MEMS Sensor Packaging

Doug Sparks

Hanking Electronics LLCwww.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 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

TSVBumps

Shipping packages

Industrial‐Chemical Exposure, High Pressure

CSP

Wafer Thinning

Hermeticity

Reliability Testing

FEM

FDA

EMC

ESD

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

Package Material Constraints 

TCE, Modulus, Fracture Toughness, Melting Points/Eutectics,  Creep, Corrosion, Embrittlement, Adhesion Loss, Acoustic Loss, Cost

FEM‐MEMS PackagingTCE‐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

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

Burst Pressure‐ Si Low Fracture ToughnessThe 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

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

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

DenseGlass

Vacuum Sensor(Pirani Gauge)

CapTO Can

ProjectionWeld

FeedthroughPins

Welded Kovar Lid under Vacuum – IR Filter Lids

Welded Metal Lids

Glass SealedFeedthroughs

Wafer Level Packaging

Top Cap Wafergetter

MEMS Wafer

MEMS/Micromachined Element Metal Cross Under

Bond Pad Opening

Bond Pad

Seal Ring

Vacuum Cavitywire

Wafer to Wafer Alignmentnot just bonding

Types of Wafer Bonding & TemperaturesSi‐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    1100Bond Temperature ( ⁰C)

WLP

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 RoughnessProblems: particles, scratches, flatness

Goselle & Tong 1999

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. 

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.

Glass VoidsCarbon Rich RegionsC + 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

Metallic Sealing‐ Eutectics for LowerTemperature Sealing

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)

Zoomed Image (Quarter Wafer P)

Page 15 of 19Job#: 3073‐IL15

Metal‐ Solder/Eutectic Seals can also have microvoids at the bonding interface

UltrasoundImage

IntermetallicWetting problemsOxidationParticles

Kirkendall Voiding of Metallic AlloysEven in a particle free fab with planar sealing surfaces, voids can appear in metal alloy interfaces.

Intermetallics can also lead to bond failures

CVD MEMS Vacuum SealingCVD 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.

Vacuum Packaging – GettersAtmosphere Control

Gas Desorption of Microcavity SurfacesReversible changes in Q and zero offset in absolute pressure sensors have been observed

110011501200125013001350

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

02000400060008000

1000012000

0 50 100

Pressure (mTorr)

Q

Chip‐Scale Vacuum PackageSilicon on Glass Chip Stack

Improved Vacuum Performance – High Q ResonatorsUsing 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)

Gai

n (d

b)

Q=61,700

D.Sparks et al, Hilton Head, SC  p.75, 2004

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 for resonators, pressure sensors, optical and tunneling devices.

Thin film getteron a Kovarlid

Getter on Steel LidsMay need an activationstep with welded lids.

Backend Process‐MEMS Wafer Saw Options

Diamond Blade Si slurry – wirebondproblems, 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

Backend Process: Wire Bonding & Passivation

Wire Material

Aluminum, Gold, Trend‐ Copper, AlloysForming 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

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

• Backside Si Sense

Trade‐offs – Cost , Size, Accuracy, Corrosion, Over Pressure & Water Hammer Burst

Metal Diaphragms‐Oil Fill Pressure Sensor

Welded CorrugatedSteel Diaphragms

MEMS Frontside sense

CVD PolySi Bridge on Stainless Steel Pressure Sensor

Nagano Pressure Sensor

CVD Fabrication Process

Media Contacts Steel‐ unique MEMS on steel process and fab

Zhang et al,  JMM 201

Si Strain Gauge On Stainless Steel‐Glass Reflow Attachment

Low Sensitivity, Media contact with stainless steel

MEMS Pressure Media Compatible

Higher SensitivityLower hysteresisSmaller die size‐ cheaper that NKS polySiprocess

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

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

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 package design for the automotive market

• Pressure• Flow• Angular Rate• Acceleration• Microphones• Tilt• Gas

MAP, MAP/T, TPMS, TURBO PackagesThere 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

MetalInserts

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

Medical Pressure Sensor Packaging 

Merit Sensors

Applications drive the packaging‐ Blood pressure, respiration, catheters, implants

Implant‐ blood contacttissue 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

Packaging for Consumer MEMS Sensors

Thin, low power, bumps, CHEAP!

Glass

Si CIS

GlassSi to Si  Si to Si 

Si

1.5‐3mm

Industrial & Gen 1 Automotive

Current Automotive & Consumer

Pressure Sensors ‐ CIS

Temporary Bond & Debond, Thinning ProcessesDevice Wafer

Carrier WaferCoat with release agent

Temporary AdhesiveBond

Thin Device Wafer&

Other Processing

Debond Process

Clean Tape Frame Mounting

Singulate‐Dice Chips

• Solvent Release• Thermal Slide• Mechanical Peel• Laser Assist

CMP

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

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

Pads

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

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

Consumer Packaging Convergence

MEMS  ‐ CIS  ‐ 3D IC

DRIE, Wafer Bonding, Thinning, TSV, Bumps

WL‐CSP

Conclusion‐MEMS PackagingMEMS 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

Contact Hanking Electronics LLC for MEMS packaging services

Author; Doug SparksEmail: sparksdr@hanking.com