進階微機電封裝設計上的考量
微機電系統(MEMS，microelectromechanical systems)元件的市場大小預測會在未來幾年持續地成長。此文章提出一些設計上的考量以提供工程師在面對微機電封裝相對於傳統IC封裝的特殊挑戰上的瞭解。自動化的微機電構裝需要最佳化的設備與製程。
微機電技術相關的產品相對於記憶體或微處理器的市場來說仍是相當小的市場。然而，很多市場預測家預測微機電產品在未來的四到五年將會有17-20%的年複合成長率(CAGR，compound annual growth rate)。半導體元件工業的長期(1998-2000)成長率(14.3%的CAGR)已邁入了一個長期衰退(5-10%範圍)的時期。
封裝技術的分類
藉由與真實世界的介面之不同可將封裝技術分成二個不同的種類：有遮蓋(capped)與無遮蓋(non-capped)。
有遮蓋的產品例子包括加速計(accelerometers)、陀螺儀(gyros)與射頻(RF)交換器。脆弱的微機電元件一般會利用遮蓋(lid或cap)來與環境隔離。密封性(hermeticity)對此類元件來說是一項共通的要求。遮蓋可利用獨立的構裝(discrete assembly)、晶圓與晶圓層級的接合技術(wafer-to-wafer-level bonding)與晶圓處理技術(wafer processing techniques)來實現。
獨立的構裝：為了能夠將獨立的微機電元件、電子元件與遮蓋加以構裝，因此就需要一台能處理不同的裸晶、基板與遮蓋元件的取放(pick-and-place)設備(圖一)。黏著材料必須要能與整體的構裝相容，而且對脆弱的微機電結構不會產生溢氣(outgas)之現象。
晶圓與晶圓層級的接合技術：晶圓與晶圓層級的接合技術已運用在微機電元件的遮蓋應用上。它需要精確的晶圓定位，然後在充氣或真空的環境下進行晶圓的接合。之後元件會進行後續處理並切割成最後的元件封裝。而電氣上的連線則依據封裝的架構而有所不同(圖二)。
晶圓處理技術：晶圓處理技術可允許在晶圓處理的步驟中有一個真空隔離的環境，但並無法與所有的微機電感測器產品相容。圖三顯示一個晶圓處理的遮蓋密封之前與之後的微機電結構。此技術可產生一個足夠堅固以在封裝製程步驟期間保護微結構的密封性遮蓋。因為微機電結構已完全地密封在晶片層級中，因此構裝黏著材料在此結構上可能會有溢氣現象產生。
無遮蓋的產品例子包括通常需要直接在微機電元件與環境間做連接的壓力感測器與細管(nozzles)。因此，它們並不能利用遮蓋來密封。然而，一種非密封式的膠體(gel)遮蓋可用來保護微機電元件的連接線與其它部份。
傳統的壓力感測器是利用一個在二側有施加壓力時會拉伸的隔膜(diaphragm)。而一個絕對壓力感測器則在隔膜的一側有一固定(密封)的壓力，而壓差感測器則在二側均會直接與環境接觸。因此絕對與壓差壓力感測器的封裝會有很大的不同。圖四則是一個微機電壓力感測計封裝的例子。
微機電元件的挑戰
特殊的微機電應用即指定了封裝元件的功能性效能與可靠度要求。封裝技術上的挑戰包括：成本、尺寸、封裝應力、電氣隔離、塵粒與密封性。
IC封裝是很成熟的技術，且大約佔了整體製造成本的30~95%。微機電封裝則佔了元件70~90%的成本。封裝應力、製造期間的落塵保護、密封性要求與較低的生產量均是微機電封裝成本增加的主要原因。材料的選擇對小型微機電結構的封裝應力與溢氣污染的最小化來說是很關鍵的因素。
設計的模型化可協助設計人員移除微機電元件封裝中冗餘(redundant)的特性以趨使成本的下降。然而，在考慮結合封裝、元件、黏著劑、連接線以及從電路板安裝、散熱等條件對封裝所可能造成的影響時，則要將整個系統效能加以模型化將會是十分困難的。
構裝自動化設計上的考量
利用取放設備的自動化構裝目前已被大多數公司所採用，而且是產生完整微機電封裝中最具彈性的技術。取放設備可以讓設計人員從多重的來源中選擇元件，並將它們組合在單一封裝中。雖然具有遮蓋的封裝可利用晶圓與晶圓層級接合技術及半導體處理技術來達成，但是這些元件仍然是相當脆弱的，並且需要被小心地處理。
在構裝一個微機電封裝時所需考量的設計範圍包括：如何將元件傳送到設備上；封裝與微機電元件的對準記號(fiducial marks)；微機電不可碰觸(no-touch)區域以及特殊擷取(pick)工具需求；元件和應用的材料相容性；製程的潔淨程度；定位(placement)精確度和對位(alignment)方法(整體或相對性定位)；黏著方法和材料；單一或晶片堆疊(stacking)；覆晶(flip chip)或電路向上(circuit up)；以及打線(wire bond)等。
傳送元件到設備之技術：微機電元件可利用不同種類的方式，如疊片包裝(Waffle Pack)、膠體包裝(Gel Pak)、捲帶與捲軸包裝(Tape and Reel)以及晶圓，來傳送到設備上。而封裝本身可能是導線架(lead-frame)、條狀(strip)、面狀(panel)或個別的封裝。依據產量與製造策略的不同，構裝物件(cell)可能是由操作員用手個別地供給材料或由線上整合上下游設備流程的全自動材料供給系統來供給。
封裝與微機電元件的對準記號：可被機器視覺處理系統所辨識的物理特徵或記號對強固的(robust)自動化構裝來說是相當重要的。在設計流程的早期就必須檢視對準記號的位置、大小、形狀及材料。對準記號理想上是能與封裝內部定位元件特徵的相同製程步驟中產生。封裝的對準記號一般會比微機電元件的對準記號還來得大且較少重覆性。微機電元件相對封裝的對位精確度會依封裝與微機電對準記號而有所差異。
微機電不可碰觸區域以及特殊擷取工具需求：很多微機電元件的敏感性區域若被擷取工具碰觸時即會損傷。客製化的擷取工具可加以設計以避過微機電元件的敏感性區域。在一些例子中，會利用二邊或四邊的套夾(collets)以剛好從微機電元件的邊緣上加以擷取。取放設備必須要有能在晶片上方將這些客製化擷取工具加以定位的能力。假如工具能被定位在微機電元件的耐用(durable)區域上時，則也可以利用平底的(flat bottom)工具。
元件和應用的材料相容性：材料的選擇是透過化學性質、機械應力、電氣與光學相容性來決定的。封裝、微機電元件與黏著材料在曝露於製造製程與環境條件下會形成一個不利於元件效能的複雜系統。光學微機電元件已對封裝業產生了一些最困難的挑戰。
製程的潔淨程度：構裝、接合與老化(aging)均不能夠產生對元件有不利影響的污染。黏著材料與其接合或固化(curing)製程必須謹慎地選擇以考量製造流程期間對元件所造成的影響。
定位精確度和對位演算法：整體定位必須依賴一組封裝對準記號，而所有元件均是依據該記號來進行定位。相對性定位法則可以相對於之前置放元件的位置來置放某些元件。相對性定位法將會以視覺的方式參照封裝上的某個元件，然後相對於已找出的元件位置來置放後續的元件。
單一或晶片堆疊：目前不斷成長的趨勢是要在每平方公分的封裝面積中放入更多的功能性效能。目前製造商會將晶片在另一個晶片上方堆疊起來以節省面積。晶片堆疊需要相對性的定位，而且假如是堆疊成單一晶片以通過構裝機台時，則儘可能在相同的平台上進行黏著劑塗佈(dispensing)。
覆晶或電路向上／打線：在覆晶或電路向上／打線之間的選擇會影響很多前面所討論的內容，而且必須謹慎地考量其成本與可靠度。
結論
微機電市場預測會比半導體隨機記憶體(RAM)與微處理器市場成長更為快速。微機電相關的產品包括了很廣的應用範圍(表一)。微機電相關的封裝需要不同的成型因子與封裝型式。因此，用來構裝微機電產品的設備也必須具有處理多重構裝準則的彈性。
切割後元件的取放將能持續提供彈性與低啟動(start-up)成本，以確保能在低生產量下驗證微機電產品的設計。
封裝設計工程師、設備與材料供應商，以及工程設計工具供應商應該共同合作以持續趨使微機電產品的成本降低。SST-AP/Taiwan
參考資料
若需要完整的參考資料，請連絡作者。
作者
Daniel D. Evans Jr. 是Palomar Technologies Inc.的資深科學家，聯絡地址：2230 Oak Ridge Way, Vista, CA 92081-8341；電話：(760) 931-3406。