Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
MEMS Sensor Packaging
Doug Sparks
Hanking Electronics LLC
www.hkmems.com
Author contact information:  sparskdr@hanking.com
MEMS Sensors Packaging
50 Shades of MEMS Packaging
Wafer to wafer bond sealing 
– vacuum and inert gasesKovar, Ge, Si soldered lids
CVD cavity se...
Sensor Applications & Specification…
and how this affects the package design
Temperature Operating Range
Chemical or Fluid...
Package Material Constraints 
TCE, Modulus, Fracture Toughness, 
Melting Points/Eutectics,  Creep, Corrosion, 
Embrittleme...
FEM‐ MEMS Packaging
TCE‐Young’s Modulus tradeoff, operating temperature range & 
materials, fluid interactions, turbulence...
Fluid Exposure & Corrosion
‐ Corrosive gases and liquids/condensates can attack metal runners (Al). Silicone gels  
and pa...
Burst Pressure‐ Si Low Fracture Toughness
The diaphragms should be able to handle 3X to 10X the operating pressure 
withou...
Levels of MEMS Packaging
Wafer Level – metallization and passivation selection, bond pads, TSV
Chip Scale Packaging – Wafe...
MEMS Packaging Development Stages
Lab Cerdip
TO
Plastic
CSP
& Historical
Vacuum Sensor
(Pirani Gauge)
Au-Sn (Eutectic)
Solder
Kovar Cap
Solder Sealed Kovar/Ceramic Vacuum Package
Ceramic Package
Dense
Glass
Vacuum Sensor
(Pirani Gauge)
Cap
TO Can
Projection
Weld
Feedthrough
Pins
Welded Kovar Lid under Vacuum – IR Fi...
Wafer Level Packaging
Top Cap Wafer
getter
MEMS Wafer
MEMS/Micromachined Element Metal Cross Under
Bond Pad Opening
Bond P...
Types of Wafer Bonding & Temperatures
Si‐Si Fusion 
Glass Reflow/Frit
Eutectic Ge‐Al
Cu‐Cu & Au‐Au Thermocompression
Anodi...
Even a well bonded Si 
to Si or Glass to Si 
interface may have 
tiny areas that are not 
bonded‐
microscratches, pits.  
...
Voids Due to Particles
Si‐Si Voids after fusion bonding
Ultrasonic and IR void mapping can 
find voids in Si‐Si and Si‐Gla...
Anodic Bonding‐ Particles
Anodic bonding has an 
electrostatic force that will bond 
a wafer in spite of particles.  The 
...
Glass Voids
Carbon Rich Regions
C + O2  CO2
C + 2PbO  CO2 + 2Pb
Burn out step must eliminate 
all carbon from the acryli...
Metallic Sealing‐ Eutectics for Lower
Temperature Sealing
Transient Liquid Phase Eutectic Bonding‐
Higher Operational Temperatures
TLP wafer bonding uses a thin lower melting point...
Zoomed Image (Quarter Wafer P)
Page 15 of 19
Job#: 3073‐IL15
Metal‐ Solder/Eutectic Seals can also have 
microvoids at the...
Kirkendall Voiding of Metallic Alloys
Even in a particle free fab 
with planar sealing surfaces, 
voids can appear in meta...
CVD MEMS Vacuum Sealing
CVD seal MEMS resonators and reference vacuum 
cavities with CVD poly‐silicon, oxide and nitride.
...
Vacuum Packaging – Getters
Atmosphere Control
Gas Desorption of Microcavity Surfaces
Reversible changes in Q and zero offset in absolute pressure sensors have been obse...
Chip‐Scale Vacuum Package
Silicon on Glass Chip Stack
Improved Vacuum Performance – High Q Resonators
Using the Thin‐Film ...
Getter and Wafer Bonding Process
Sparks et al, IEEE Transactions on Advanced 
Packaging, Vol. 26,No. 3, August 2003
Ceramic & Metal Package Integration
Getters can be selectively deposited on Kovar, Si, steel, glass,
sapphire or Ge lids f...
Backend Process‐ MEMS Wafer Saw Options
Diamond Blade Si slurry – wirebond
problems, sensing element fouling
Stealth‐ inte...
Backend Process: Wire Bonding & Passivation
Wire Material
Aluminum, Gold, Trend‐ Copper, Alloys
Forming gas – high bond fo...
Major MEMS Package Applications
in order of the environmental challenge
• Industrial
• Automotive
• Medical
• Consumer
Media Compatible Options 
Industrial Pressure
• Corrugated Steel Diaphragms, Oil Filled Packages
• Silicon Bonded to Steel...
Metal Diaphragms‐Oil Fill Pressure Sensor
Welded Corrugated
Steel Diaphragms
MEMS Frontside sense
CVD PolySi Bridge on Stainless Steel 
Pressure Sensor
Nagano Pressure Sensor
CVD Fabrication Process
Media Contacts Steel‐...
Zhang et al,  JMM 201
Si Strain Gauge On Stainless Steel‐
Glass Reflow AttachmentLow Sensitivity, Media contact 
with stai...
MEMS Pressure Media Compatible
Higher Sensitivity
Lower hysteresis
Smaller die size‐ cheaper that NKS polySi
process
Do co...
Merit’s ‐ Media Compatible MEMS
• Integrated temperature sensing capability
• Back-side media monitoring protects
electron...
Can we shrink all industrial MEMS‐based sensor?
SMT
CSP
Through Hole
Cable Connectors
Metal Sealed
?
Automotive Operating Environment
The wide operating temperature range, cost targets and EMC goals heavily influence 
packa...
MAP, MAP/T, TPMS, TURBO Packages
There are more than 100 different MAP, TMAP, MAPT‐ MEMS 
pressure sensor packaged for the...
Automotive MEMS Flow Sensor Package
Flow rate range, coating of elements, particle 
impingement, resonance, bypass, turbul...
Medical Pressure Sensor Packaging 
Merit Sensors
Applications drive the packaging‐ Blood pressure, respiration, catheters,...
Packaging for Consumer MEMS Sensors
Thin, low power, bumps, CHEAP!
Glass
Si CIS
Glass
Si to Si  Si to Si 
Si
1.5‐3mm
Industrial & Gen 1 Automotive
Current Automotive & Consumer
Pressure Sen...
Temporary Bond & Debond, Thinning 
ProcessesDevice Wafer
Carrier Wafer
Coat with release agent
Temporary Adhesive
Bond
Thi...
Through Silicon Vias‐ TSV
ChipScale Review Dec 2014
TSVs are being integrated into MEMS, such as capping wafers and 
Silic...
Integrating Solder Bumps into MEMS
TSVs & DRIE are most often needed as well
KLA /Tencor 2015Also Au Bumps & Cu Pillars
Motion Sensors 
3D ICs
Automotive MEMS Motion Sensors
Pad
s
Consumer MEMS 2015+
Cap Wafer
Wirebond
Bumps
TSV
Cap
CMOS
100u...
What is a MEMS Process?  
DRIE Si Etch
HF Undercut
Wafer to Wafer Bonding
Wafer Thinning
A‐HF Tube Cleaning
HF Contact Etc...
Consumer Packaging Convergence
MEMS  ‐ CIS  ‐ 3D IC
DRIE, Wafer Bonding, Thinning, TSV, Bumps
WL‐CSP
Conclusion‐ MEMS Packaging
MEMS sensors packaging is quite diverse, depending on application
New packaging methods are bei...
Contact Hanking Electronics LLC for 
MEMS packaging services
Author; Doug Sparks
Email: sparksdr@hanking.com
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×
Upcoming SlideShare
Mems technology
Next
Download to read offline and view in fullscreen.

1

Share

Download to read offline

Sparks Expo June 2015 MEMS Packaging

Download to read offline

Related Audiobooks

Free with a 30 day trial from Scribd

See all

Sparks Expo June 2015 MEMS Packaging

  1. 1. MEMS Sensor Packaging Doug Sparks Hanking Electronics LLC www.hkmems.com Author contact information:  sparskdr@hanking.com
  2. 2. MEMS Sensors Packaging
  3. 3. 50 Shades of MEMS Packaging Wafer to wafer bond sealing  – vacuum and inert gasesKovar, Ge, Si soldered lids CVD cavity sealing  Getters Cavity packages – plastic, ceramic, Kovar Lead frames, panels Wirebonding:  Al, Au, Cu Chip coating‐ silicone, parylene, silicone oil Plastic overmolding Welded Kovar lids, stainless steel diaphragms  Test & Calibration Integration  Medical ApplicationsAutomotiveConsumer Electronics Sterilization Intrinsically Safe TSV Bumps Shipping packages Industrial‐Chemical Exposure, High Pressure CSP Wafer Thinning Hermeticity Reliability Testing FEM FDA EMC ESD
  4. 4. Sensor Applications & Specification… and how this affects the package design Temperature Operating Range Chemical or Fluid Exposure? Pressure or Flow Rate Range Mechanical‐ Shock & Vibration Electrical‐ EMC, ESD, Power Requirement Package Size
  5. 5. Package Material Constraints  TCE, Modulus, Fracture Toughness,  Melting Points/Eutectics,  Creep, Corrosion,  Embrittlement, Adhesion Loss, Acoustic Loss,  Cost
  6. 6. FEM‐ MEMS Packaging TCE‐Young’s Modulus tradeoff, operating temperature range &  materials, fluid interactions, turbulence, EMC, pressure, load,  resonant frequencies, damping COMSOL FEM‐Feedback from real  world great for improving  existing products via package  design changes
  7. 7. Fluid Exposure & Corrosion ‐ Corrosive gases and liquids/condensates can attack metal runners (Al). Silicone gels   and parylene offer some protection. ‐ Rapid decompression of air saturated gels can lift wires due to gas bubble expansion Backside sense silicon packages (Freescale, Merit, First Sensor…) have been  employed to reduce these problems, however epoxy and solder used for die  attach can also be chemically attacked and detach under high pressure. Corrosion of Metallization
  8. 8. Burst Pressure‐ Si Low Fracture Toughness The diaphragms should be able to handle 3X to 10X the operating pressure  without bursting Pressure snubbers are used with silicon pressure sensors to prevent the fracture of  diaphragms due to water hammer and other gas/liquid mixtures like steam and natural gas. Seal Diaphragms also built into industrial pressure meters Drop test, mechanical shock also affected by low fracture toughness
  9. 9. Levels of MEMS Packaging Wafer Level – metallization and passivation selection, bond pads, TSV Chip Scale Packaging – Wafer bonding, CVD sealing, TSV, interposer, ASIC Subpackage‐ plastic, ceramic, metal, panel, overmolding, gel, parylene System Housing – electrical, fluid interconnects Shipping Container – avoid damage
  10. 10. MEMS Packaging Development Stages Lab Cerdip TO Plastic CSP & Historical
  11. 11. Vacuum Sensor (Pirani Gauge) Au-Sn (Eutectic) Solder Kovar Cap Solder Sealed Kovar/Ceramic Vacuum Package Ceramic Package
  12. 12. Dense Glass Vacuum Sensor (Pirani Gauge) Cap TO Can Projection Weld Feedthrough Pins Welded Kovar Lid under Vacuum – IR Filter Lids Welded Metal Lids Glass Sealed Feedthroughs
  13. 13. Wafer Level Packaging Top Cap Wafer getter MEMS Wafer MEMS/Micromachined Element Metal Cross Under Bond Pad Opening Bond Pad Seal Ring Vacuum Cavity wire Wafer to Wafer Alignment not just bonding
  14. 14. Types of Wafer Bonding & Temperatures Si‐Si Fusion  Glass Reflow/Frit Eutectic Ge‐Al Cu‐Cu & Au‐Au Thermocompression Anodic Eutectic Au‐Si Solder & TLP  Au‐Sn, Cu‐Sn Si‐Si Direct plasma act. Adhesive/SU‐8 0     100 200      300 400 500 600 700      800      900      1000    1100 Bond Temperature ( ⁰C) WLP
  15. 15. Even a well bonded Si  to Si or Glass to Si  interface may have  tiny areas that are not  bonded‐ microscratches, pits.   Reflowed glass or solder should do a better job of sealing over surface micro roughness Si‐Si or Si‐Glass Wafer Surface Roughness Problems: particles, scratches, flatness Goselle & Tong 1999
  16. 16. Voids Due to Particles Si‐Si Voids after fusion bonding Ultrasonic and IR void mapping can  find voids in Si‐Si and Si‐Glass  interfaces due to particles.  If dense  enough they could provide a path  for gas movement at the bonding  interface. Wafer cleaning, chemical purity improvements and modern bonding cluster tools  can greatly reduce this class of interface defects and potential source of  hermeticity loss. 
  17. 17. Anodic Bonding‐ Particles Anodic bonding has an  electrostatic force that will bond  a wafer in spite of particles.  The  rigged surfaces are sensitive to  particles and scratches, but  not  as bad a Si‐Si direct bond which  has a weaker attractive force.
  18. 18. Glass Voids Carbon Rich Regions C + O2  CO2 C + 2PbO  CO2 + 2Pb Burn out step must eliminate  all carbon from the acrylic  paste. If not bubbles can form during  reflow as CO2/CO is formed in  the glass.  PbO reduction from  Si and C reactions can produce  gas Frit Voids Cavity Reflow Glass Bonding
  19. 19. Metallic Sealing‐ Eutectics for Lower Temperature Sealing
  20. 20. Transient Liquid Phase Eutectic Bonding‐ Higher Operational Temperatures TLP wafer bonding uses a thin lower melting point wafer to wafer  interface Metal melting allows for lower bonding force and can cover surface  irregularities  Once the layers intermix and pure metals and the eutectic phase are  consumed the operational temperature that the bonded wafer and  then chips can see is higher than this initial melting temperature Melt Temperatures  200 ⁰C (180‐300⁰C  ) Example Gold‐Indium Remelt Temperatures > 400⁰C (300‐800 ⁰C)
  21. 21. Zoomed Image (Quarter Wafer P) Page 15 of 19 Job#: 3073‐IL15 Metal‐ Solder/Eutectic Seals can also have  microvoids at the bonding interface Ultrasound Image Intermetallic Wetting problems Oxidation Particles
  22. 22. Kirkendall Voiding of Metallic Alloys Even in a particle free fab  with planar sealing surfaces,  voids can appear in metal  alloy interfaces. Intermetallics can also lead  to bond failures
  23. 23. CVD MEMS Vacuum Sealing CVD seal MEMS resonators and reference vacuum  cavities with CVD poly‐silicon, oxide and nitride. Kim et al Stanford Transducers 2008 Thinner vacuum sealed  MEMS chips Can be CMOS integrated but  this can increase wafer  process complexity.
  24. 24. Vacuum Packaging – Getters Atmosphere Control
  25. 25. Gas Desorption of Microcavity Surfaces Reversible changes in Q and zero offset in absolute pressure sensors have been observed 1100 1150 1200 1250 1300 1350 0 500 1000 Q Time (hours) Q Versus Time 100C/5V Early MEMS gyro resonator reliability testing showed reversible Q changes over temperature. Sensors and Actuators A, 95 (1), pp.61‐68,  (2001) Q versus Pressure in a Vacuum Chamber with a Decapped Resonator 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 50 100 Pressure (mTorr) Q
  26. 26. Chip‐Scale Vacuum Package Silicon on Glass Chip Stack Improved Vacuum Performance – High Q Resonators Using the Thin‐Film Getter Process/Design With no getter – the average Q value is 36, Q-Plot Silicon Tube Resonator with NanoGetters -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 16354 16355 16356 16357 16358 Frequency (Hz) Gain(db) Q=61,700 D.Sparks et al, Hilton Head, SC  p.75, 2004
  27. 27. Getter and Wafer Bonding Process Sparks et al, IEEE Transactions on Advanced  Packaging, Vol. 26,No. 3, August 2003
  28. 28. Ceramic & Metal Package Integration Getters can be selectively deposited on Kovar, Si, steel, glass, sapphire or Ge lids for resonators, pressure sensors, optical and tunneling devices. Thin film getter on a Kovar lid Getter on Steel Lids May need an activation step with welded lids.
  29. 29. Backend Process‐ MEMS Wafer Saw Options Diamond Blade Si slurry – wirebond problems, sensing element fouling Stealth‐ internal voids‐ must break apart  chips Plasma‐ rounded corners, must remove  metal films from saw street‐ great for  thinning small chips – pressure  microphones. Diamond Blade, Stealth Laser, Plasma‐DRIE Si Slurry on Al
  30. 30. Backend Process: Wire Bonding & Passivation Wire Material Aluminum, Gold, Trend‐ Copper, Alloys Forming gas – high bond force damage Wire Gel Coating‐ corrosion & shorts prevention Low loop heights for thin packages Moving from 1‐2 chips per package to Combos Combo Packages‐ stacked chips‐ gyros, accelerometers, e‐compass, pressure
  31. 31. Major MEMS Package Applications in order of the environmental challenge • Industrial • Automotive • Medical • Consumer
  32. 32. Media Compatible Options  Industrial Pressure • Corrugated Steel Diaphragms, Oil Filled Packages • Silicon Bonded to Steel • Backside Si Sense Trade‐offs – Cost , Size, Accuracy, Corrosion,  Over Pressure & Water Hammer Burst
  33. 33. Metal Diaphragms‐Oil Fill Pressure Sensor Welded Corrugated Steel Diaphragms MEMS Frontside sense
  34. 34. CVD PolySi Bridge on Stainless Steel  Pressure Sensor Nagano Pressure Sensor CVD Fabrication Process Media Contacts Steel‐ unique MEMS on steel process and fab
  35. 35. Zhang et al,  JMM 201 Si Strain Gauge On Stainless Steel‐ Glass Reflow AttachmentLow Sensitivity, Media contact  with stainless steel
  36. 36. MEMS Pressure Media Compatible Higher Sensitivity Lower hysteresis Smaller die size‐ cheaper that NKS polySi process Do coat the bottom of the Si diaphragm with  gold‐ for chemicals that etch Si (hot caustic) Au‐Sn eutectic die attach‐ to ceramic (17‐4?) Top side motion stop Can still have a burst pressure problems that  steel diaphragms do not have Merit Sensors, SMI, Freescale Fluid
  37. 37. Merit’s ‐ Media Compatible MEMS • Integrated temperature sensing capability • Back-side media monitoring protects electronic circuitry from harsh media • <1% total accuracy • Wide operating temp. range (-40° to 150°C) • Pressure range to 500 psi (34.5 bar) ceramic
  38. 38. Can we shrink all industrial MEMS‐based sensor? SMT CSP Through Hole Cable Connectors Metal Sealed ?
  39. 39. Automotive Operating Environment The wide operating temperature range, cost targets and EMC goals heavily influence  package design for the automotive market • Pressure • Flow • Angular Rate • Acceleration • Microphones • Tilt • Gas
  40. 40. MAP, MAP/T, TPMS, TURBO Packages There are more than 100 different MAP, TMAP, MAPT‐ MEMS  pressure sensor packaged for the automotive market.  Virtually  every car manufacturer specifies a different housing, connector  and attachment fixture. Glass Filled PBT Metal Inserts
  41. 41. Automotive MEMS Flow Sensor Package Flow rate range, coating of elements, particle  impingement, resonance, bypass, turbulence Automotive temperature range ‐40⁰C to 150⁰C MAF – 2 part package MEMS Chip 2 Part Package
  42. 42. Medical Pressure Sensor Packaging  Merit Sensors Applications drive the packaging‐ Blood pressure, respiration, catheters, implants Implant‐ blood contact tissue growth Sterilization method‐ gamma ray, ETO, autoclave – can damage the MEMS sensor Narrow temperature range often eliminates need for an ASIC FDA Approval process – Class  II or Class III‐ implants Corrosive –blood  salt water, biologic, tissue growth BP‐ low cost application
  43. 43. Packaging for Consumer MEMS Sensors Thin, low power, bumps, CHEAP!
  44. 44. Glass Si CIS Glass Si to Si  Si to Si  Si 1.5‐3mm Industrial & Gen 1 Automotive Current Automotive & Consumer Pressure Sensors ‐ CIS
  45. 45. Temporary Bond & Debond, Thinning  ProcessesDevice Wafer Carrier Wafer Coat with release agent Temporary Adhesive Bond Thin Device Wafer & Other Processing Debond Process Clean Tape Frame Mounting Singulate‐Dice Chips • Solvent Release • Thermal Slide • Mechanical Peel • Laser Assist CMP
  46. 46. Through Silicon Vias‐ TSV ChipScale Review Dec 2014 TSVs are being integrated into MEMS, such as capping wafers and  Silicon Interposers‐ Need Wafer thinning, DRIE, trench fill.   A Key Backend Process TSV & TGV
  47. 47. Integrating Solder Bumps into MEMS TSVs & DRIE are most often needed as well KLA /Tencor 2015Also Au Bumps & Cu Pillars
  48. 48. Motion Sensors  3D ICs Automotive MEMS Motion Sensors Pad s Consumer MEMS 2015+ Cap Wafer Wirebond Bumps TSV Cap CMOS 100um 100‐300 um 500‐750um 500‐750um 3D IC Stack MEMS Metallic Bond & Bumps
  49. 49. What is a MEMS Process?   DRIE Si Etch HF Undercut Wafer to Wafer Bonding Wafer Thinning A‐HF Tube Cleaning HF Contact Etch TSV Etch Thin Power ICs Thin CIS Stack CIS Carrier Wafer Plasma Poly‐Si Etch CMOS 3D IC Stack
  50. 50. Consumer Packaging Convergence MEMS  ‐ CIS  ‐ 3D IC DRIE, Wafer Bonding, Thinning, TSV, Bumps WL‐CSP
  51. 51. Conclusion‐ MEMS Packaging MEMS sensors packaging is quite diverse, depending on application New packaging methods are being developed to shrink even  industrial sensor  product Package design depends on the science, cost, form factor and  application Consumer MEMS packages are converging with CIS and 3‐D ICs Hanking Electronics MEMS Packaging Fab
  52. 52. Contact Hanking Electronics LLC for  MEMS packaging services Author; Doug Sparks Email: sparksdr@hanking.com
  • vasistakumar

    Jan. 27, 2018

Views

Total views

4,531

On Slideshare

0

From embeds

0

Number of embeds

118

Actions

Downloads

243

Shares

0

Comments

0

Likes

1

×