ГЛАВА 9

BblCOKOHACTOTHfeix МИКРОСИСТЕМ

9.1. Введение

Поскольку первые микросистемы были изготовлены по технологии производства кремниевых ИС, из области микроэлектроники были взяты и ранние способы их монтажа. Под монтажом микросистем подразумевается построение внутренних соединений между частями систем и обеспечение оперативного пространства для функционирования электромеханических схем. Большинству микросистем необходимо иметь физический контакт с окружающим миром либо для механического воздействия на внешнее устройство, либо для осуществления сенсорных функций. Микросистемы не только преобразуют сигналы, но также способны совершать контролируемые перемещения в пространстве. Современные технологии изготовления микродатчиков позволяют отделять сенсорную часть от остальной схемы, которая является полностью изолированной и герметизированной, а связь с окружающей средой осуществляется при помощи электрических разъемов. В большинстве случаев монтаж микросистем сильно отличается от сборки микроэлектронных устройств. Хотя некоторые инерционные и оптические устройства не попадают под это правило. Если в случае микроэлектронных устройств почти каждый стандартный корпус используется для построения множества разнообразных схем, корпуса микросистем, как правило, разрабатываются под каждую конкретную задачу, что повышает их стоимость, эффективность и надежность.

При проектировании нет особой разницы в том, для чего разрабатывается корпус: для пользовательской микросистемы или для устройства, работающего в составе высокопроизводительного военного оборудования. Основные отличия заключаются в их стоимости и степени контроля за оптимизацией параметров, точностью соответствия рабочих характеристик и надежностью. При проектировании корпусов необходимо учитывать следующие факторы: размер корпуса, его форму, используемые для изготовления материалы.

ориентацию устройства, монтажные приспособления для обеспечения защиты от вибрации и ударов и герметизацию всего устройства. При разработке монтажа микросистем часто пользуются опытом, накопленным в области микроэлектроники. В состав корпусов микросистем, как правило, входит много электрических и механических компонентов, соединенных друг с другом. Все электрические соединения необходимо согласовывать с самой схемой. Структура микросистем может быть очень хрупкой, поэтому ее требуется защищать от механических повреждений и неблагоприятных условий окружающей среды. Корпуса микросистем могут включать в себя элементы механических и электрических структур, а также их комбинации, входящих в состав самой системы.

В этой главе рассматриваются корпуса, принцип построения которых взят из микроэлектроники, адаптированные под технологию изготовления микросистем, а также представлены корпуса, разработанные для современных механических микроустройств. Совершенствование корпусов ведется с целью построения оптимальных микросистем, обладающих меньшими размерами и стоимостью, а также большим быстродействием.

Основная проблема монтажа микросистем заключается в разделении кристаллов. В настоящее время для разрезания кремниевой подложки применяются алмазные лезвия. Во время процедуры разрезки, взятой из стандартной технологии изготовления ИС, лезвие вращается со скоростью 45000 оборотов в минуту, при этом вся система заливается водой высшей степени очистки. При изготовлении стандартных ИС при проведении такой процедуры не возникает никаких проблем, поскольку их поверхность хорошо защищена от попадания воды и кремниевой пыли. В случаях же применения этой технологии при производстве микросистем, на них попадает вода или крошки подложки, что может привести к серьезным повреждениям. Попытки защитить поверхности микроструктур при помощи фоторезистивных или других покрытий принесли только ограниченный эффект.

а

9.2. Роль корпуса в микросистемах

Главная цель разработки корпусов - уменьшение стоимости, веса и сложности микросистемы в целом. Основные функции корпусов микросистем заключаются в создании механической опоры и обеспечении электрического согласования с другими компонентами систем, а также в защите от внешних воздействий. Корпус осуще-

Глава 9. Монтаж высокочастотных микросистем

ствляет связь кристалла с окружающим миром. Корпус должен защищать устройство, но при этом не мешать выполнению его основных функций и не ослаблять полезный сигнал. Важной характеристикой корпусов является их стоимость, которую всегда стремятся сделать, как можно, ниже (Blackwell, 2000, Elwenspoek, Wiegerink, 2001). Стоимость корпусов возрастает, когда осуществляется дополнительная защита отдельных хрупких элементов системы. Для стандартных ИС стоимость монтажа может достигать 95% от всей производственной стоимости. В случае же микросистем монтажные операции могут быть еще дороже, вследствие их сложности, трудоемкости и хрупкости микроструктур, разнообразие используемых материалов также создает дополнительные проблемы.

Для многих микродатчиков требуется разработка дополнительных компонентов для согласования с измеряемыми величинами. Например, корпуса датчиков давления должны иметь в своем составе порт для передачи давления жидкости к чувствительному элементу. Именно в этом заключается главное различие между корпусами стандартных полупроводниковых устройств и микроустройств.

9.2.1. Механическая защита

Поскольку большинство микросистем являются механическими устройствами, их необходимо защищать и изолировать от термических и механических перегрузок, вибрации, ускорений и других физических воздействий. Механические нагрузки, влияющие на систему, зависят от ее предназначения. Например, одна и та же микросистема, используемая в военном самолете и на спутнике связи, будет в каждом случае иметь разные корпуса, что объясняется различными условиями эксплуатации. Для обеспечения надежности системы коэффициенты температурного расширения корпуса и кремния должны быть равны, поскольку при тепловой обработке несоответствие материалов может привести к возникновению трещин и расслоений. Корпуса не должны вносить дополнительные напряжения в саму систему, это особенно важно для микродатчиков, т. к. эти напряжения могут изменить рабочие характеристики устройства. Если механические микроустройства связаны друг с другом проводами или другими электрическими соединениями, которые, как правило, проходят через стенки корпусов, вся сборка должна быть либо защищена специальным покрытием, либо помещена в герметичную упаковку из пластика или керамики.

9.2. Роль корпуса в микросистемах

9.2.2. Электрические соединения

При осуществлении электрических соединений при помощи проводов и других элементов необходимо защищать микроустройства от царапин и других физических повреждений. Электрические соединения в микросистемах используются для передачи ВЧ сигналов и постоянного напряжения, что требуется для объединения отдельных электромеханических микроустройств в единую систему. Выполнение такой распределительной функции также является задачей корпуса микросистемы. Для ввода ВЧ сигналов внутрь корпусов, как правило, используются металлизированные линии передач или коаксиальные кабели, либо для этого применяются устройства, обеспечивающие ввод сигналов за счет электромагнитной связи. Связь выходов микросистемы и ВЧ линий чаще всего выполняется при помощи проводов. Иногда для этого применяются многослойные внутренние соединения или контактные площадки, сформированные методом перевернутого кристалла.

1 9.2.3. Защита от вредных воздействий окружающей среды

Многие микросистемы служат для измерения внешних параметров окружающей среды. Герметичные корпуса, обычно применяемые в микроэлектронных устройствах, часто не подходят для микросистем, которые могут быть интегрированы со схемами или размещены с ними на одной плате и должны быть защищены от механических повреждений. Для изоляции микроустройств от агрессивной среды необходимо применять специальные корпуса. Защита начинается с уровня кристаллов (Sparks, 2001). Для многих микросистем важным является предохранение металлических линий и других компонентов от факторов, которые могут привести к коррозии или физическим повреждениям, например, от влаги. Влага, попавшая внутрь корпуса во время изготовления и перед герметизацией, можст'вызвать порчу материалов. Например, алюминиевые линии быстро корродируют в присутствии влаги, в то время как золотые линии выходят из строя гораздо медленнее. Соединения разных металлов во влажной среде также довольно быстро корродируют. Поэтому корпуса микросистем должны быть герметичными, с хорошей защитой от жидкостей и газов.

Большинство микросистем, разрабатываемых для космической промышленности, изготавливаются герметичными, что значительно повышает их надежность, но препятствует выходу газов. При

Глава 9. Монтаж высокочастотных микросистем

использовании для крепления подложек эпоксидных смол и сложных эфиров образуется некоторое количество газов, которые могут осесть на компоненты и ухудшить рабочие характеристики устройства. Оставшиеся газы могут привести к склеиванию компонентов, а также к коррозии устройства. Если для соединения элементов микросистемы применяются материалы с низким модулем Юнга, во время ультразвуковой пайки может произойти смещение кристалла, что сильно ослабляет прочность конструкции.

9.2.4. Тепловой режим

Современные микросистемы, как правило, имеют небольшую рассеиваемую мощность. Поскольку во время работы электромеханических микроустройств температура обычно увеличивается незначительно, выделение тепла здесь также не является проблемой. Однако при интеграции в одном корпусе микросистем с другими мощными устройствами, например, усилителями, необходимо предусматривать отвод тепла от микроструктур, чтобы предотвратить их выход из строя из-за действия высоких температур. Поэтому при разработке микросистем всегда необходимо учитывать тепловой режим работы всего устройства в целом.

9.3. Виды корпусов микросистем

Методы сборки миниатюрных механических устройств разработаны уже довольно давно. В космической промышленности такие методы применяются уже более полувека, а в часовой - еще больше. Каждая микросистема, как правило, требует разработки индивидуального корпуса, который определяется областью применения и методами оптимизации. Существуют четыре основных типа корпусов: 1 - полностью металлический, 2 - керамический, 3 - пластиковый и 4 - многослойный.

9.3.1. Металлические корпуса ,

Поскольку металлические корпуса обеспечивают отличный отвод тепла и надежное электромагнитное экранирование, они часто применяются для ИС. Металлические корпуса также используются и для монолитных СВЧ ИС, а также гибридных схем. Такие материалы как CuW (10/90), NiFe, CuMo (15/85) и CuW (15/85) обладают хорошей теплопроводностью и имеют более высокий коэффициент термического расширения по сравнению с кремнием. Все эти ме-

9.3. Виды корпусов микросистем

таллы, покрытые медью, золотом или серебром, применяются для изготовления корпусов микросистем.

9.3.2. Керамические корпуса

Керамические корпуса являются самыми распространенными корпусами, используемыми в микроэлектронной промышленности. Их достоинства - малый вес, низкая стоимость и возможность серийного выпуска. Керамические корпуса могут быть выполнены герметичными и адаптированными к многослойным схемам. Они легко интегрируются при организации сквозных сигнальных линий. Многослойные конструкции позволяют уменьшать размеры и стоимость интегрированных корпусов, объединяющих несколько микроустройств. Электрическая разводка схем внутри корпуса выполняется при помощи многослойной керамики и внутренних соединительных линий. Для производства таких корпусов обычно применяется технология совмест,ного спекания многослойной керамики.

Многослойный монтаж состоит из формирования отдельных слоев тонких пленок, происходящего на подготовительных стадиях до начала процесса спекания. На поверхность каждой пленки методом трафаретной печати наносятся металлические проводники, а для организации внутренних межслоевых соединений сверлятся сквозные отверстия. По окончании формирования всех слоев, пленки складываются вместе и выравниваются, после чего полученная слоевая структура обжигается при высокой температуре. Далее выполняется соединение микросистем и других необходимых компонентов, для чего применяются методы склеивания при помощи эпоксидной смолы, пайки или проволочных креплений, аналогичные способам, используемым при производстве металлических корпусов.

При такой технологии монтажа могут возникнуть следующие проблемы. Во-первых, во время температурной обработки происходит уменьшение размеров конструкции, величина которого зависит от количества сквозных отверстий и технологических прорезей, выполненных в каждом слое. Во-вторых, адгезия между керамикой и металлом намного слабее адгезии между двумя керамическими слоями. В-третьих, обработка керамики происходит при высоких температурах, что ограничивает выбор материалов для металлических линий, к тому же металлы в процессе обжига не должны вступать ни в какие реакции. В процессе совместного низкотемпературного спекания керамики (LTCC) для формирования металлических линий, как правило, применяются вольфрам и молибден, а в качестве проводников - золото, серебро и AuPt.