- MEMS封裝級(jí)設(shè)計(jì)規(guī)則
- 各種封裝的對(duì)比
- 電子性能的考慮可以決定所選封裝類型
- MEMS芯片提供相應(yīng)的電路補(bǔ)償、控制和信號(hào)處理單元
- 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
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。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)[page]
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，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)所帶來的影響。
MEMS器件封裝的挑戰(zhàn)是未來所大量應(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器件來說是非常嚴(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)所面臨的最大問題。
