изоляционный слой

О U U U U

световод

Рис. 9.9. Сборка микросистемы методом перевернутого кристалла. Репродукция из книги S.J. Kim, Y.S. Kwon, H.Y. Lee, 2000, ((Silicon MEMS Packages for coplanar MMICso, Proceedings of 2000 Asia-Pacific Microwave Conference, Australia, December 2000, IEEE, Washington, DC с разрешения IEEE, ©2000 IEEE

припоя, сформированных из золота на контактных площадках на подложке. Капля с острым концом легче деформируется, поэтому соединение, осуществляемое с ее помощью имеет большую температурную стабильность.

1. формирование защитного колпака для микроустройства или подложки; пайка, сварка или склеивание

2. крепление микроу(яройства'

ИС микросистемы

может потребоваться дополнительное покрытие для защиты тонкого колпака

UUUUUUU

3. обычная защита

от механических повреждений

UOUOUUUUU

Рис. 9.10. Монтаж микросистемы с защитным колпаком. Репродукция из книги К. Gilleo, 2001b, MEMS packaging issues and materials*, Proceedings of IEEE International Symposium on Advanced Pack-

[ aging: Process, Properties and Interfaces, IEEE, Washington, DC:

}; 1-5 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

Сборка методом перевернутых кристаллов широко применяется для изготовления микросистем. Это объясняется тем, что этот метод позволяет на одной подложке крепить несколько близко расположенных кристаллов и осуществлять многоуровневые электрические соединения. Аналогичные микросистемы могут быть изготовлены также при помощи проволочных соединений, но при этом площадь монтажа будет значительно больше, а огромное количество проводов внутри системы может привести к ухудшению надежности устройства. Однако микросистемы, изготовленные методом перевернутого кристалла, несовместимы с устройствами, в состав которых входят микроструктуры, открытые для воздействия окру-жак)П1;ей среды.

9.5. Многокристальные микросистемы

Из-за несовместимости технологий изготовления электромеханических микросистем и ИС возникают проблемы при их интеграции на одной подложке. Метод монтажа в виде многокристалльных модулей является эффективным способом интеграции микросистем с

на подложку, на которую заранее нанесены капли припоя для осуществления непосредственной связи кристалла с подложкой. Контактные шарики обеспечивают не только механическое соединение, но и электрический контакт. Такой метод крепления уменьшает длину электрического пути, и, соответственно, снижает связанные с ним емкость и индуктивность, что особенно важно для ВЧ микросистем. Уменьшение паразитных емкостей и индуктивностей позволяет минимизировать задержку сигналов в быстродействующих схемах.

При осуществлении монтажа методом перевернутых кристаллов кристалл прикрепляется на подложку корпуса верхней стороной вниз. Электрические соединения выполняются через капли припоя между контактными площадками на кристалле и металлическими контактами на подложке (Oppermann et al, 2000). Такой метод крепления позволяет оставлять между кристаллом и подложкой очень небольшое расстояние (~ ЮОмкм). При этом капли припоя формируют не только электрическую связь с подложкой, но и используются в качестве механической опоры.

На рис. 9.9 показана схема корпуса микросистемы, изготовленного методом перевернутого кристалла. Поскольку активная поверхность микросистемы размещена рядом с подложкой, полость за-щиШ;ает ее подвижную часть. Величина нейтральной зоны определяется высотой капли припоя. Метод перевернутого кристалла отличается большой универсальностью, поэтому он подходит для изготовления многих типов микросистем. Существует другой способ монтажа на подложке, заключающийся в том, что сначала над микроустройством формируется защитный колпак, после чего проводится сборка микросистемы стандартным методом перевернутого кристалла. На рис. 9.10 (стр. 507) проиллюстрирован данный способ монтажа. На рис. 9.11а (стр. 508) показана последовательность операций при сборке микросистемы на керамической подложке методом перевернутого кристалла, а на рис. 9.116 представлены два типа каплей

микроэлектронными схемами, поскольку он позволяет объединять множество кристаллов разного типа на одной подложке без значительных изменений технологических процессов. Этот метод монтажа, основанный на технологии высокой плотности межсоединений, заключается во встраивании бескорпусных кристаллов внутрь общей подложки. \

1) Формирование капли припоя 2) монтаж кристалла

сварочный аппарат наконечник сварочного аппарата 300 ° . -Сформированная 3 капля

I О 1И1л.к>жка

стадия сварки 200 °

стадия сварки 300° (а)

i РиШ'в.И. а - последовательность операций при монтаже методом перевернутого кристалла, б - фотографии двух форм припоя: капли с острым концом и капли с плоским концом. Репродук-Ь- , ция из книги Н. Kusamitsu, Y. Morishita, К. Murushashi, М. Ito,

К. Ohata, 1999, <tThe flip-chip bump interconnection for miUimeter * wave GaAs MMIC>>, IEEE Transactions on Electronics Packaging

and Manufacturing 22(1): 23-28 с разрешения IEEE, ©1999 IEEE

Для построения микромодульных систем часто используется технология нанесения многокристалльных модулей. По этой технологии сначала формируются коммутационные слои, сверху которых монтируются кристаллы. Коммутационные слои состоят, как правило, из проводных соединений (Butler, Bright, Comtios, 1997, Butler et al, 1998, Cohn et al, 1998, Coogan, 1990, Sardborn, Swaminathan, Subramanian, 2000).

Рис. 9.12. а - последовательность операций при технологии высокой плотности межсоединений, б - усовершенствованная технология высокой плотности межсоединений, обеспечивающая доступ к кристаллам микросистемы. Репродукция из книги J.T. Butler, V.M. Bright, Р.В. Chu, R.J. Saia, 1998, Adapting mul-tichip module foudries for MEMS packaging)). Proceedings of IEEE International Conference on Multichip Modules and High-Density

Packaging, IEEE, Washington, DC: 106-111 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

Формирование подложки и крепление кристаллов

контактные площадки

т

Нанесение диэлектрического слоя

диэлектрик

Напыление металлизации

и нанесение следующего диэлектрического слоя

кристалл

подложка

кристалл

Формирование окошек при помощи лазера для доступа к кристаллу микросистемы

кристалл КМОП схемы \

подложка

Среди микромодульных систем можно выделить многокристальные микросистемы, реализованные на керамической многослойной подложке из оксида алюминия, и вертикальные многокристальные модули (Gotz et al, 2001). В этих микросистемах линии и сквозные отверстия формируются на разных слоях, которые затем все вместе подвергаются высокотемпературной обработке (спеканию). При

На рис. 9.12 a показана последовательность операций, соответствующая стандартной технологии высокой плотности межсоединений. Для построения электромеханических устройств эту технологию можно расширить, добавив в нее дополнительную стадию селективного лазерного удаления диэлектрического слоя для обеспечению доступа к кристаллу микросистемы (рис. 9.12 б). На рис. 9.13 показана фотография многокристальной микросистемы, в состав которой входит КМОП-схема и кристалл электромеханического устройства.

необходимости к этой конструкции методом эвтектической пайки прикрепляются рамки с внешними выводами и теплоотводы.

кристалл микросистем

кристалл КМОП схемы

Рис. 9.13. Многокристалльная система, состоящая из КМОП схемы и микросистемы. Репродукция из книги J.T. Butler, V.M. Bright, J.H. Comtios, 1997, ((Advanced multichip module packaging of microelectromechanical systems*. Transducers 97, IEEE, Washington DC: 261-264 с разрешения IEEE, ©1997 IEEE

9.5.1. Соединение подложек

При сборке микросистем иногда используют защитные подложки с внутренним углублением, прикрепленные к основной подложке. Однако традиционные методы соединений, такие как плавление и анодная сварка, не могут быть применены при монтаже механических микроустройств из-за опасности их повреждений от действия высоких температур или сильных электрических полей. Использование же низкотемпературных методов крепления может привести к значительному увеличению стоимости сборки. Выход из этой ситуации - сначала проводить монтаж микроустройства, а потом сборку оставшейся части системы, применяя традиционные методы монтажа ИС. Для сборки микроустройств могут быть применены методы заклепочного соединения (Lin, 1993, Shivkumar, Kim, 1997) или эвтектической пайки (Cheng, Lin, Najafi, 2000), которые выполняются направленным травлением кремния для получения отверстий для заклепок и направленным гальваноосаждением в электрическом поле для формирования самих заклепок. Такое соединение подложек про-

водится при комнатной температуре и низком напряжении. После установки защитной подложки микроустройства могут подвергаться любым технологическим процедурам, необходимым для изготовления ИС, включая построение проводных соединений и отливку пластиковых корпусов.

На рис. 9.14 показан принцип монтажа дополнительной подложки для защиты микроустройства методом заклепочного соединения. Для соединения основной и защитной подложек вокруг дополнительной подложки формируются заклепки. На рис. 9.15 показаны защитная и основная подложки и гальваническая установка. В качестве материала для изготовления заклепки используется никель.

граница кристалла

гоанина Т вид сверху

* (показана половина кристалла)

кристалла > кон

микрозаклепки

контактные площадки для проводных соединений

- затравочный слой активная область микросистемы поперечное сечение

Р^. .ft.14. Принцип монтажа защитной подложки методом заклепочного соединения. Репродукция из книги В. Shivkumar, C.J. Kim, 1997, ((Microrivets for MEMS packaging; concept, fabrication and strength

testing , Journal of Microelectromechanical Systems 6(3); 217-225 ; . , с разрешения IEEE, ©1997 IEEE

Ha поверхность основной подложки методом термического осаждения из газовой фазы наносится затравочный слой, состоящий из 125 А хрома и 750 А никеля. Во время проведения гальванического процесса основная и защитная подложки удерживаются вместе. Осаждение никеля начинается с незащищенной области затравочного слоя, после чего происходит заполнение всего отверстия под заклепку на защитной подложке и формирование самой заклепки. Простого механического фиксирования двух подложек в электролите достаточно для осуществления их прочного соединения, при этом