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。

這樣的封裝步驟是在MEMS流片過(guò)程中實(shí)現的，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(guò)程的環(huán)境潔凈程度沒(méi)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(lǐng)域的成本優(yōu)勢。使用標準封裝也降低了設計和測試時(shí)間，封裝本身的成本也非常低。一個(gè)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(jiàn)圖3)。

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

然而，當今絕大多數MEMS器件封裝都是客戶(hù)定制的，并且對特殊應用進(jìn)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(lái)的影響。

MEMS器件封裝的挑戰是未來(lái)所大量應用的兩個(gè)領(lǐng)域：醫療電子和汽車(chē)電子。在這兩類(lèi)應用中，被測量的介質(zhì)對于MEMS器件來(lái)說(shuō)是非常嚴酷的。在汽車(chē)電子領(lǐng)域，需要測量?jì)热紮C機油、燃油、冷卻液熱輻射、尾氣排放等的壓力或化學(xué)成分。這兩個(gè)領(lǐng)域對器件都要求具有高可靠性和極端堅固的特點(diǎn)。所以，長(cháng)壽命(特別是醫用可植入設備)、小尺寸(見(jiàn)圖4)、生物材料兼容性(見(jiàn)圖5)是在選擇封裝設計、材料和接口時(shí)所面臨的最大問(wèn)題。

圖4 無(wú)線(xiàn)、無(wú)須電池的植入型心臟血流壓力波形監視設備

傳統ME圖5 高密度耳蝸植入系統使用一個(gè)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(cháng)期使用的穩固性。

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)技術(shù)、以CMOS工藝組裝一個(gè)或多個(gè)MEMS器件，包括模擬和數字工藝。MEMS產(chǎn)品也可以采用SIP(System-in-Package：封裝內系統)技術(shù)在前面討論的封裝中集成兩個(gè)或多個(gè)芯片。搭接線(xiàn)(wire-bonding)用于連接封裝內的芯片，包括MEMS芯片?，F今，這種技術(shù)正被集成電路生產(chǎn)領(lǐng)域中的倒裝芯片封裝技術(shù)所替代(見(jiàn)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(guān)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(huì )錯過(guò)極佳市場(chǎng)窗口。另外，由于設計工具匱乏，當應力或其他影響因素沒(méi)有被合理評估時(shí)，就使得設計失敗。

新型開(kāi)發(fā)工具

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

硅通孔(TSV)的運用使另外一種技術(shù)得以實(shí)現，那就是多芯片堆疊技術(shù)。該技術(shù)將多個(gè)芯片的管芯堆疊在一個(gè)封裝中，并通過(guò)硅通孔連接在一起。芯片堆疊使芯片的封裝更小，但會(huì )使封裝會(huì )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(wèn)題;另外機械結構的穩定性也必須仔細仿真以確保良好的性能和可靠性。傳統的集成電路封裝工廠(chǎng)目前也開(kāi)始提供特殊的MEMS器件封裝，而且設備供應商也投入開(kāi)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(gè)傳感器，以及與相應的軟件配套來(lái)提供更高附加值的系統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(guò)一次一片的方式生產(chǎn)，也可以通過(guò)晶圓級封裝方式進(jìn)行。

未來(lái)發(fā)展趨勢

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

當集成電路領(lǐng)域的封裝供應商關(guān)注其他附加值時(shí)，封裝的標準化就有可能了，但這需要很長(cháng)的時(shí)間。在什么地點(diǎn)，由誰(shuí)來(lái)起草這個(gè)標準也需要大量的時(shí)間。這是因為MEMS和半導體晶圓廠(chǎng)與傳統封裝廠(chǎng)之間的競爭將使最新和最高性能的封裝技術(shù)得以開(kāi)發(fā)，也使得更多的傳統半導體晶圓廠(chǎng)開(kāi)始為MEMS業(yè)界提供服務(wù)。