MEMS: 芯片外的封装级设计考虑

     MEMS器件的封装形式是把基于MEMS的系统方案推向市场的关键因素。研究发现，当今基于MEMS的典型产品中，封装成本几乎占去了所有物料和组装成本的20%～40%。由于生产因素的影响，使得封装之后的测试成本比器件级的测试成本更高，这就使MEMS产品的封装选择和设计更加重要。

　　MEMS器件设计团队在开始每项设计前，以及贯穿在整个设计流程中都必须对封装策略和如何折中进行考虑和给与极大的关注。许多MEMS产品供应商都会把产品封装作为进行市场竞争的主要产品差异和竞争优势。

　　封装选择规则

　　设计MEMS器件的封装往往比设计普通集成电路的封装更加复杂，这是因为工程师常常要遵循一些额外的设计约束，以及满足工作在严酷环境条件下的需求。器件应该能够在这样的严苛环境下与被测量的介质非常明显地区别开来。这些介质可能是像干燥空气一样温和，或者像血液、散热器辐射等一样严苛。其他的介质还包括进行测量时的环境，例如，冲击、震动、温度变化、潮湿和EMI/RFI等。

　　首先，MEMS器件的封装必须能够和环境进行相互影响。例如，压力传感器的压力输入、血液处理器件的流体入口等。MEMS器件的封装也必须满足其他一些机械和散热裕量要求。作为MEMS器件的输出，可能是机械电机或压力的变化，因此，封装的机械寄生现象就有可能与器件的功能相互影响和干扰。

　　例如，在压阻传感器内，封装应力就会影响传感器的输出。当封装中不同材料混合使用时，它们的膨胀和收缩系数不同，因此，这些变化引起的应力就附加在传感器的压力值中。在光学MEMS器件中，由于冲击、震动或热膨胀等原因而产生的封装应力会使光器件和光纤之间的对准发生偏移。在高加速度计和陀螺仪中，封装需要和MEMS芯片隔离以优化性能（见图1）。

图1 常规晶圆级封装（WLP）结构示意图

　　根据生产的MEMS器件类型的不同，电子性能的考虑可以决定所选封装类型的策略。例如，电容传感MEMS器件会产生非常小、并可以被电子器件所识别的电荷，在设计时就需要特别注意电路和封装中的信号完整性问题。

　　通常，大多数基于MEMS的系统方案都对MEMS芯片提供相应的电路补偿、控制和信号处理单元。因此，一个MEMS芯片和定制ASIC芯片可以被集成在同一个封装内。同样，电路也可以是集成了MEMS器件的单芯片、单封装（见图2）。

图2  单芯片恒温加速度计

　　MEMS器件有时也采用晶圆级封装，并用保护帽把MEMS密封起来，实现与外部环境的隔离或在下次封装前对MEMS器件提供移动保护。这项技术常常用于惯性芯片的封装，如陀螺仪和加速度计。

　　这样的封装步骤是在MEMS流片过程中实现的，需要在洁净环境中按照晶圆处理流程操作。相比而言，集成电路的大部分封装都是在晶圆被切割完成后的芯片级完成的，对封装过程的环境洁净程度没有特别高的要求。

　　MEMS芯片设计者更愿意使用成本非常低廉的标准封装形式，因此采用塑料封装或与集成电路兼容的封装，这可以利用集成电路工业领域的成本优势。使用标准封装也降低了设计和测试时间，封装本身的成本也非常低。一个通行的准则是，如果MEMS器件可以安装在PCB板上，它就有可能采用标准集成电路封装形式（见图3）。

图3 微型光机械系统（MOEMS）交换器件的管芯被4条光纤和连接线连接，并封装在工业标准的Covar金属封装内

　　然而，当今绝大多数MEMS器件封装都是客户定制的，并且对特殊应用进行了优化。所以，标准集成电路封装不能承受前面所描述的那些严酷条件对介质所带来的影响。

　　MEMS器件封装的挑战是未来所大量应用的两个领域：医疗电子和汽车电子。在这两类应用中，被测量的介质对于MEMS器件来说是非常严酷的。在汽车电子领域，需要测量内燃机机油、燃油、冷却液热辐射、尾气排放等的压力或化学成分。这两个领域对器件都要求具有高可靠性和极端坚固的特点。所以，长寿命（特别是医用可植入设备）、小尺寸（见图4）、生物材料兼容性（见图5）是在选择封装设计、材料和接口时所面临的问题。

图4 无线、无须电池的植入型心脏血流压力波形监视设备

　　传统ME图5 高密度耳蜗植入系统使用一个石英硅帕拉胶封装工艺，它可以提供良好的生物兼容性、灵活性和长期使用的稳固性

　　MS器件封装形式

　　早期MEMS器件封装形式采用SOC（System-on-Chip：片上系统）技术、以CMOS工艺组装一个或多个MEMS器件，包括模拟和数字工艺。MEMS产品也可以采用SIP（System-in-Package：封装内系统）技术在前面讨论的封装中集成两个或多个芯片。搭接线（wire-bonding）用于连接封装内的芯片，包括MEMS芯片。现今，这种技术正被集成电路生产领域中的倒装芯片封装技术所替代（见图6）。

图6 在电信光交换器件（底层管芯）和CMOS控制电路（顶层管芯）的堆叠连接

　　在以前，工程师常常把封装设计留在关键传感器和电路设计完成后的阶段。然而，这种设计流程在产品面市压力和激烈竞争的冲击下发生了变化，迫使工程师改变他们的设计方法。否则，产品封装的劣势将会错过市场窗口。另外，由于设计工具匮乏，当应力或其他影响因素没有被合理*估时，就使得设计失败。

　　新型开发工具

　　当前，用于封装设计的新技术已经接近了MEMS器件制造的水平。硅通孔（TSV）蚀刻技术可以实现高达100多μm的晶圆蚀刻深度。因此，MEMS晶圆厂就可以采用这种和MEMS制造相同级别的技术来制造封装了。

　　硅通孔（TSV）的运用使另外一种技术得以实现，那就是多芯片堆叠技术。该技术将多个芯片的管芯堆叠在一个封装中，并通过硅通孔连接在一起。芯片堆叠使芯片的封装更小，但会使封装会变得更加复杂。热量必须在堆叠得极其接近的芯片之间传递，从而产生散热问题；另外机械结构的稳定性也必须仔细仿真以确保良好的性能和可靠性。传统的集成电路封装工厂目前也开始提供特殊的MEMS器件封装，而且设备供应商也投入开发新的封装和测试设备。因此，MEMS器件的封装选择是很多的。MEMS器件集成多个传感器，以及与相应的软件配套来提供更高附加值的系统正逐渐向多芯片封装解决方案方向发展。芯片堆叠可以通过一片的方式生产，也可以通过晶圆级封装方式进行。

　　未来发展趋势

　　封装技术中的一个重要新方向是使用柔性衬底把多个刚性器件封装在一起。多个传感器可以和电子单元及功率模块组合在一起。通过折叠，被封装在一起的系统尺寸可以做得非常小。这种技术对于可穿戴人体传感器非常有吸引力。

　　当集成电路领域的封装供应商关注其他附加值时，封装的标准化就有可能了，但这需要很长的时间。在什么地点，由谁来起草这个标准也需要大量的时间。这是因为MEMS和半导体晶圆厂与传统封装厂之间的竞争将使和性能的封装技术得以开发，也使得更多的传统半导体晶圆厂开始为MEMS业界提供服务。