微機電系統(tǒng)（Micro ElectroMechanical System-MEMS）是一門融合了硅微加工、LIGA和精密機械加工等多種加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)成的微型系統(tǒng)。它是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但又區(qū)別于微電子技術(shù)，主要包括感知外界信息（力、熱、光、磁、生物、化學(xué)等）的傳感器和控制對象的執(zhí)行器，以及進行信息處理和控制的電路。

MEMS具有以下幾個非約束的特征：
（1）尺寸在毫米到微米范圍，區(qū)別于一般宏（Macro），即傳統(tǒng)的尺寸大于1cm尺度的“機械”，但并非進入物理上的微觀層次；
（2）基于（但不限于）硅微加工（Silicon Microfabrication）技術(shù)制造；
（3）與微電子芯片類同，在無塵室大批量、低成本生產(chǎn)，使性能價格比比傳統(tǒng)“機械”制造技術(shù)大幅度提高；
（4）MEMS中的“機械”不限于狹義的力學(xué)中的機械，它代表一切具有能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)裙πУ男?yīng)，包括力、熱、光、磁，乃至化學(xué)、生物效應(yīng)；
（5）MEMS的目標(biāo)是“微機械”與IC結(jié)合的微系統(tǒng)，并向智能化方向發(fā)展。

1. 封裝的基本功能

封裝的根本目的在于以最小的尺寸和重量、最低的價格和盡可能簡單的結(jié)構(gòu)服務(wù)于具有特定功能的一組元器件。封裝必須提供元器件與外部系統(tǒng)的接口。歸納起來，MEMS器件封裝的主要功能有：機械支撐、環(huán)境保護、與外界媒質(zhì)的接口和與其它系統(tǒng)的電氣連接。

（1）機械支撐
MEMS器件是一種易損器件，因此需要機械支撐來保護器件在運輸、存儲和工作時，避免熱和機械沖擊、振動、高的加速度、灰塵和其它物理損壞。另外對于某些特殊功能的器件需要有定位用的機械支撐點，如加速度傳感器等。

（2）環(huán)境隔離
封裝外殼僅僅起到保護MEMS器件不受到像跌落或者操作不當(dāng)時受到機械損壞。對可靠性要求十分嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域必須采用氣密性保護封裝，防止MEMS器件在環(huán)境中受到化學(xué)腐蝕和物理損壞。同時在制造和密封時要防止?jié)駳饪赡鼙灰M到封裝腔內(nèi)。

（3）提供與外界系統(tǒng)和媒質(zhì)的接口
由于封裝外殼是MEMS器件與系統(tǒng)和外界的主要接口，外殼必須能完成電源、電信號或射頻信號與外界的電連接，同時大部分的MEMS芯片還要求提供與媒質(zhì)的接口。

（4）提供熱的傳輸通道
對帶有功率放大器、其它大信號電路和高集成度封裝的MEMS器件，在封裝設(shè)計時熱的釋放是一個應(yīng)該認(rèn)真對待的問題。封裝外殼必須提供熱量傳遞的通道。

2. 氣密性封裝的基本要求和基本形式

（1）基本要求
封裝的密封是為了保護芯片和封裝的金屬鍍層以免受環(huán)境腐蝕和在處理過程中的機械損傷。目前在高可靠性應(yīng)用中，幾乎都采用氣密性封裝。對氣密性封裝的要求主要有：
1）封裝的氣密性，通常要求氦氣的泄漏率低于1×10-8Pa.m3/s。
2）在氣密性封裝中，封裝外殼主要用金屬和陶瓷兩種材料。
3）蓋板，無論是金屬封裝還是陶瓷封裝，其蓋板通常用金屬。
4）在金屬封裝中，每條引線是采用分立的玻璃密封進金屬平臺或管座中。而陶瓷封裝引線是通過厚膜網(wǎng)印及燒結(jié)技術(shù)制成的，且通常是埋置在陶瓷中。
5）滿足氣密性要求，所有這些封裝的帽子密封是由適當(dāng)?shù)牟ＡЩ蚪饘賮硗瓿傻摹Ｔ阝F焊和錫焊中，是用一種低熔點的釬焊和錫焊合金來形成密封的，而在熔焊中，則是由帽子本身局部熔融來實現(xiàn)密封。

（2）氣密封裝的基本形式

·金屬外殼封裝
用于MEMS器件封裝的金屬材料包括CuW（10/90）、可伐（Ni-Fe合金）、CuMo（15/85）和CuW(15/85)等，都具有很好的熱導(dǎo)率和比硅要高的CTE，因此這些材料是一種很好的選擇，可伐（Fe-Ni-Co）合金最常用。上面所有材料，加上合金-46，可以用作邊墻和蓋子，外殼通常要鍍Cu、Ag和Au薄膜。幾種常見的結(jié)構(gòu)形式有TO-CAN管殼；DIP管殼（雙列直插金屬外殼）；蝶型金屬外殼（butterfly type）；四邊扁平金屬外殼（QFP）。

·陶瓷外殼封裝
用于MEMS器件封裝的陶瓷材料有Al2O3、AlN、BeO、莫來石及低溫陶瓷（也稱玻璃±陶瓷）等。Al2O3是最常用的一種陶瓷封裝材料，其價格相對便宜，應(yīng)用面廣。AlN是一種性能更優(yōu)越的陶瓷材料，通常用在對性能和可靠性極高的場合。低溫陶瓷也是一種性能極優(yōu)異的陶瓷材料，特別是玻璃－陶瓷的性能與所要求的理想陶瓷的性能相近，用于對硅芯片的封裝可達到極好的材料性能匹配。常用的陶瓷外殼結(jié)構(gòu)形式有：雙列直插封裝（DIP）；有引線片式載體（LCC）；無引線片式載體（LLCC）。圖2中給出了幾種陶瓷外殼樣品。

3. MEMS器件封裝過程

（1）封裝的工藝流程
MEMS氣密封裝工藝過程通常包括外殼設(shè)計與加工、貼片工藝、引線鍵合工藝、封帽工藝、及氣密性檢測。

（2）封裝設(shè)計的基本方法
設(shè)計的基本原則如下：
·根據(jù)所要封裝的MEMS芯片的功能、性能要求、應(yīng)用領(lǐng)域，選擇合適的封裝材料，設(shè)計合適外殼結(jié)構(gòu)形式，以最小的和最簡單的結(jié)構(gòu)尺寸、最低的價格、完成對芯片的封裝，實現(xiàn)芯片對封裝外殼所要求的功能。
·設(shè)計時應(yīng)考慮工藝的可行性、可靠性、以及產(chǎn)品所應(yīng)用和工作的環(huán)境。
·設(shè)計時應(yīng)周密考慮所有可能對封裝氣密性有影響的分步工藝。材料的選擇、工藝的選擇和結(jié)構(gòu)的選擇都應(yīng)該考慮其是否對封裝后的氣密性有影響。
·最好的封裝方法可能不僅僅是技術(shù)問題。除了技術(shù)方面的問題外，在選擇什么樣的封裝時，還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的組裝方法和以最小風(fēng)險開發(fā)完成整個封裝系統(tǒng)。

目前，常用的封裝設(shè)計的CAD軟件工具有：
·機械設(shè)計：機械設(shè)計軟件有Pro-E、Solidworks、AutoCAD、I-DEAS。有限元分析軟件有Ansys、COSMOS、ALGOR、NASTRAN、ABQUS。
·電學(xué)設(shè)計：RF設(shè)計軟件Ansoft HFSS、Eagleware。電路設(shè)計軟件P-CAD、Spice。
·光學(xué)設(shè)計：光學(xué)設(shè)計軟件有：CODE-V、LightTool、ZEMAX、OSLO、GLAD。

（3）MEMS器件貼片工藝（die bonding）基本要求

將MEMS芯片粘接到外殼底板上的方法一般采用IC器件技術(shù)，通常稱為貼片（die bonding）。芯片粘接一般要求提供以下幾個主要功能：
·要求使MEMS結(jié)構(gòu)與外殼基板有很好的粘接強度，以保證MEMS芯片與外殼基板不發(fā)生相對移動，而且必須能承受熱冷溫度、濕氣、沖擊和振動。
·粘接材料必須在MEMS芯片和外殼基板之間提供良好的熱通道，使MEMS芯片產(chǎn)生的熱量順利的從芯片傳導(dǎo)到底板，以保證芯片工作在所希望的溫度范圍內(nèi)，如果支持電路需要從芯片到底板有很好電接觸，那么粘接材料應(yīng)該能滿足這一要求。
·粘接材料要求有很好的穩(wěn)定性和可靠性。粘接材料的穩(wěn)定性和可靠性極大的取決于由MEMS芯片和外殼基板材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）的差別所產(chǎn)生的熱機械應(yīng)力承受能力。這些應(yīng)力主要在粘接材料與芯片底面和外殼底板之間的界面位置。硅的CTE是2-3ppm/℃，而大部分底板有更高的CTE(6-20ppm/℃)。貼片的精度要求分：
（a）12.5μｍ以上精度；
（b）5μｍ精度；
（c）1μｍ精度。
對一般的IC器件，其貼片精度達12.5μｍ即可滿足要求；對加速度計、陀螺儀等MEMS器件對芯片的定位有嚴(yán)格的要求，其貼片精度通常要求達到5μｍ以上。對光學(xué)MEMS器件和半導(dǎo)體光電子器件其對準(zhǔn)精度要求達±1μｍ。

（4）貼片設(shè)備
MEMS芯片的貼片設(shè)備有全自動貼片機、半自動貼片機和手動貼片機。