MEMS：芯片外的封裝級設計考慮

MEMS器件的封裝形式是把基于MEMS的系統(tǒng)方案推向市場的關鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，當今基于MEMS的典型產(chǎn)品中，封裝成本幾乎占去了所有物料和組裝成本的20%～40%。由于生產(chǎn)因素的影響，使得封裝之后的測試成本比器件級的測試成本更高，這就使MEMS產(chǎn)品的封裝選擇和設計更加重要。

MEMS器件設計團隊在開始每項設計前，以及貫穿在整個設計流程中都必須對封裝策略和如何折中進行考慮和給與極大的關注。許多MEMS產(chǎn)品供應商都會把產(chǎn)品封裝作為進行市場競爭的主要產(chǎn)品差異和競爭優(yōu)勢。

封裝選擇規(guī)則

設計MEMS器件的封裝往往比設計普通集成電路的封裝更加復雜，這是因為工程師常常要遵循一些額外的設計約束，以及滿足工作在嚴酷環(huán)境條件下的需求。器件應該能夠在這樣的嚴苛環(huán)境下與被測量的介質(zhì)非常明顯地區(qū)別開來。這些介質(zhì)可能是像干燥空氣一樣溫和，或者像血液、散熱器輻射等一樣嚴苛。其他的介質(zhì)還包括進行測量時的環(huán)境，例如，沖擊、震動、溫度變化、潮濕和EMI/RFI等。

首先，MEMS器件的封裝必須能夠和環(huán)境進行相互影響。例如，壓力傳感器的壓力輸入、血液處理器件的流體入口等。MEMS器件的封裝也必須滿足其他一些機械和散熱裕量要求。作為MEMS器件的輸出，可能是機械電機或壓力的變化，因此，封裝的機械寄生現(xiàn)象就有可能與器件的功能相互影響和干擾。

例如，在壓阻傳感器內(nèi)，封裝應力就會影響傳感器的輸出。當封裝中不同材料混合使用時，它們的膨脹和收縮系數(shù)不同，因此，這些變化引起的應力就附加在傳感器的壓力值中。在光學MEMS器件中，由于沖擊、震動或熱膨脹等原因而產(chǎn)生的封裝應力會使光器件和光纖之間的對準發(fā)生偏移。在高精度加速度計和陀螺儀中，封裝需要和MEMS芯片隔離以優(yōu)化性能(見圖1)。

圖1 常規(guī)晶圓級封裝(WLP)結構示意圖

根據(jù)生產(chǎn)的MEMS器件類型的不同，電子性能的考慮可以決定所選封裝類型的策略。例如，電容傳感MEMS器件會產(chǎn)生非常小、并可以被電子器件所識別的電荷，在設計時就需要特別注意電路和封裝中的信號完整性問題。

通常，大多數(shù)基于MEMS的系統(tǒng)方案都對MEMS芯片提供相應的電路補償、控制和信號處理單元。因此，一個MEMS芯片和定制ASIC芯片可以被集成在同一個封裝內(nèi)。同樣，電路也可以是集成了MEMS器件的單芯片、單封裝(見圖2)。

圖2 單芯片恒溫加速度計

MEMS器件有時也采用晶圓級封裝，并用保護帽把MEMS密封起來，實現(xiàn)與外部環(huán)境的隔離或在下次封裝前對MEMS器件提供移動保護。這項技術常常用于慣性芯片的封裝，如陀螺儀和加速度計。

這樣的封裝步驟是在MEMS流片過程中實現(xiàn)的，需要在潔凈環(huán)境中按照晶圓處理流程操作。相比而言，集成電路的大部分封裝都是在晶圓被切割完成后的芯片級完成的，對封裝過程的環(huán)境潔凈程度沒有特別高的要求。

MEMS芯片設計者更愿意使用成本非常低廉的標準封裝形式，因此采用塑料封裝或與集成電路兼容的封裝，這可以利用集成電路工業(yè)領域的成本優(yōu)勢。使用標準封裝也降低了設計和測試時間，封裝本身的成本也非常低。一個通行的準則是，如果MEMS器件可以安裝在PCB板上，它就有可能采用標準集成電路封裝形式(見圖3)。

圖3 微型光機械系統(tǒng)(MOEMS)交換器件的管芯被4條光纖和連接線連接，并封裝在工業(yè)標準的Covar金屬封裝內(nèi)

然而，當今絕大多數(shù)MEMS器件封裝都是客戶定制的，并且對特殊應用進行了優(yōu)化。所以，標準集成電路封裝不能承受前面所描述的那些嚴酷條件對介質(zhì)所帶來的影響。

MEMS器件封裝的挑戰(zhàn)是未來所大量應用的兩個領域：醫(yī)療電子和汽車電子。在這兩類應用中，被測量的介質(zhì)對于MEMS器件來說是非常嚴酷的。在汽車電子領域，需要測量內(nèi)燃機機油、燃油、冷卻液熱輻射、尾氣排放等的壓力或化學成分。這兩個領域?qū)ζ骷家缶哂懈呖煽啃院蜆O端堅固的特點。所以，長壽命(特別是醫(yī)用可植入設備)、小尺寸(見圖4)、生物材料兼容性(見圖5)是在選擇封裝設計、材料和接口時所面臨的最大問題。

圖4 無線、無須電池的植入型心臟血流壓力波形監(jiān)視設備

傳統(tǒng)ME圖5 高密度耳蝸植入系統(tǒng)使用一個石英硅帕拉膠封裝工藝，它可以提供良好的生物兼容性、靈活性和長期使用的穩(wěn)固性。

MS器件封裝形式

早期MEMS器件封裝形式采用SOC(System-on-Chip：片上系統(tǒng))技術、以CMOS工藝組裝一個或多個MEMS器件，包括模擬和數(shù)字工藝。MEMS產(chǎn)品也可以采用SIP(System-in-Package：封裝內(nèi)系統(tǒng))技術在前面討論的封裝中集成兩個或多個芯片。搭接線(wire-bonding)用于連接封裝內(nèi)的芯片，包括MEMS芯片?，F(xiàn)今，這種技術正被集成電路生產(chǎn)領域中的倒裝芯片封裝技術所替代(見圖6)。

圖6 在電信光交換器件(底層管芯)和CMOS控制電路(頂層管芯)的堆疊連接

在以前，工程師常常把封裝設計留在關鍵傳感器和電路設計完成后的最后階段。然而，這種設計流程在產(chǎn)品面市壓力和激烈競爭的沖擊下發(fā)生了變化，迫使工程師改變他們的設計方法。否則，產(chǎn)品封裝的劣勢將會錯過極佳市場窗口。另外，由于設計工具匱乏，當應力或其他影響因素沒有被合理評估時，就使得設計失敗。

新型開發(fā)工具

當前，用于封裝設計的新技術已經(jīng)接近了MEMS器件制造的水平。硅通孔(TSV)蝕刻技術可以實現(xiàn)高達100多μm的晶圓蝕刻深度。因此，MEMS晶圓廠就可以采用這種和MEMS制造相同級別的技術來制造封裝了。

硅通孔(TSV)的運用使另外一種技術得以實現(xiàn)，那就是多芯片堆疊技術。該技術將多個芯片的管芯堆疊在一個封裝中，并通過硅通孔連接在一起。芯片堆疊使芯片的封裝更小，但會使封裝會變得更加復雜。熱量必須在堆疊得極其接近的芯片之間傳遞，從而產(chǎn)生散熱問題;另外機械結構的穩(wěn)定性也必須仔細仿真以確保良好的性能和可靠性。傳統(tǒng)的集成電路封裝工廠目前也開始提供特殊的MEMS器件封裝，而且設備供應商也投入開發(fā)新的封裝和測試設備。因此，MEMS器件的封裝選擇是很多的。MEMS器件集成多個傳感器，以及與相應的軟件配套來提供更高附加值的系統(tǒng)正逐漸向多芯片封裝解決方案方向發(fā)展。芯片堆疊可以通過一次一片的方式生產(chǎn)，也可以通過晶圓級封裝方式進行。

未來發(fā)展趨勢

封裝技術中的一個重要新方向是使用柔性襯底把多個剛性器件封裝在一起。多個傳感器可以和電子單元及功率模塊組合在一起。通過折疊，被封裝在一起的系統(tǒng)尺寸可以做得非常小。這種技術對于可穿戴人體傳感器非常有吸引力。

當集成電路領域的封裝供應商關注其他附加值時，封裝的標準化就有可能了，但這需要很長的時間。在什么地點，由誰來起草這個標準也需要大量的時間。這是因為MEMS和半導體晶圓廠與傳統(tǒng)封裝廠之間的競爭將使最新和最高性能的封裝技術得以開發(fā)，也使得更多的傳統(tǒng)半導體晶圓廠開始為MEMS業(yè)界提供服務。