相關(guān)資料顯示，在 MEMS 系統中發(fā)生的可靠性問(wèn)題 50% 來(lái)自封裝過(guò)程。2001年左右，封裝成本占MEMS器件總成本的70%~80%，使當時(shí)MEMS傳感器售價(jià)高昂，是早期阻礙MEMS技術(shù)推廣的最重要原因之一。
因此，封裝是MEMS研發(fā)過(guò)程的重要環(huán)節，封裝決定了MEMS 器件的可靠性以及成本，同時(shí)，封裝決定了MEMS傳感器的最終大小，是MEMS傳感器小型化的關(guān)鍵，這些是MEMS 器件實(shí)用化和商業(yè)化的前提。
本文將帶你了解MEMS傳感器封裝的技術(shù)以及挑戰，文末附有全球MEMS封測領(lǐng)域的頭部企業(yè)名單，中國作為半導體封測大國，多家傳統封測企業(yè)的MEMS封測業(yè)務(wù)進(jìn)入全球前列，我國同樣是MEMS封測大國。
什么是MEMS器件封裝？MEMS封裝與一般芯片封裝有什么不同？
MEMS（微機電系統）是將微電子技術(shù)與機械工程融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，通過(guò)半導體制造等微納加工手段，形成特征尺度為微納米量級的具有機械結構的系統裝置。
MEMS工藝與傳統的IC工藝有許多相似之處，MEMS借鑒了IC工藝，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機械拋光工藝等，對于毫米甚至納米級別的加工技術(shù)，傳統的IC工藝是無(wú)法實(shí)現的，必須得依靠微加工，進(jìn)行精細的加工，能達到想要的結構和功能。
微加工技術(shù)包括硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)。體加工技術(shù)是指沿著(zhù)硅襯底的厚度方向對硅襯底進(jìn)行刻蝕的工藝，是實(shí)現三維結構的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過(guò)在犧牲層薄膜上沉積結構層薄膜，然后去除犧牲層釋放結構層實(shí)現可動(dòng)結構。（相關(guān)內容參看《MEMS傳感器芯片是這樣被制造出來(lái)的！》）
▲復雜的晶圓級MEMS傳感器封裝3D視圖
相比一般的集成電路芯片（IC），MEMS制造工藝不追求先進(jìn)制程，而更注重功能特色化，即利用微納結構或/和敏感材料實(shí)現多種傳感和執行功能，工藝節點(diǎn)通常從500nm到110nm，襯底材料也不局限硅，還包括玻璃、聚合物、金屬等。
▲具有薄膜機械結構的MEMS聲學(xué)傳感器芯片內部工作情況（由高精度傳感器實(shí)拍）
MEMS器件具有三維機械結構、產(chǎn)品設計和制造技術(shù)的多樣性，決定了MEMS封裝與傳統IC封裝存在諸多不同且更加復雜。
從消費類(lèi)應用的低成本封裝到汽車(chē)和航空行業(yè)的耐高溫和抗惡劣氣候的高可靠性封裝；從裸露在大氣環(huán)境下的開(kāi)放式封裝到需要抽真空的密閉式封裝——各種應用需求對MEMS封裝提出了諸多挑戰，傳感器封裝比C封裝更嚴苛。
下圖來(lái)自咨詢(xún)公司Yole的MEMS產(chǎn)業(yè)報告，直觀(guān)展示了各種各樣的MEMS傳感器&執行器，可以看到不同MEMS器件的封裝形式和結構差異極大。
▲來(lái)自yole
傳感器必須直接與被測個(gè)質(zhì)接觸，被測個(gè)質(zhì)的環(huán)境可能是高溫、高壓、高腐蝕、高濕、強輯照、強沖擊、強振動(dòng)等惡劣環(huán)境，而IC器件的工作環(huán)境通常較好，一般在常溫、常壓下。
傳感器封裝不僅要考慮制作的電子元器件安全穩定地工作，還要考慮功能結構器件正常穩定的功能件動(dòng)作:如果說(shuō)集成電路封裝是平面二維包惠性密封保護，則傳感器系統封裝是有工藝要求和結構要求的三維封裝，它不僅要求傳感器的系統封裝具有完成保護敏感芯片(例如硅芯片的電性能、敏傳感器的吸附和電激發(fā)性能)、鍵合引線(xiàn)、線(xiàn)路補償網(wǎng)絡(luò )等不受環(huán)境影響，同時(shí)還要保證傳感器敏感芯片在封裝后仍可實(shí)現可動(dòng)功能部件、元件或檢測敏感單元對傳感檢測的感知動(dòng)作正常、無(wú)干擾。
▲MEMS與IC封裝的區別
MEMS封裝技術(shù)對MEMS器件的影響
傳統 MEMS 定律認為，一種產(chǎn)品，一種工藝，一種封裝，每種 MEMS 器件要求特定的工藝和封裝技術(shù)。封裝技術(shù)決定了MEMS 器件的成本和可靠性，是MEMS 普遍實(shí)用化的基礎和實(shí)現商業(yè)化成功的關(guān)鍵因素。
一方面，封裝成本制約了MEMS 商業(yè)化發(fā)展。由于MEMS 器件種類(lèi)多樣，同時(shí)大多數MEMS器件的封裝都是面向特定應用，一種制造工藝和封裝工藝很難簡(jiǎn)單的移植到其他MEMS 器件開(kāi)發(fā)中，工業(yè)上MEMS 封裝沒(méi)有統一標準，這極大增加了MEMS 器件開(kāi)發(fā)的技術(shù)難度和成本。
據2001年一篇在第14屆IEEE國際技術(shù)會(huì )議發(fā)表的《Overview and development trends in the field of MEMS packaging》論文數據顯示，當時(shí)一般 MEMS僅封裝成本就占總成本的 70% 以上，使MEMS傳感器售價(jià)高昂，阻礙了MEMS傳感器的推廣。
但隨著(zhù) MEMS 技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出成本低、效果理想的材料和封裝技術(shù)，降低了MEMS器件的封裝成本，根據 Yole developpement 的研究，目前廠(chǎng)商MEMS 成本中，封裝約占 30%~40%，IC 約占 40%~50%。
譬如博世MEMS慣性傳感器BMC050的成本構成中，專(zhuān)用芯片占比48%，封裝測試成本35%，MEMS芯片成本13%。
▲博世MEMS慣性傳感器BMC050成本構成
另一方面，MEMS 封裝的可靠性制約MEMS 普遍實(shí)用化。與IC不同，MEMS 一般包含精密可動(dòng)微結構，MEMS 封裝不僅需要提供必要的電學(xué)和其他物理場(chǎng)的互聯(lián)，還需對MEMS 結構以及電連接等提供支持和保護，使之免受外部環(huán)境的干擾或破壞。封裝中面臨著(zhù)結構優(yōu)化、工藝條件的選擇、熱力學(xué)效應和多物理場(chǎng)耦合等問(wèn)題。研究表明，在MEMS 系統中發(fā)生的可靠性問(wèn)題50%來(lái)自電子封裝過(guò)程。
MEMS封裝的作用和挑戰
MEMS封裝除了包括IC封裝的功能部分，即電源分配、信號分配和散熱等，還需要考慮應力、氣密性、隔離度、特殊的封裝環(huán)境和引出等問(wèn)題。
1 機械支撐
MEMS芯片有的帶有腔體，有的帶有懸梁，這些微機械結構的尺寸很小，強度極低，容易因機械接觸而損壞和因暴露而沾污，特別是單面加工的器件，是在很薄的薄膜上批量加工的，結構的強度就更低，它能承受的機械強度遠遠小于IC芯片，對封裝的機械性能提出了更高要求。
2 環(huán)境保護
MEMS封裝一方面需要對微結構、電路和電氣連接進(jìn)行保護，確保系統的穩定性和可靠性：另一方面又必須對傳感器芯片提供一個(gè)或多個(gè)環(huán)境接口，使其能充分感知待測物理量的變化，從信號界面來(lái)說(shuō)，MEMS的輸入信號界面復雜，可能為光信號（光電探測器）、磁信號（磁敏器件），還有機械力的大?。▔毫鞲衅鳎?、溫度的高低（溫度傳感器）、氣體的成分（敏感氣體探測器）等，這種復雜的信號界面給封裝帶來(lái)極大的挑戰。
例如，光學(xué)MEMS器件可能由于沖擊、震動(dòng)或熱膨脹等原因產(chǎn)生的封裝應力，造成光路對準發(fā)生偏移；MEMS陀螺儀的可動(dòng)部件需要在真空環(huán)境中運動(dòng)以減小摩擦，達到長(cháng)期可靠工作的目標；紅外探測器（微測輻射熱計）應該采用真空封裝技術(shù)，以減小其與周?chē)諝庵g的熱導，同時(shí)還需要高透過(guò)率的紅外窗口；MEMS麥克風(fēng)可以根據各種應用需求采用不同開(kāi)孔位置（例如頂部、底部、側面）的封裝，但同時(shí)也會(huì )影響器件的聲學(xué)性能（例如信噪比）。
▲OQmented MEMS微鏡產(chǎn)品使用獨特的氣泡（Bubble）封裝
3 電氣連接
電氣連接不僅指MEMS器件與上一級系統之間的信號連接（包括提供通往芯片的電源和接地連接），而且包括MEMS器件內部的信號通路連接。當MEMS器件與電路集成時(shí)，就需要考慮系統的信號分配和功率分配。
目前，MEMS傳感器需要用到ASIC芯片，通常與MEMS die芯片封裝在一起，一般采用引線(xiàn)鍵合（下圖a所示），或者倒裝芯片鍵合（下圖b所示）的連接方式。
▲來(lái)源：《Introduction to MEMS Packaging》
除此之外，在實(shí)際的MEMS封裝中，其必須考慮下面一些因素，首先，封裝必須給傳感器帶來(lái)的應力要盡可能小，材料的熱膨脹系數（CTE）必須與硅的熱膨脹系數相近或稍大，由于材料的不匹配，很容易導致界面應力，從而使芯片發(fā)生破裂或者分層。對于應力傳感器，在設計時(shí)就必須考慮封裝引起的應力給器件性能的影響，
其次，對于一般的MEMS結構和電路封裝，散熱是必須要給予充分重視的，高溫下器件失效的可能性會(huì )大大增加，而對于熱流量計和紅外傳感器，適當的熱隔離會(huì )提高傳感器的靈敏度。
再次，對于一些特殊的傳感器和執行器，需要對封裝的氣密性進(jìn)行考慮，封裝的氣密性和漏氣對于提高壓力傳感器的精度和使用壽命是至關(guān)重要的。而對于一些有可動(dòng)部件的傳感器，進(jìn)行真空封裝可以避免振動(dòng)結構的空氣阻尼，提高使用壽命，最后，由于MEMS傳感器的輸出信號都是微納量級的，所以必須考慮封裝給器件帶來(lái)的寄生效應。
▲MEMS麥克風(fēng)封裝示意圖
MEMS封裝的技術(shù)分類(lèi)和趨勢
隨著(zhù)各種MEMS新產(chǎn)品的不斷問(wèn)世，先進(jìn)的MEMS器件的封裝技術(shù)正在研發(fā)之中。MEMS封裝建立在IC封裝基礎之上，并衍生出新的封裝技術(shù)和工藝，例如陽(yáng)極鍵合、硅熔融鍵合、硅通孔（TSV）、玻璃通孔（TGV）等，進(jìn)而反哺IC封裝。
MEMS封裝可以分為芯片級封裝、器件級封裝、系統級封裝三個(gè)層級，各級別封裝在技術(shù)層面相互關(guān)聯(lián)，具體應用需要根據可制造性、成本、功能進(jìn)行權衡。當前，芯片級CSP和晶圓級WLP封裝是MEMS進(jìn)行批量生產(chǎn)和微型化的主要途徑。
芯片級封裝
芯片級封裝的要求有:①保護芯片或其他核心元件避免塑性變形或破裂，②保護信號轉換電路，③為這些元件提供必要的電隔離和機械隔離；④確保系統在正常操作狀態(tài)和超載狀態(tài)下的功能實(shí)現。
通常采用粘結劑封接技術(shù)。黏合劑封裝具有兩種典型形式。其一，用于將芯片固定在傳感器的底座材料(又稱(chēng)基座)》上。其采用環(huán)氧樹(shù)脂或硅橡膠充灌填充或表面涂覆，用于防水、防塵保護器件，使引線(xiàn)或結構不受損壞。
器件級封裝
器件級封裝包含信號調節和處理，大多數情況下，對于傳感器來(lái)說(shuō)需要包含電橋和信號調節電路的保護。對于設計人員來(lái)該級封裝最大的挑戰是如何完成設計的信號電路接口保護封裝。
系統級封裝
系統級封裝主要是對芯片和核心元件以及主要的信號處理電路的封裝。系統封裝需要對電路進(jìn)行電磁屏蔽、力和熱隔離，金屬外罩通常對避免機械和電磁影響起到出色的保護作用。
譬如智能手機的5G射頻前端模組，博通、村田制作所、思佳等多家廠(chǎng)商采用MEMS SiP封裝（系統級封裝），以減少體積、降低功耗。
▲5G MEMS 射頻前端模組的系統級封裝（SiP），來(lái)源：Microwave Journal
目前，MEMS產(chǎn)業(yè)正向多種傳感器集成方向前進(jìn)，形成慣性、環(huán)境、光學(xué)三大類(lèi)組合傳感器，具有三種典型的封裝形式：密閉封裝（Closed Package）、開(kāi)放腔體（Open Cavity）、光學(xué)窗口（Open-eyed）。
相比分立器件，組合傳感器具有一些優(yōu)勢：（1）多種傳感器可以共享ASIC芯片，共用封裝外殼，能夠降低產(chǎn)品成本；（2）如果兩種傳感器工藝相近，可以做成單芯片，能夠極大減小傳感器尺寸；（3）多種傳感器數據經(jīng)過(guò)濾波、融合，以及人工智能等算法處理，可以提高產(chǎn)品附加值，使得競爭對手難以模仿。
▲三大類(lèi)組合傳感器及封裝形式
MEMS封裝中的一些關(guān)鍵技術(shù)介紹
陽(yáng)極鍵合
將玻璃與金屬、合金或半導體鍵合在一起，不用任何黏結劑的一種工藝技術(shù)。又稱(chēng)靜電鍵合、靜電封接，是傳感器封裝的主要技術(shù)之一。
陽(yáng)極鍵合是微機電系統（MEMS）主要封裝技術(shù)之一，陽(yáng)極鍵合用于保護諸如微傳感器的設備。陽(yáng)極鍵合的主要優(yōu)點(diǎn)是，它可以產(chǎn)生牢固而持久的鍵合，而無(wú)需粘合劑或過(guò)高的溫度，而這是將組件融合在一起所需要的。
陽(yáng)極鍵合的主要缺點(diǎn)是可以鍵合的材料范圍有限，并且材料組合還存在其他限制，因為它們需要具有類(lèi)似的熱膨脹率系數-也就是說(shuō)，它們在加熱時(shí)需要以相似的速率膨脹，否則差異膨脹可能會(huì )導致應變和翹曲。
▲來(lái)源：中國大百科全書(shū)
直接鍵合
室溫下進(jìn)行粘貼的兩晶圓經(jīng)過(guò)高溫退火處理直接鍵合在一起，不需要任何黏結劑和外加電場(chǎng)，且具有良好的結合強度的技術(shù)。又稱(chēng)硅熔融鍵合。
直接鍵合的優(yōu)點(diǎn)是：可以獲得Si-Si鍵合界面，實(shí)現材料的熱膨脹系數、彈性系數等的最佳匹配，得到一體化的結構鍵合強度可以達到或絕緣體自身的強度量值，且氣密性好。利于提高產(chǎn)品的長(cháng)期穩定性和溫度穩定性。
直接鍵合的主要缺點(diǎn)：直接鍵合需在高溫(700~1100°C)下才能完成，而高溫處理過(guò)程難以控制，且不便操作，因此，能否在較低溫度或常溫下實(shí)現Si-Si直接鍵合，就成為人們關(guān)注的一項工藝，這項工藝的關(guān)鍵是，選用何種物質(zhì)對被鍵合的表面進(jìn)行活化處理。
硅通孔（TSV）
硅通孔（Through Silicon Via，TSV）是一種先進(jìn)的三維互連技術(shù)，也是實(shí)現3D 集成封裝的關(guān)鍵組件，屬于晶圓級封裝技術(shù)。TSV 采用垂直互連模組，由此提高了電學(xué)性能（例如高導電性和低電阻電容延遲） ，目前已經(jīng)廣泛應用干MEMS聚件，存儲器，圖像傳感器，功率放大器，生物應用設備和多種手機芯片，是微電子制造最具前途的技術(shù)之一。
TSV能夠使芯片在維方向堆疊的密度最大、芯片之間的互連線(xiàn)最短、外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。
▲MEMS芯片中的TSV技術(shù)應用，來(lái)源：民生證券
玻璃通孔（TGV）
玻璃通孔(Through Glass Via,TGV)，一種先進(jìn)封裝技術(shù)，其材質(zhì)基于超薄玻璃襯底。
玻璃通孔(TGV)和硅通孔（TSV）工藝相比，TGV的優(yōu)勢主要體現在：
1）優(yōu)良的高頻電學(xué)特性。玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數只有硅材料的1/3左右，損耗因子比硅材料低2-3個(gè)數量級，使得襯底損耗和寄生效應大大減小，保證了傳輸信號的完整性；
2）大尺寸超薄玻璃襯底易于獲取。Corning、Asahi以及SCHOTT等玻璃廠(chǎng)商可以提供超大尺寸（>2m × 2m）和超?。?lt;50μm）的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料。
3）低成本。受益于大尺寸超薄面板玻璃易于獲取，以及不需要沉積絕緣層，玻璃轉接板的制作成本大約只有硅基轉接板的1/8；
4）工藝流程簡(jiǎn)單。不需要在襯底表面及TGV內壁沉積絕緣層，且超薄轉接板中不需要減??；
5）機械穩定性強。即便當轉接板厚度小于100μm時(shí)，翹曲依然較??；
6）應用領(lǐng)域廣泛，是一種應用于晶圓級封裝領(lǐng)域的新興縱向互連技術(shù)，為實(shí)現芯片-芯片之間距離最短、間距最小的互聯(lián)提供了一種新型技術(shù)途徑，具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，在射頻芯片、高端MEMS傳感器、高密度系統集成等領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢，是下一代5G、6G高頻芯片3D封裝的首選之一。
▲玻璃穿孔填空技術(shù)，來(lái)源：半導體失效分析
基于材料的MEMS傳感器封裝分類(lèi)和特性
因為MEMS器件功能多樣性，同時(shí)適用的環(huán)境也各不一樣，被測個(gè)質(zhì)的環(huán)境可能是高溫、高壓、高腐蝕、高濕、強輯照、強沖擊、強振動(dòng)等惡劣環(huán)境，因此衍生出各種材料的MEMS封裝形式。
金屬封裝
通常被用于微波多芯片模塊以及混合電路。金屬外殼具有良好的散熱能力以及電磁屏蔽能力，還能有效地隔絕周?chē)h(huán)境的有害接觸。
陶瓷封裝
由于陶瓷封裝外殼具有高的彈性模量以及抗彎強度，因此可以作為需要精確傳感器件的剛性基，可密封并且能夠經(jīng)受惡劣的工作條件。
塑料封裝
由于塑料外殼的低材料制造成本，廣泛應用于電子產(chǎn)業(yè)以及其他應用之中。但是，它們在高可靠性應用方面的問(wèn)題難以忽視。由于各種原因，一些塑料封裝MEMS產(chǎn)品由原來(lái)的熱固性包覆成型向熱塑腔封裝方案轉移。
圓片級封裝（WLP）
圓片級封裝需要硅結構的鍵合。為了保證與周?chē)h(huán)境適當隔離，此工藝需要蓋住易碎的結構。根據MEMS芯片要求，目前有兩類(lèi)方法：一種是圓片與圓片的鍵合，一種是芯片與圓片的鍵合。
玻璃封裝
由于玻璃具有很高的強度，主要應用封蓋操作過(guò)程。特別是在壓縮應用中，它還具有良好的電學(xué)特性，允許不同設計方案的MEMS器件封裝在芯片或圓片上。此外由于可以制造出各種尺寸的玻璃封蓋，因此玻璃封蓋的設計非常靈活，有可能用一個(gè)玻璃封蓋就能將單一芯片甚至是整個(gè)圓片覆蓋住。
