Виды и конструкции корпусов для размещения микрочипов и микросистем

Есть три основные категории широко принятых упаковки подходов в MEMS. Они керамики, металла, и пластика, каждый со своими достоинствами и ограничениями (табл 8.4). Например, пластик недорогой, часто небольшой размер (Surface Mount) решение, но оно недостаточно для суровых условиях. Запрашиваемая цена пластиковой упакованы давления или датчика ускорения часто ниже $ 5. В отличие от этого, аналогичный датчик упакованы в герметичный металлический корпус может стоить более $ 30. Это не удивительно, что упаковка, что часто определяет экономическую конкурентоспособность.

Керамическая Упаковка

Керамика твердые и хрупкие материалы, изготовленные по формированию неметаллических минеральных, то стрельбы при высокой температуре для уплотнения. Подавляющее большинство керамики изоляторы электрические и часто являются хорошими проводниками тепловые (табл 8.5). Простота формировании наряду с надежностью и привлекательным свойствам материала (например, электрический изолятор, герметизации) сделали керамики опорой в электронной упаковке. Они широко используются в многокристальных модулей (MCM) [19] и передовых электронных пакетов, таких как мяч сетки массивов (BGA) [20]. Эти же характеристики расширили полезности керамики упаковки MEMS-многих коммерчески доступных датчиков микромеханического использовать некоторые формы керамической упаковке. Керамика полностью настраиваемый и позволяет формировать через порты и коллекторов для упаковки жидких основе МЭМС. Керамика обычно страдают от усадки (~ 13% в горизонтальном направлении и ~ 15% в вертикальном направлении) при обжиге, что производители учитывают в их конструкции. По сравнению с пластиковой упаковки, они значительно дороже.

Алюминия (Al2O3) на сегодняшний день является самым распространенным из всех керамики, будучи использованы на протяжении веков в фарфора и тонкой посуды. Алюминий нитрид (AlN) и бериллия BeO () имеют превосходные свойства материала (например, лучше теплопроводность), но последний является очень токсичным. Нитрида алюминия подложки, как правило, дорого, в частности, из-за необходимой комплексной переработки из-за трудности спекания материала.

Керамическом корпусе выполнена из ламината, каждый из которых сформирован и рисунком отдельно, а затем сведены вместе и cofired (спеченный), при повышенной температуре, обычно между 1,500ºC и 1,600ºC (рис 8.8). Последние достижения привели к низкотемпературной керамики (cofired LTCC), такие как Дюпон 951 Green Tape ™, с температурах спекания рядом 800ºC. Порошки сначала смешивают со специальными добавками и экструдировали под острие ножа с образованием тонкой ламинированного листа. Это "зеленый" необожженного мягкая лента, толщиной примерно от 0,1 до 0,3 мм, очищенные от опорной таблицы, а затем вырезать и ударил помощью точных инструментов обработки. Модели электрических межсоединений в трафаретной печати на каждом листе с использованием суспензии порошка вольфрама или вольфрама-молибдена. Этот процесс также заполняет с помощью отверстий с металлом. Виас оставили незаполненными с вольфрама может быть позже использованы в качестве fluid- или давления доступа портов через керамический. Несколько «зеленые» листов выровнены и нажмите ламинированных вместе, то cofired при повышенной температуре в восстановительной атмосфере для спекания ламинат укладывают в монолитную тела. Типичный интегрированный пакет цепи состоит из трех слоистых материалов, но больше, чем шестнадцать, может быть одновременно cofired, естественно при более высокой стоимости материала. Соответствующий металлический корпус затем применяется к вольфрама, а затем металлизации никелем. При необходимости, булавок или провода припаяны к пакету. Провода обычно выполнены из ASTM F-15 сплава (также известный как Kovar, это сплав, который состоит из 52% железа, 29% никеля и 18% кобальта), который имеет коэффициент теплового расширения, что согласована с глинозема. Припоя часто серебряных и медных сплавов эвтектического. Окончательное никеля и химическим шаг золочение гарантирует, что провода могут быть связаны с выводами. Керамический пакет BGA не не контакты спаяны; скорее, он имеет массивы шариков припоя, связанных с электрическими проходных корма. Один привлекательной особенностью керамики является возможность трафаретная печать на поверхности сеть толстопленочных резисторов, которые могут быть позже отделаны лазером для калибровки датчика.

Будь обычая или стандарта, керамическая пакет часто состоит из основания или заголовка, на который один кубик или много кости крепятся при помощи адгезивов или припоя. Проводного соединения предназначен для электрических межсоединений. Перевернутого кристалла сцепление с узором из металлических контактов на керамической работает одинаково хорошо. Заключительный этап после установки штампа на базе и обеспечения соответствующих электрических межсоединений включает укупорки и герметизации сборки с крышкой, форма и свойства определяются конечного применения. Например, крышка должна быть прозрачной для оптических MEMS или должны герметизировать вакуум, как в случае с ИК-болометра от Honeywell или theDMDfrom Texas Instruments (см главу 5). Напротив, пластиковая крышка обеспечивает экономически эффективное решение для недорогих устройств. Например, одноразовые датчики кровяного давления, используемые для измерения артериального линии в отделениях интенсивной терапии защищены пластиковой крышкой, которая включает открытие доступа для давления [21]. Специальный гель обойтись внутри этого отверстия обеспечивает ограниченную защиту (в частности, против биологических решений и электрического заряда) к устройству, разрешая передачу давления в чувствительной мембраны кремния (рис 8.9).

Рисунок 8.10 Иллюстрация типа-керамическом корпусе ДПД. Сборка включает в себя герметичный оптический окно, проекционным дисплеем с высоким разрешением [22].

Керамический упаковки оптических MEMS может быть сложным и дорогостоящим. Это, конечно, верно для МДД пакетах, которые подверглись сплошной эволюцию от их раннего применения в авиабилет интернатов (АТБ) принтеров сегодняшних отображения массивов с высоким разрешением [22]. Тип-пакет ДМД для SVGA дисплеев состоит из 114-контактный алюминия (Al2O3) керамики заголовка (базовой) с металлизацией для электрических разъемов и Cu-Ag паяных KOVAR уплотнительное кольцо (рис 8.10). Проволока облигации установления электрического соединения между матрицей и металлических следов на керамической заголовке. Прозрачное окно, состоящее из полированной Corning 7056 стекла, слитого с печатью золота никелированной Ковар рамы охватывает сборку. Сопротивление шовной сварки уплотнительного кольца на керамической основе в стеклянной раме Ковар обеспечивает постоянную герметичность. Два цеолита геттерные полосы, прикрепленные к внутренней части окна стекла обеспечить долгосрочную высыхания. Конкретный выбор металла и стекла оконных материалов минимизирует несоответствие в коэффициентах теплового расширения (4 × 10-6 и 5 × 10-6 в

Металлическая упаковка

В первые дни интегральных схем промышленности, число транзисторов на одном кристалле и соответствующая число выводов (количество соединений ввода / вывода) было мало. Металлические упаковки были практичны, потому что они были устойчивыми и легко собрать. Стандартная семья транзистор контур (К) -типа пакетов выросла до охватывают широкий диапазон форм, но все размещены менее чем 10 электрических контактов. Но полупроводниковой промышленности отказались от пакетам в пользу пластика и керамики упаковки, плотность транзисторов выросло в геометрической прогрессии, и требуется число выводов увеличились соответственно. Сегодня, к-типа пакетов остаются в использовании в течение нескольких приложений, в частности мощных дискретных приборов и высоковольтных линейных цепей (например, операционные усилители).

Металлические упаковки являются привлекательными для МЭМС по тем же причинам интегральная схема промышленности, принятых технологию более 30 лет назад. Они удовлетворяют требованиям подсчета контактный большинства MEMS приложений; они могут быть прототип в небольших объемах с достаточно коротких периодов оборотных; и они герметичны, когда закрыты. Но основным недостатком является относительно большой расход металла заголовков и шапок; они стоят несколько долларов за собранном виде, по крайней мере, в десять раз выше, чем эквивалентный пластиковый пакет. Ранние прототипы семьи ADXL акселерометров от Analog Devices (см главу 4) были доступны в К-типа герметичный металлических упаковок. Тем не менее, давление, чтобы уменьшить производственные затраты привели компанию принять стандартный пластиковый двойной-в-линии (DIP) решение и установить первого уровня упаковку (на уровне головки) с использованием собственных методов чип-инкапсуляции.

Металлический герметичный пакет, в том числе знакомы-8-типа и баком, как бабочки пакета, часто изготовлены из ASTM F-15 (кобальт-никелевого сплава сплава), хотя стали также возможно. Из Ковар имеет низкий коэффициент теплового расширения, который согласован с плавленого кварца (общий оптического материала), это металл выбора для поворотных пакетов, используемых в оптических и фотонных приложений. Лист металла сначала формируется в заголовке или ванной, как жилье. Отверстия затем ударил, либо через дно для подключаемых пакетов или сторон для плоских или ванной, как пакеты. Оксид затем выращивали на корпус пакета. Металлические провода помещаются в отверстия и бисером боросиликатного стекла, например, Corning 7052 стекла, которые размещены над проводами. Предохранитель стекла с металлом при температуре выше температуры плавления стекла (~ 500 °) производит герметичное уплотнение металл-стекло. Травления оксидов металлов показывает свежую поверхность сплава, который затем покрытая либо никель или золото-в любом из которых проводного соединения и пайки. Стандартные заголовки, дроссельные пакеты, и крышки являются коммерчески доступными и могут быть легко модифицировать в обычных механических мастерских. Например, металлические трубы могут быть спаяны с просверленными портами в заголовке и спутником покрывало, чтобы обеспечить доступ к жидкости в датчиках и микроклапаны давления и расхода (рис 8.11). Аналогичным образом, проходной трубки может быть припаяны к боковым стенкам пакета для возможного бабочки оптического смежные с использованием волокна [рисунок 8.7 (а)]. В конечном упаковочного блока, в микромеханический структур, а также другие компоненты (например, оптические элементы) крепятся непосредственно на заголовке или в ванной пакета. Проволока облигации к гальваническим пакета приводит установить электрическое соединение. Если необходимо, оптические или струйные соединения также, как обсуждалось ранее. Наконец, пайки или сварки шва заголовка или бабочки пакет в покрывало (или крышкой), чаще всего сделаны из того же сплава, герметизирует сборку.

Одним из примеров металлической упаковки относится к перестраиваемого лазера с Сантур Корпорация обсуждается в главе 5. Упаковка включает в себя размещение массива распределенных лазеров с обратной связью (блоками DFB), поворотную микрозеркальным, и множество оптических элементов внутри пакета бабочки, а также как сделать соответствующие электрические и волоконно взаимосвязи [см рис 8.12 (а)]. Жребий, который держит микрозеркальным сначала прилагается и провода соединены с керамической чип с электрическими колодки. Это Micromirror узел установлен на его стороне в течение основного керамической пластины, что также имеет массив DFB, два светоделители, и детектор InGaAs квадранта. Керамический пластина расположена на первом термоэлектрическим охладителем (ТЭО), который управляет температурой блоками DFB и выполняет точную настройку выходного волны. Два светоделители образец фракцию лазерного света (обычно менее 1%) на квадранте детектора для подачи пространственное положение луча обратно в электронике, которые контролируют углы микрозеркала.

Эталона и стандартный детектор эпоксидной смолой на второй TEC играть роль встроенного шкафчика длин волн [рис 8.12 (б)]. Фракция света, отобранных светоделителей проходит через эталон на детекторе для привязки к сетке ITU (см главу 5). Второй TEC поддерживает температуру эталона до заданной величины.

Рисунок 8.12 (а) предоставление упаковки для перестраиваемого лазера с Santur Corp.; и (б) блок-схема компонентов внутри упаковки перестраиваемого лазера. Первый термоэлектрический охладитель контролирует температуру массива DFB. Второй кулер контролирует температуру эталона и детектора, которые действуют как волны шкафчике.

Упаковочные решения для суровых условиях, а именно те, что в тяжелой промышленности и аэрокосмической, может быть сложным и дорогостоящим. Пользовательские требования приложения, в сочетании с отсутствием спроса на рынке больших объемов, превратились упаковку для жестких условий в нишу искусства. Один особенно интересный дизайн является металлическая тара медиа-изолированные датчиков давления для работы в тяжелых промышленных условиях,. Конструкция погружает датчик давления кремния в пределах маслонаполненного нержавеющей стали полости, который запечатывается с тонким мембрану из нержавеющей стали. Давление Датчик давления кремния передается через диафрагму и стали через масло. Прочная стальная пакет предлагает герметичное защиты чувствительного штампа и провода связи против неблагоприятных условий окружающей среды (рис 8.13).

Каждый пакет из нержавеющей стали в индивидуальном станке производить полость. Головка прикреплена к стандартным заголовком со стеклянными топливе штифтов и проволоки, соединенных. Этот заголовок сваркой сопротивлением к нержавеющей стали пакета. Дуговая сварка в stainlesssteel диафрагмы герметизирует верхнюю сторону сборки. Масло заполнение полости происходит через небольшой порт на дне, который позже подключен и герметичной сваркой шар.

Отлитая в форму Пластиковая упаковка

В отличие от металлических или керамических корпусах, формованные пластиковые пакеты не герметичный. Тем не менее, они доминируют в упаковке интегральных схем, потому что они являются экономически эффективные решения (стоимостью в среднем несколько пенни или меньше за электрическую контактный). Достижения в пластиковой упаковке уже улучшена надежность высоких уровнях. Сегодняшние темпы отказа в пластиковой упакованные логики и линейных интегральных схем меньше, чем один отказ в каждые десять миллиардов часов работы [23].

Есть два подхода к пластиковой упаковки: запись литье и premolding (рис 8.14). В первом подходе, пластиковый корпус отформован после штампа крепится к раме (свинца опорный металлического листа). Процесс подвергает кубик и провода связи в суровых условиях формования. В premolding, матрица прикреплена к выводной рамке, над которой пластическая ранее формованной. Это привлекательно в ситуациях, когда риск повреждения кубик высокой или если отверстия, через пластмассу необходимо (например, для датчиков давления или потока). Тем не менее, он имеет тенденцию быть более дорогим, чем после формования.

Рисунок 8.14 Схематическое изображение в разрезе пост-формованных пластиковый пакет. Жребий сначала устанавливают на центральной платформе (весло) и проводов, соединенных с соседними электрических проводов. Весло и провода образуют металл свинца кадра, в течение которого пластик прессованный. МЭМС умирают должна включать в себя первый уровень упаковки (например, таможенный кремния КПД) в качестве защиты от суровых последствий процесса формования. Данный рисунок является пластиковой четырехъядерных плоской упаковке (QFP) с электрическими проводами вдоль всей его внешней периферии.

Металлический свинец кадра в любом подходе является травлению или штамп металлический лист, состоящий из центральной платформы (лопастной) и металла приводит поддерживается внешней раме. Провода электрического соединения обеспечивают и исходят из лопастью в форме веера. Металл, как правило, медных сплавов или сплавов, 42 (Ni42Fe58); последний имеет коэффициент теплового расширения 4,3 × 10-6 на градус Цельсия, что совпадает с кремнием.

В пост формования пластиковой упаковки, ведущий кадр спот-гальваническим покрытием из золота или серебра на весла и свинца советы по улучшению проводного соединения. Матрицу затем прикрепляется клеем или эвтектической припоя. Провода соединены между матрицей и свинца советы. Пластиковые литья заключает кубик и свинца кадра в сборе, но оставляет внешние края ведет подвергаются. Эти выводы позже покрытая оловом или оловянно-свинцовых, чтобы улучшить смачивание при пайке в печатных плат. Наконец, внешняя рама разрывается и провода сформирован в конечной S-формы (рис 8.14).

Последовательность этапов процесса различается для premolded пластиковых пакетов. Во-первых, пластиковый корпус отлит на металлическую выводной рамки. Формованный термореактивного пластика полимера инкапсулирует весь выводной рамки, за исключением ракетки и внешних краев проводов. Заусенцев пакета удаляет любые нежелательные или остаточной пластика на областях умирают скрепления. Формованный может содержать порты или отверстия, которые могут быть использованы позже признать жидкость (например, для давления и расхода зондирования). Ведущий кадр пятно покрытием золотом или серебром, чтобы улучшить сцепление и провода пайки. В этот момент, матрица прикреплена и провод соединен с выводной рамки. Защитный герметик, например, RTV или силиконовым гелем, затем распределяют в течение штампов и проволоки облигаций. Наконец, premolded пластиковая крышка крепится с помощью клея или ультразвуковой сварки. При необходимости сама крышка может также содержать жидкости порт доступа (рис 8.15 8.16).

Процесс формования резкий процесс, включающий смешивание компонент для термореактивного пластика примерно 175ºC, затем течет под относительно высоким давлением (~ 6 МПа) в полость формы, прежде чем он дают остыть. Пластиковый материал часто эпоксидная. Новолачные эпоксидные смолы являются предпочтительными из-за их улучшенной устойчивостью к высокой температуре. Цикл Температура приводит к тяжелым термических напряжений из-за несоответствия в коэффициентах теплового расширения между пластиком, ведущего кадра, и матрицей. Эти напряжения может привести к повреждению штампа или вызвать локализованное отслаивание пластика. Свойства материала пластика, и особенно его коэффициент теплового расширения, тщательно регулировать путем введения добавок к эпоксидной смолой. Наполнители, такие как стекло, кремнезем, оксид алюминия или порошка составляют от 65% до 70% от веса конечного продукта и помогают приспособить его коэффициент теплового расширения, а также его теплопроводность. Кроме того, антиадгезионные агенты (например, синтетический или натуральный воск) вводятся в целях содействия выпускать пластиковую деталь из пресс-формы. Огнестойкий материалы, как правило, бромированные эпоксидной или триоксида сурьмы, также добавлены соответствуют отраслевым стандартам воспламеняемости. Углерода и другие органические красители дают пластиковую свою все слишком общий черный внешний вид, который необходим для лазерной маркировки.

Рисунок 8.15 Иллюстрация premolded пластиковый пакет [24]. Адаптация его датчиков давления включает введение порты жидкости в пластиковом корпусе premolded и крышки.