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的系統方案推向市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現，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(kāi)始每項設計前，以及貫穿在整個(gè)設計流程中都必須對封裝策略和如何折中進(jìn)行考慮和給與極大的關(guān)注。許多MEMS產(chǎn)品供應商都會(huì )把產(chǎn)品封裝作為進(jìn)行市場(chǎng)競爭的主要產(chǎn)品差異和競爭優(yōu)勢。

封裝選擇規則
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(mǎn)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)非常明顯地區別開(kāi)來(lái)。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(jìn)行測量時(shí)的環(huán)境，例如，沖擊、震動(dòng)、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(jìn)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(mǎn)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，封裝應力就會(huì )影響傳感器的輸出。當封裝中不同材料混合使用時(shí)，它們的膨脹和收縮系數不同，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(xué)MEMS器件中，由于沖擊、震動(dòng)或熱膨脹等原因而產(chǎn)生的封裝應力會(huì )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?xún)?yōu)化性能（見(jiàn)圖1）。

圖1 常規晶圓級封裝（WLP）結構示意圖

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

通常，大多數基于MEMS的系統方案都對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(gè)MEMS芯片和定制ASIC芯片可以被集成在同一個(gè)封裝內。同樣，電路也可以是集成了MEMS器件的單芯片、單封裝（見(jiàn)圖2）。

圖2 單芯片恒溫加速度計

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