MEMS: 芯片外的封裝級(jí)設(shè)計(jì)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(chǎng)的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(cè)試成本比器件級(jí)的測(cè)試成本更高，這就使MEMS產(chǎn)品的封裝選擇和設(shè)計(jì)更加重要。

MEMS器件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在開始每項(xiàng)設(shè)計(jì)前，以及貫穿在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中都必須對(duì)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(yīng)商都會(huì)把產(chǎn)品封裝作為進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主要產(chǎn)品差異和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

封裝選擇規(guī)則
設(shè)計(jì)MEMS器件的封裝往往比設(shè)計(jì)普通集成電路的封裝更加復(fù)雜，這是因?yàn)楣こ處煶３Ｒ裱恍╊~外的設(shè)計(jì)約束，以及滿足工作在嚴(yán)酷環(huán)境條件下的需求。器件應(yīng)該能夠在這樣的嚴(yán)苛環(huán)境下與被測(cè)量的介質(zhì)非常明顯地區(qū)別開來(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(yán)苛。其他的介質(zhì)還包括進(jìn)行測(cè)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足其他一些機(jī)械和散熱裕量要求。作為MEMS器件的輸出，可能是機(jī)械電機(jī)或壓力的變化，因此，封裝的機(jī)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(yīng)力就會(huì)影響傳感器的輸出。當(dāng)封裝中不同材料混合使用時(shí)，它們的膨脹和收縮系數(shù)不同，因此，這些變化引起的應(yīng)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(yīng)力會(huì)使光器件和光纖之間的對(duì)準(zhǔn)發(fā)生偏移。在高精度加速度計(jì)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(jí)封裝（WLP）結(jié)構(gòu)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(huì)產(chǎn)生非常小、并可以被電子器件所識(shí)別的電荷，在設(shè)計(jì)時(shí)就需要特別注意電路和封裝中的信號(hào)完整性問(wèn)題。

通常，大多數(shù)基于MEMS的系統(tǒng)方案都對(duì)MEMS芯片提供相應(yīng)的電路補(bǔ)償、控制和信號(hào)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(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(jì)

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

這樣的封裝步驟是在MEMS流片過(guò)程中實(shí)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(jí)完成的，對(duì)封裝過(guò)程的環(huán)境潔凈程度沒有特別高的要求。

MEMS芯片設(shè)計(jì)者更愿意使用成本非常低廉的標(biāo)準(zhǔn)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(shì)。使用標(biāo)準(zhǔn)封裝也降低了設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)間，封裝本身的成本也非常低。一個(gè)通行的準(zhǔn)則是，如果MEMS器件可以安裝在PCB板上，它就有可能采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路封裝形式（見圖3）。

圖3 微型光機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的Covar金屬封裝內(nèi)

然而，當(dāng)今絕大多數(shù)MEMS器件封裝都是客戶定制的，并且對(duì)特殊應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。所以，標(biāo)準(zhǔn)集成電路封裝不能承受前面所描述的那些嚴(yán)酷條件對(duì)介質(zhì)所帶來(lái)的影響。

MEMS器件封裝的挑戰(zhàn)是未來(lái)所大量應(yīng)用的兩個(gè)領(lǐng)域：醫(yī)療電子和汽車電子。在這兩類應(yīng)用中，被測(cè)量的介質(zhì)對(duì)于MEMS器件來(lái)說(shuō)是非常嚴(yán)酷的。在汽車電子領(lǐng)域，需要測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)機(jī)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?qū)ζ骷家缶哂懈呖煽啃院蜆O端堅(jiān)固的特點(diǎn)。所以，長(zhǎng)壽命（特別是醫(yī)用可植入設(shè)備）、小尺寸（見圖4）、生物材料兼容性（見圖5）是在選擇封裝設(shè)計(jì)、材料和接口時(shí)所面臨的最大問(wèn)題。

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

傳統(tǒng)ME圖5 高密度耳蝸植入系統(tǒng)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(zhǎng)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(shù)、以CMOS工藝組裝一個(gè)或多個(gè)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(shù)在前面討論的封裝中集成兩個(gè)或多個(gè)芯片。搭接線（wire-bonding）用于連接封裝內(nèi)的芯片，包括MEMS芯片。現(xiàn)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(shè)計(jì)留在關(guān)鍵傳感器和電路設(shè)計(jì)完成后的最后階段。然而，這種設(shè)計(jì)流程在產(chǎn)品面市壓力和激烈競(jìng)爭(zhēng)的沖擊下發(fā)生了變化，迫使工程師改變他們的設(shè)計(jì)方法。否則，產(chǎn)品封裝的劣勢(shì)將會(huì)錯(cuò)過(guò)極佳市場(chǎng)窗口。另外，由于設(shè)計(jì)工具匱乏，當(dāng)應(yīng)力或其他影響因素沒有被合理評(píng)估時(shí)，就使得設(shè)計(jì)失敗。

新型開發(fā)工具
當(dāng)前，用于封裝設(shè)計(jì)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(xiàn)高達(dá)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(jí)別的技術(shù)來(lái)制造封裝了。

硅通孔（TSV）的運(yùn)用使另外一種技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，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(fù)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(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也必須仔細(xì)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(shè)備供應(yīng)商也投入開發(fā)新的封裝和測(cè)試設(shè)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(yīng)的軟件配套來(lái)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(guò)一次一片的方式生產(chǎn)，也可以通過(guò)晶圓級(jí)封裝方式進(jìn)行。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
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(tǒng)尺寸可以做得非常小。這種技術(shù)對(duì)于可穿戴人體傳感器非常有吸引力。

當(dāng)集成電路領(lǐng)域的封裝供應(yīng)商關(guān)注其他附加值時(shí)，封裝的標(biāo)準(zhǔn)化就有可能了，但這需要很長(zhǎng)的時(shí)間。在什么地點(diǎn)，由誰(shuí)來(lái)起草這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也需要大量的時(shí)間。這是因?yàn)镸EMS和半導(dǎo)體晶圓廠與傳統(tǒng)封裝廠之間的競(jìng)爭(zhēng)將使最新和最高性能的封裝技術(shù)得以開發(fā)，也使得更多的傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶圓廠開始為MEMS業(yè)界提供服務(wù)。