MEMS器件中的引线键合

引线键合（Wire Bonding）是MEMS器件封装中最主要的内部互连技术，目前占据超过90%的应用比例。该工艺借助极细金属丝（直径通常在18~50μm之间），通过热、压力或超声波等能量形式，使引线与芯片及基板焊盘之间形成原子级别的结合，从而实现可靠的电气连接与信号传输。MEMS引线键合技术多继承自集成电路行业，其典型流程包括：首先将金属线端烧结成球，压焊至芯片焊盘（第一焊点），再按预设路径布线并压合于基板焊点（第二焊点），最后断线并形成新球，为后续键合作准备。常见的键合方式包括热压键合、超声键合和热超声键合，本文不再对这些技术进行详细展开。

在键合材料方面，常用的引线包括金（Au）、铝（Al）、铜（Cu）及银（Ag）合金等。金线化学稳定性高、导电性与塑性优良，工艺成熟度高，但成本较高，且与铝焊盘界面易形成金属间化合物，影响长期可靠性。铝线价格较低，但容易氧化，机械强度不高，电阻率较大，热导性能一般，所需焊点尺寸通常更大。铜线虽然成本优势明显，却极易氧化，键合时往往需要更高的超声波能量和压力，因此多用于中低端产品。

特别值得注意的是，超声波键合作为一种非热工艺，在MEMS封装中具有独特优势。它通过高频振动直接破坏金属表面氧化层，实现固态扩散连接，尤其适用于对热敏感或存在易氧化材料的微结构系统。

在MEMS器件中，引线直径通常介于18μm至50μm，焊盘材质以铝为主，高可靠性应用中也会采用金焊盘。焊盘尺寸需至少为球焊直径的1.5倍。以25µm~50µm引线为例，焊盘通常设计为60µm×60µm至100µm×100µm。在细间距应用中，相邻焊盘边缘间距一般不少于25µm。

不同MEMS器件对键合工艺有特定要求。例如，压力传感器的敏感膜易受热和机械应力影响，可能导致零点漂移或灵敏度变化，因此宜选用低温键合工艺（如热超声键合）并优化线弧形态以释放应力。RF MEMS开关处理高频信号，引线带来的寄生电感和电容会严重影响性能，因此要求引线尽可能短、弧高尽量低且保持一致。光学MEMS（如微镜）则需确保键合线的位置和弧高不干扰光路。加速度计与陀螺仪内含可动质量块和悬臂结构，对超声振动极为敏感，键合过程中需严格控制机械冲击。

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