1. 引言
微機電系統（MEMS）是指包括微傳感器、微致動(dòng)器（也稱(chēng)微執行器）、微能源等微機械基本部分以及高性能的電子集成線(xiàn)路組成的微機電器件或裝置，也可稱(chēng)為微機械系統?？梢哉f(shuō)微機電系統是一種獲取、處理信息和執行機械操作的集成器件，它是微機械學(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)相當成熟，但是，很多芯片沒(méi)有得到實(shí)際應用，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、信號分配和散熱等。但由于MEMS器件的特殊性、復雜性和MEMS應用的廣泛性，對封裝的要求是非?？量痰?，封裝的功能還應增加以下幾個(gè)方面的內容：
(1) 應力：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封裝應對器件產(chǎn)生最小的應力；
(2) 高真空：可動(dòng)部件在真空中，就可以減小摩擦，達到長(cháng)期可靠工作的目標；
(3) 高氣密性：一些MEMS器件，如微陀螺必須在穩定的氣密條件下才能可靠長(cháng)期地工作，有的MEMS封裝氣密性要達到1×10^(-12) Pa?m3/s；
(4) 高隔離度：MEMS常需要高的隔離度，對MEMS射頻開(kāi)關(guān)就更為重要。為了保證其他干擾信號盡可能小，就要求對傳感器的某些部位進(jìn)行封裝隔離。否則，干擾信號疊加在所采樣的有用信號上將使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封裝就必須構成穩定的環(huán)境，并能使氣體、液體穩定流動(dòng)。
MEMS封裝的特殊性大大增加了MEMS封裝的難度和成本，據估計，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，國內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，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。但新出現的領(lǐng)域(比如生物MEMS)具有特殊的要求，就需要新方法，這類(lèi)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，對應的封裝方法是針對具體器件來(lái)定制的，也就是說(shuō)，器件定制的解決方案意味著(zhù)MEMS封裝方面的研究進(jìn)展較慢，而且標準化也面臨挑戰。
MEMS芯片在封裝完成之前，會(huì )對機械撞擊非常敏感，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(chǎng)會(huì )進(jìn)行部分或全部的封裝工藝。在使用掩膜版進(jìn)行分割或者晶圓級工藝操作過(guò)程中，必須很好的保護MEMS芯片的動(dòng)作空間。最常見(jiàn)的MEMS封裝要求是在不限制機械行為的前提下進(jìn)行保護，但是，并不能簡(jiǎn)單地從過(guò)去針對單純的電子芯片開(kāi)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
MEMS封裝技術(shù)嚴重滯后的主要原因是MEMS封裝完全不同于傳統集成電路(IC)的封裝。傳統IC封裝的目的是提供IC芯片的物理支撐、保護其不受環(huán)境的干擾與破壞，同時(shí)實(shí)現與外界信號、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構和活動(dòng)構件，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)系及其自身的結構復雜性，MEMS封裝與傳統IC封裝存在著(zhù)相當大的差別，對封裝技術(shù)提出了嚴峻的挑戰。
（1）MEMS 器件或微系統是在一塊硅片(或其他材料)上高度集成的多功能器件與系統。在實(shí)現電氣互連的同時(shí)，還要實(shí)現機械、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，因此對封裝技術(shù)而言，需要提供讓芯片敏感區與外界環(huán)境交互作用的通道， 如流體傳感器則需要相應的流體通道，微光機電系統(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與外界環(huán)境充分交互作用，并保護芯片敏感區不因兩者間的交互作用產(chǎn)生性能惡化，保持其性能穩定；二是需要保護芯片的其他區域。
（3）由于MEMS器件一般工作在各種強振動(dòng)、酸堿性物質(zhì)及其它化學(xué)物質(zhì)或有機溶劑等應用環(huán)境下，因此要求封裝結構與封裝材料能適應各種復雜的工作環(huán)境。在保持穩定性能的同時(shí)避免帶來(lái)傳感測量噪音。
（4）由于MEMS器件是集成的多功能器件，對工作環(huán)境有相應的要求，如溫度、濕度以及大氣壓力等。如MEMS典型應用之一的加速度測量?jì)x的最佳工況是運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，上述兩者均對溫度敏感，因此需要在其中封裝傳感器，以便測量和控制溫度。對于具有活動(dòng)構件的MEMS 器件而言，對封裝的要求更高。
（5）MEMS封裝工藝參數引起的MEMS可靠性問(wèn)題比較嚴重，如封裝熱應力、封裝殘余應力、封裝過(guò)程對芯片的污染、封裝除氣等。因此，對封裝工藝參數必須加以嚴格的要求和控制。
（6）鑒于MEMS制造工藝的多樣性、結構的復雜性以及應用環(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)現規范化與標準化，無(wú)法采用統一的封裝形式與封裝工藝。
綜上所述，對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)交互作用的系統來(lái)進(jìn)行MEMS封裝的設計與制造。
