徑，穩(wěn)定MEMS慣性器件前級的寄生參數(shù)并抑制前級千擾噪聲 。

2、軍事需求分析

微小型系統(tǒng)（微納衛(wèi)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）以及低成本制導武器（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(zhàn)術導彈）等是未來軍事高科技的重要發(fā)展方向之一，是取得未來高技術條件下戰(zhàn)爭勝利的重要手段。微小型導航、制導與控制系統(tǒng)是新一代微小型系統(tǒng)發(fā)展以及低成本制導武器的核心技術，也是制約其廣泛使用主要瓶頸之一。硅基MEMS微慣性器件，以及結合微系統(tǒng)集成制造技術制作的微慣性測量單元（Micro Inertial Measurement Unit，MIMU），體積小 成本低 、精度較高且便于大批量生產，微小型導航制導系統(tǒng)的共性核心技術。在精確制導化武器裝備以及民用領域具備很大廣闊的應用需求，是當前國際研究熱點。

MEMS慣性器件與IC工藝兼容的生產方式決定了其具有靈活的封裝形式，但同時MEMS的封裝不像IC封裝那樣有相對統(tǒng)一的封裝標準、外形尺寸等。其集成方式發(fā)展的初期階段的技術特征包括硅-玻璃鍵合MEMS工藝方案、管殼級真空/氣密封裝、以及PCB板集成 。近年來，MEMS慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)在MEMS慣性器件的全硅化、器件的圓片級真空/氣密封裝、電路ASIC化、初步實現(xiàn)了慣性器件的SoC集成以及慣導系統(tǒng)的SiP集成。未來MEMS集成慣導系統(tǒng)在微納衛(wèi)星、月球車、火星車、運載火箭、以及小型戰(zhàn)術武器中的應用對MEMS慣導系統(tǒng)的超高集成度、超低功耗、小體積、抗輻照性能、以及可批量制造性等方面提出更高的要求，MEMS封裝正在從2.5D向3D方向發(fā)展。

圖1 3D集成MEMS慣性器件的軍事需求領域

3、國內外研究概況、水平和發(fā)展趨勢

美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在2012年對美國各類武器載體中對慣性導航制導/組合導航系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀與未來需求進行了分析。根據分析，超過10s工作時間的武器平臺的導航制導現(xiàn)在均使用GPS輔助，包括工作時間超過1h直至24h的單兵個人導航系統(tǒng)。GPS在實際使用中極可能被嚴重干擾或完全阻塞，而使得GPS輔助的導航系統(tǒng)無法完成任務。這些需求都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(tǒng)。根據這些分析，DARPA已經啟動了一系列的高集成度導航制導微系統(tǒng)研究計劃，微慣性導航系統(tǒng)的集成制造技術是其中極為重要的研究方向。

為了滿足小型化、輕質化、高性能、高可靠MEMS慣性發(fā)展需求，國際上普遍采用全硅基3D晶圓級封裝（3D-WLP）技術，以實現(xiàn)高質量批量化生產。瑞典 Silex在2008年推出的標準硅通孔工藝，并作為MEMS陀螺儀、加速度計WLP的標準技術，如圖2所示。其通孔采用絕緣物填埋技術，用重滲雜低阻硅作為電極導體，導通電阻在1D量級，能夠實現(xiàn)可靠的真空/氣密圓片級封裝，至今仍是慣性MEMS器件的主流WLP技術。

圖2 瑞典Silex用TSV工藝制作的WLP系統(tǒng)集成

加拿大的DALSA是北美技術實力完備的代工企業(yè)，為美國和加拿大各個高校和研發(fā)機構提供代工服務，也推出自己的標準金屬導體填埋TSV技術。并開發(fā)出10軸集成的慣性器件的標準工藝方案，可同時在同一芯片上同時實現(xiàn)真空、氣密和用于氣壓計的引氣孔，如圖3所示。

圖3 6軸慣性器件集成制造的TSV和WLP

一種高度集成化的MEMS圓片級真空方案是利用ASIC芯片作為MEMS器件圓片級真空封裝的蓋板，如圖4所示。ASIC芯片在流片時需要制作電極引出（I/O）所需的TSV通孔，而ASIC蓋板和MEMS芯片焊接面同樣需要制備TSV接觸孔并制作鍵合焊料環(huán)。此技術方案的優(yōu)點在于高度的集成化，不需要通過TSV轉接板直接實現(xiàn)MEMS-IC的縱向堆疊集成。然而，該技術方案的先天不足是，ASIC的MEMS芯片的面積需要保持一致，而IC技術按比例縮小的速度要遠超過MEMS技術，可以要求兩者的芯片面積保持一致會導致芯片面積浪費以及成本提高。此外，ASIC流片的晶圓尺寸已經達到12英寸，而MEMS芯片的流片尺寸一般為4~8英寸，在進行圓片級真空封裝鍵合存在困難。此技術比較適合MEMS和IC在同種工藝條件下，同一代工廠流片，并且MEMS的器件成品率要達到IC的成品率水平，同時MEMS器件的精度要求不能過高。因此，比較適合消費類電子類的MEMS慣性器件，而不適合對性能有較高要求的軍用MEMS慣性器件。

圖4 MEMS-IC單片集成圓片級真空封裝方案

美國InvenSense公司給出了一種類似的MEMS-IC單片集成式的MEMS圓片級真空封裝的技術方案，如圖5所示。其特點在于不使用TSV作為MEMS器件電極引出方案，而是直接采用ASIC中的金屬引線作為跨越封裝內外的電學引出導線。比上述方案具有一定的先進性，但是同樣不適合軍用高性能MEMS器件的圓片級真空封裝。

圖5 美國InvenSense公司單片集成MEMS-IC圓片級真空封裝方案

瑞典AAC Microtec提出了一種基于雙面銅電鍍的TSV蓋板圓片級真空封裝方案（XiVIA），如圖6所示。其特點在于和常規(guī)TSV相比該技術可以在厚度為300~800微米的硅片上制作穿通硅片的MEMS圓片級真空封裝蓋板，因此蓋板的剛度較大，比較適合用于慣性MEMS器件的真空封裝。然而，該技術采用銅電鍍制作TSV電極引出子，同時作為氣密封裝填充材料，因此和普通金屬化TSV技術同樣存在長期可靠性問題。特別是在軍用全溫環(huán)境下，電鍍金屬和硅襯底的結合緊密度直接影響器件的漏率和長期真空度。

圖6 AAC Microtec公司XiVIA圓片級真空封裝方案

Silex公司提出了一種基于玻璃熔融回流技術的MEMS圓片級真空封裝蓋板的新型加工工藝技術，如圖7所示。其技術特點是在硅片上刻蝕形成單晶硅TSV硅柱陣列并在四周形成隔離環(huán)。利用陽極鍵合在刻蝕面鍵合一片硼硅玻璃片并使隔離環(huán)內形成真空。將鍵合后的硅-玻璃片在高溫退火爐中加熱至玻璃熔融，并在真空的作用下回流至TSV硅柱四周的真空隔離環(huán)中。經過后續(xù)的硅減薄、玻璃減薄、CMP拋光、植BGA球等工藝流程，最終形成可用于MEMS器件圓片級真空封裝的蓋板。該項工藝技術的優(yōu)點在于可以有效的增加TSV四周的絕緣介質層厚度，從而有效的減少各個引腳之間的寄生電容。然而該項工藝的整體工藝流程極為復雜，導致采用該技術的MEMS器件流片成品率都較低。

圖7 Silex公司Sil-Via圓片級真空封裝技術

美國ADI公司給出了一種基于玻璃通孔（TGV）的MEMS圓片級真空封裝工藝方案，如圖8所示。其特點是通過腐蝕玻璃形成通孔，并用金屬回填通孔。其優(yōu)勢在于不需要制備絕緣介質層，并且各個電極間的絕緣性很好。其劣勢在于無法實現(xiàn)高真寬比的TGV，無法克服玻璃和硅材料之間的熱失配應力。

圖8 美國ADI公司基于TGV的MEMS圓片級真空封裝方案

國際慣性MEMS領域領先企業(yè)、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，對慣性MEMS三維集成技術開展了一系列的研究，一些技術也取得產品化突破，慣性MEMS三維集成技術的優(yōu)勢和應用價值備受業(yè)界重視。就國際上己經公開的慣性MEMS三維集成技術而言，大致可以劃分為3種，一種是慣性MEMS芯片與MEMS專用ASIC芯片層疊、利用引線鍵合方式實現(xiàn)兩顆芯片之間電氣連接，一種是在制造過程中慣性MEMS圓片與MEMS專用集成電路IC圓片兩者鍵合實現(xiàn)芯片層疊與電氣連接，一種是基于TSV技術的慣性MEMS三維集成。下面將對上述3種慣性MEMS三維集成技術做進一步介紹。

圖9是Maxim公司開發(fā)的三軸MEMS陀螺儀，產品采用LGA封裝，產品體積為3 ｍｍ x 3 ｍｍ x 0.9 mm。其中MEMS陀螺儀芯片采用了奧地利Sensor Dyanamic公司和德國弗勞恩霍夫研究所合作開發(fā)的PSM-X2表面工藝制作MEMS陀螺儀芯片，采用AuSi共晶鍵合工藝實現(xiàn)MEMS陀螺儀芯片真空封裝。

圖9 Maxim公司開發(fā)三軸MEMS陀螺儀產品

圖10是美國InvenSense公司開發(fā)的MPU-6500六軸IMU產品，采用24 I/O端口QFN封裝，I/O端口節(jié)距0.5 mm。該款產品通過AlGe鍵合工藝MEMS陀螺儀結構層圓片鍵合至MEMS專用集成電路IC圓片上，借助Ge鍵合層MEMS陀螺儀結構層與MEMS專用集成電路之間實現(xiàn)電氣連接，封帽覆蓋MEMS陀螺儀結構層，MEMS專用集成電路通過粘接固定在QFN襯底上、引線鍵合實現(xiàn)與QFN襯底之間電氣連接，產品體積僅為4 ｍｍ x 4 ｍｍ x 0.9 ｍｍ。

圖10 InvenSense公司開發(fā)的六軸IMU產品

從上述兩個例子可以發(fā)現(xiàn)，新鍵合工藝、芯片層疊、圓片級真空封裝成為慣性MEMS器件尺寸減小、集成度提高的有效技術手段。值得注意的是，無論是芯片層疊、引線鍵合方式的還是MEMS專用IC圓片與慣性MEMS圓片/封帽三者圓片級鍵合集成的方式，MEMS專用ASIC芯片工藝制程/尺寸都需要兼顧考慮慣性MEMS結構設計，可以說MEMS專用ASIC芯片、慣性MEMS芯片及兩者三維集成工藝是融為一體化的。

TSV技術應用與發(fā)展推動了基于TSV的慣性MEMS三維集成技術研究，為慣性MEMS三維集成提供新的技術途徑。國際上已經公開的技術方案中，可以細分為三種情況，第一種是TSV互連工藝與慣性MEMS結構層制作工藝融合，形成圓片級封裝形式，第二種是TSV互連工藝與MEMS專用ASIC圓片制作工藝融合，形成圓片級封裝形式，第三種是TSV轉接板技術形式，慣性MEMS芯片、MEMS專用ASIC芯片在TSV轉接板上組裝形成慣性MEMS三維集成模塊。下面將對基于TSV互連的慣性MEMS三維集成技術進行介紹。

圖11 mCube公司開發(fā)的三軸MEMS加速度計產品

圖11是美國mCube公司開發(fā)的三軸MEMS加速度計芯片橫切面電子掃描顯微鏡照片，該款產品于2013年推向市場，是當時國際上最小的三軸MEMS加速度計，面積僅為2mm^2 。該款產品通過Al-Ge鍵合工藝使MEMS加速度計結構層圓片鍵合在MEMS專用集成電路IC圓片襯底上，MEMS加速度計結構層中存在硅通孔，硅通孔內填充的金屬鎢，借此鎢TSV互連實現(xiàn)MEMS加速度計結構層與處于襯底位置的MEMS專用IC實現(xiàn)電氣連接，封帽圓片通過鍵合工藝實現(xiàn)MEMS加速度計結構的局部氣密性封裝。從中可以發(fā)現(xiàn)，在此集成方案中TSV互連與慣性MEMS器件設計/加工緊密相關，慣性MEMS專用IC圓片與慣性MEMS結構圓片也是密切相關的，三者構成一個有機整體，慣性MEMS專用IC設計與慣性MEMS結構設計互相影響。

圖12 Bosch公司開發(fā)的WLCSP封裝的MEMS三軸加速度計

圖12是德國Bosch公司開發(fā)MEMS三軸加速度計芯片，與美國mCube公司的開發(fā)的技術存在明顯差別，該三維集成方案中MEMS專用IC采用Via-Middle技術制作了銅TSV，MEMS加速度計芯片與MEMS專用集成電路IC層疊，采用圓片級小尺寸封裝技術，體積僅為1.2 ｍｍ x 1.5 ｍｍ x 0.8 mm。

綜合兩者可以發(fā)現(xiàn)TSV互連、圓片鍵合結合成為實現(xiàn)慣性MEMS三維集成有效方法，是推動慣性MEMS小型化、立體化集成的有效技術途徑，同時，TSV互連、慣性MEMS設計/制造、慣性MEMS專 用IC芯片設計/制造及三者構成一個有機整體，需要互相配合，在這 一 點上，具有一 定封閉性，技術門檻高。

圖13 德國弗勞恩霍夫研究所提出的慣性MEMS三維集成TSV轉接板技術概念

圖13是德國弗勞恩霍夫研究所在2014年國際頂級學術會議ECTC報道的基于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一TSV硅轉接板指含有TSV互連的硅圓片、上下表面制作有重新布線層，利用微凸點在TSV轉接板上組裝慣性MEMS芯片、MEMS專用IC芯片，這樣可以發(fā)揮TSV轉接板在熱膨脹系數(shù)失配、線寬匹配等方面優(yōu)勢，釋放傳統(tǒng)慣性MEMS三維集成技術對MEMS專用IC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設計空間，允許更多功能芯片集成，具有開放性的特點、優(yōu)點。

德國弗勞恩霍夫研究所提出的慣性MEMS三維集成技術概念采用了傳統(tǒng)銅TSV轉接板技術，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轉接板的機械強度，TSV轉接板的厚度設計≥200μm，同時由于銅TSV互連與周圍硅襯底的熱膨脹系數(shù)失配，銅TSV互連直徑控制在≤20μm，TSV互連的深寬比≥10，這對目前TSV技術是個較大挑戰(zhàn)。而且，包含大量銅TSV互連的硅轉接板也會惡化其與慣性MEMS芯片之間的熱應力失配。為了克服傳統(tǒng)銅TSV轉接板在慣性MEMS芯片三維集成應用的上述問題，德國弗勞恩霍夫研究所提出了針對基于TSV轉接板的三維集成應用的慣性MEMS器件設計與制作工藝平臺，該慣性MEMS器件采用玻璃漿料圓片鍵合實現(xiàn)圓片級封裝，采用了周圍空氣電氣隔離的微導電柱實現(xiàn)慣 性MEMS器件內部功能結構與外部的電氣連接。慣性MEMS器件通過空氣隔離的微導電柱倒裝焊鍵合固定在TSV轉接板上，空氣隔離的微導電柱子用來解決慣性MEMS器件與TSV轉接板之間熱 應力失配問題。圖14是基于空氣電學隔離微導電柱的慣性MEMS器件制作工藝流程圖。圖15是加工慣性MEMS器件，圖16是加工的慣性MEMS器件上空氣電器隔離的微導電金屬柱。

圖14 基于空氣電學隔離微導電柱的慣性MEMS器件制作工藝流程圖

圖15 基于空氣隔離的微導電柱的慣性MEMS器件

圖16 空氣隔離的微導電柱設計與加工實物照片

4、展望與思考

從國外領先慣性MEMS研究機構的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，慣性MEMS器件模塊頂層設計以及MEMS芯片的工藝設計、MEMS專用ASIC芯片設計、慣性MEMS芯片與MEMS專用IC芯片集成工藝設計等環(huán)節(jié)的協(xié)同對于慣性MEMS器件整體性能至關重要，慣性MEMS三維集成技術研究是慣性MEMS領域研究的一個重要環(huán)節(jié)，對于拉動慣性MEMS器件研究水平、推動慣性MEMS應用發(fā)展具有重要意義。

慣性MEMS三維集成TSV互連技術通過提供垂直貫穿慣性MEMS芯片或MEMS專用集成電路IC芯片的TSV互連為兩者層疊式立體化集成提供了便利，更重要的，為兩者立體化集成和圓片級封裝的一體化提供了設計空間，有效的降低了慣性MEMS三維集成模塊的體積/重量、提高了集成度。

慣性MEMS三維集成TSV轉接板技術通過為慣性MEMS芯片、MEMS專用IC芯片等提供公共襯底平臺 ，具有提供與慣性MEMS芯片或MEMS專用IC芯片相匹配的線寬 、低熱膨脹系數(shù)失配的優(yōu)點，可以有效降低慣性MEMS三維集成模塊體積、重量 、熱應力水平等。更重要的，基于TSV轉接板的慣性MEMS三維集成技術對慣性MEMS芯片、MEMS專用IC芯片工藝制程影響小，允許其他采用不同工藝制程的功能芯片集成TSV轉接板襯底上，開放性好。在這一 點上，符合未來慣性MEMS三維集成多功能融合趨勢需求，將成為未來慣性MEMS三維集成TSV互連技術發(fā)展的重要方向。

近些年，國內清華大學、北京大學、東南大學、航天13所、航天33所、兵器科學研究院、中電13所、航空618所等高校科研院所對慣性MEMS器件開展了系統(tǒng)深入研究，取得了穩(wěn)定的進步，建立了獨具特色的慣性MEMS器件加工工藝，慣性MEMS器件部分指標達到或接近國際水平，目前處于應用突破階段。而在慣性MEMS器件三維集成TSV互連技術方面的研究相對落后、與國外存在較大差距，亟需開展慣性MEMS三維集成技術方面的研究以加速慣性MEMS器件的應用與發(fā)展。北京大學對TSV互連與μBump、多層存儲器芯片堆疊等TSV三維集成關鍵技術開展了研究，在ECTC等國際學術會議上發(fā)表論文多篇，申請了多項發(fā)明專利，初步展示了開展慣性MEMS三維集成TSV互連技術研究的潛力。

綜合考慮基于TSV的慣性MEMS三維集成技術的特點與發(fā)展趨勢、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三維集成研究的優(yōu)選切入點，它對國內慣性MEMS器件技術途徑沖擊小，有利于保持并提升慣性MEMS器件研究水平，又可以整合慣性MEMS器件、MEMS專用IC等環(huán)節(jié)研究力量，完善慣性MEMS器件研究產業(yè)鏈。