MEMS: 芯片外的封裝級(jí)設(shè)計(jì)考慮

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(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(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(méi)有被合理評(píng)估時(shí)，就使得設(shè)計(jì)失敗。

新型開(kāi)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(kāi)始提供特殊的MEMS器件封裝，而且設(shè)備供應(yīng)商也投入開(kāi)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(kāi)發(fā)，也使得更多的傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶圓廠開(kāi)始為MEMS業(yè)界提供服務(wù)。