智能传感器50%的问题都出在这里！什么是MEMS封装？（附头部企业名单）
相关资料显示，在 MEMS 系统中发生的可靠性问题 50% 来自封装过程。2001年左右，封装成本占MEMS器件总成本的70%~80%，使当时MEMS传感器售价高昂，是早期阻碍MEMS技术推广的最重要原因之一。因此，封装是MEMS研发过程的重要环节，封装决定了MEMS 器件的可靠性以及成本，同时，封装决定了MEMS传感器的最终大小，是MEMS传感器小型化的关键，这些是MEMS 器件实用化和商业化的前提。本文将带你了解MEMS传感器封装的技术以及挑战，文末附有全球MEMS封测领域的头部企业名单，中国作为半导体封测大国，多家传统封测企业的MEMS封测业务进入全球前列，我国同样是MEMS封测大国。
什么是MEMS器件封装？MEMS封装与一般芯片封装有什么不同？
MEMS（微机电系统）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，通过半导体制造等微纳加工手段，形成特征尺度为微纳米量级的具有机械结构的系统装置。
MEMS工艺与传统的IC工艺有许多相似之处，MEMS借鉴了IC工艺，如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等，对于毫米甚至纳米级别的加工技术，传统的IC工艺是无法实现的，必须得依靠微加工，进行精细的加工，能达到想要的结构和功能。
微加工技术包括硅的体微加工技术、表面微加工技术。体加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺，是实现三维结构的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉积、光刻以及刻蚀工艺，通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜，然后去除牺牲层释放结构层实现可动结构。（相关内容参看《MEMS传感器芯片是这样被制造出来的！》）
▲复杂的晶圆级MEMS传感器封装3D视图
相比一般的集成电路芯片（IC），MEMS制造工艺不追求先进制程，而更注重功能特色化，即利用微纳结构或/和敏感材料实现多种传感和执行功能，工艺节点通常从500nm到110nm，衬底材料也不局限硅，还包括玻璃、聚合物、金属等。
▲具有薄膜机械结构的MEMS声学传感器芯片内部工作情况（由高精度传感器实拍）
MEMS器件具有三维机械结构、产品设计和制造技术的多样性，决定了MEMS封装与传统IC封装存在诸多不同且更加复杂。
从“消费类应用的低成本封装”到“汽车和航空行业的耐高温和抗恶劣气候的高可靠性封装”；从“裸露在大气环境下的开放式封装”到“需要抽真空的密闭式封装”——各种应用需求对MEMS封装提出了诸多挑战，传感器封装比C封装更严苛。
下图来自咨询公司Yole的MEMS产业报告，直观展示了各种各样的MEMS传感器&执行器，可以看到不同MEMS器件的封装形式和结构差异极大。
▲来自yole
传感器必须直接与被测个质接触，被测个质的环境可能是高温、高压、高腐蚀、高湿、强辑照、强冲击、强振动等恶劣环境，而IC器件的工作环境通常较好，一般在常温、常压下。
传感器封装不仅要考虑制作的电子元器件安全稳定地工作，还要考虑功能结构器件正常稳定的功能件动作:如果说集成电路封装是平面二维包惠性密封保护，则传感器系统封装是有工艺要求和结构要求的三维封装，它不仅要求传感器的系统封装具有完成保护敏感芯片(例如硅芯片的电性能、敏传感器的吸附和电激发性能)、键合引线、线路补偿网络等不受环境影响，同时还要保证传感器敏感芯片在封装后仍可实现可动功能部件、元件或检测敏感单元对传感检测的感知动作正常、无干扰。
▲MEMS与IC封装的区别
MEMS封装技术对MEMS器件的影响
传统 MEMS 定律认为，“一种产品，一种工艺，一种封装”，每种 MEMS 器件要求特定的工艺和封装技术。封装技术决定了MEMS 器件的成本和可靠性，是MEMS 普遍实用化的基础和实现商业化成功的关键因素。
一方面，封装成本制约了MEMS 商业化发展。由于MEMS 器件种类多样，同时大多数MEMS器件的封装都是面向特定应用，一种制造工艺和封装工艺很难简单的移植到其他MEMS 器件开发中，工业上MEMS 封装没有统一标准，这极大增加了MEMS 器件开发的技术难度和成本。
据2001年一篇在第14届IEEE国际技术会议发表的《Overview and development trends in the field of MEMS packaging》论文数据显示，当时一般 MEMS仅封装成本就占总成本的 70% 以上，使MEMS传感器售价高昂，阻碍了MEMS传感器的推广。
但随着 MEMS 技术的不断发展成熟，厂商开发出成本低、效果理想的材料和封装技术，降低了MEMS器件的封装成本，根据 Yole developpement 的研究，目前厂商MEMS成本中，封装约占 30%~40%，IC 约占 40%~50%。
譬如博世MEMS惯性传感器BMC050的成本构成中，专用芯片占比48%，封装测试成本35%，MEMS芯片成本13%。
▲博世MEMS惯性传感器BMC050成本构成
另一方面，MEMS 封装的可靠性制约MEMS 普遍实用化。与IC不同，MEMS 一般包含精密可动微结构，MEMS 封装不仅需要提供必要的电学和其他物理场的互联，还需对MEMS 结构以及电连接等提供支持和保护，使之免受外部环境的干扰或破坏。封装中面临着结构优化、工艺条件的选择、热力学效应和多物理场耦合等问题。研究表明，在MEMS 系统中发生的可靠性问题50%来自电子封装过程。
MEMS封装的作用和挑战
MEMS封装除了包括IC封装的功能部分，即电源分配、信号分配和散热等，还需要考虑应力、气密性、隔离度、特殊的封装环境和引出等问题。
1机械支撑
MEMS芯片有的带有腔体，有的带有悬梁，这些微机械结构的尺寸很小，强度极低，容易因机械接触而损坏和因暴露而沾污，特别是单面加工的器件，是在很薄的薄膜上批量加工的，结构的强度就更低，它能承受的机械强度远远小于IC芯片，对封装的机械性能提出了更高要求。
2环境保护
MEMS封装一方面需要对微结构、电路和电气连接进行保护，确保系统的稳定性和可靠性：另一方面又必须对传感器芯片提供一个或多个环境接口，使其能充分感知待测物理量的变化，从信号界面来说，MEMS的输入信号界面复杂，可能为光信号（光电探测器）、磁信号（磁敏器件），还有机械力的大小（压力传感器）、温度的高低（温度传感器）、气体的成分（敏感气体探测器）等，这种复杂的信号界面给封装带来极大的挑战。
例如，光学MEMS器件可能由于冲击、震动或热膨胀等原因产生的封装应力，造成光路对准发生偏移；MEMS陀螺仪的可动部件需要在真空环境中运动以减小摩擦，达到长期可靠工作的目标；红外探测器（微测辐射热计）应该采用真空封装技术，以减小其与周围空气之间的热导，同时还需要高透过率的红外窗口；MEMS麦克风可以根据各种应用需求采用不同开孔位置（例如顶部、底部、侧面）的封装，但同时也会影响器件的声学性能（例如信噪比）。
▲OQmentedMEMS微镜产品使用独特的“气泡（Bubble）”封装
3 电气连接
电气连接不仅指MEMS器件与上一级系统之间的信号连接（包括提供通往芯片的电源和接地连接），而且包括MEMS器件内部的信号通路连接。当MEMS器件与电路集成时，就需要考虑系统的信号分配和功率分配。
目前，MEMS传感器需要用到ASIC芯片，通常与MEMS die芯片封装在一起，一般采用引线键合（下图a所示），或者倒装芯片键合（下图b所示）的连接方式。
▲来源：《Introduction to MEMS Packaging》
除此之外，在实际的MEMS封装中，其必须考虑下面一些因素，首先，封装必须给传感器带来的应力要尽可能小，材料的热膨胀系数（CTE）必须与硅的热膨胀系数相近或稍大，由于材料的不匹配，很容易导致界面应力，从而使芯片发生破裂或者分层。对于应力传感器，在设计时就必须考虑封装引起的应力给器件性能的影响，
其次，对于一般的MEMS结构和电路封装，散热是必须要给予充分重视的，高温下器件失效的可能性会大大增加，而对于热流量计和红外传感器，适当的热隔离会提高传感器的灵敏度。
再次，对于一些特殊的传感器和执行器，需要对封装的气密性进行考虑，封装的气密性和漏气对于提高压力传感器的精度和使用寿命是至关重要的。而对于一些有可动部件的传感器，进行真空封装可以避免振动结构的空气阻尼，提高使用寿命，最后，由于MEMS传感器的输出信号都是微纳量级的，所以必须考虑封装给器件带来的寄生效应。
▲MEMS麦克风封装示意图
MEMS封装的技术分类和趋势
随着各种MEMS新产品的不断问世，先进的MEMS器件的封装技术正在研发之中。MEMS封装建立在IC封装基础之上，并衍生出新的封装技术和工艺，例如阳极键合、硅熔融键合、硅通孔（TSV）、玻璃通孔（TGV）等，进而反哺IC封装。
MEMS封装可以分为芯片级封装、器件级封装、系统级封装三个层级，各级别封装在技术层面相互关联，具体应用需要根据“可制造性、成本、功能”进行权衡。当前，芯片级CSP和晶圆级WLP封装是MEMS进行批量生产和微型化的主要途径。
芯片级封装
芯片级封装的要求有:①保护芯片或其他核心元件避免塑性变形或破裂，②保护信号转换电路，③为这些元件提供必要的电隔离和机械隔离；④确保系统在正常操作状态和超载状态下的功能实现。
通常采用粘结剂封接技术。黏合剂封装具有两种典型形式。其一，用于将芯片固定在传感器的底座材料(又称基座)》上。其采用环氧树脂或硅橡胶充灌填充或表面涂覆，用于防水、防尘保护器件，使引线或结构不受损坏。
器件级封装
器件级封装包含信号调节和处理，大多数情况下，对于传感器来说需要包含电桥和信号调节电路的保护。对于设计人员来该级封装最大的挑战是如何完成设计的信号电路接口保护封装。
系统级封装
系统级封装主要是对芯片和核心元件以及主要的信号处理电路的封装。系统封装需要对电路进行电磁屏蔽、力和热隔离，金属外罩通常对避免机械和电磁影响起到出色的保护作用。
譬如智能手机的5G射频前端模组，博通、村田制作所、思佳等多家厂商采用MEMS SiP封装（系统级封装），以减少体积、降低功耗。
▲5G MEMS 射频前端模组的系统级封装（SiP），来源：Microwave Journal
目前，MEMS产业正向多种传感器集成方向前进，形成“惯性、环境、光学”三大类组合传感器，具有三种典型的封装形式：密闭封装（Closed Package）、开放腔体（Open Cavity）、光学窗口（Open-eyed）。
相比分立器件，组合传感器具有一些优势：（1）多种传感器可以共享ASIC芯片，共用封装外壳，能够降低产品成本；（2）如果两种传感器工艺相近，可以做成单芯片，能够极大减小传感器尺寸；（3）多种传感器数据经过滤波、融合，以及人工智能等算法处理，可以提高产品附加值，使得竞争对手难以模仿。
▲三大类组合传感器及封装形式
MEMS封装中的一些关键技术介绍
阳极键合
将玻璃与金属、合金或半导体键合在一起，不用任何黏结剂的一种工艺技术。又称静电键合、静电封接，是传感器封装的主要技术之一。
阳极键合是微机电系统（MEMS）主要封装技术之一，阳极键合用于保护诸如微传感器的设备。阳极键合的主要优点是，它可以产生牢固而持久的键合，而无需粘合剂或过高的温度，而这是将组件融合在一起所需要的。
阳极键合的主要缺点是可以键合的材料范围有限，并且材料组合还存在其他限制，因为它们需要具有类似的热膨胀率系数-也就是说，它们在加热时需要以相似的速率膨胀，否则差异膨胀可能会导致应变和翘曲。
▲来源：中国大百科全书
直接键合
室温下进行粘贴的两晶圆经过高温退火处理直接键合在一起，不需要任何黏结剂和外加电场，且具有良好的结合强度的技术。又称硅熔融键合。
直接键合的优点是：可以获得Si-Si键合界面，实现材料的热膨胀系数、弹性系数等的最佳匹配，得到一体化的结构键合强度可以达到或绝缘体自身的强度量值，且气密性好。利于提高产品的长期稳定性和温度稳定性。
直接键合的主要缺点：直接键合需在高温(700~1100°C)下才能完成，而高温处理过程难以控制，且不便操作，因此，能否在较低温度或常温下实现Si-Si直接键合，就成为人们关注的一项工艺，这项工艺的关键是，选用何种物质对被键合的表面进行活化处理。
硅通孔（TSV）
硅通孔（Through Silicon Via，TSV）是一种先进的三维互连技术，也是实现3D 集成封装的关键组件，属于晶圆级封装技术。TSV采用垂直互连模组，由此提高了电学性能（例如高导电性和低电阻电容延迟） ，目前已经广泛应用干MEMS聚件，存储器，图像传感器，功率放大器，生物应用设备和多种手机芯片，是微电子制造最具前途的技术之一。
TSV能够使芯片在维方向堆叠的密度最大、芯片之间的互连线最短、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技术应用，来源：民生证券
玻璃通孔（TGV）
玻璃通孔(Through Glass Via,TGV)，一种先进封装技术，其材质基于超薄玻璃衬底。
玻璃通孔(TGV)和硅通孔（TSV）工艺相比，TGV的优势主要体现在：
1）优良的高频电学特性。玻璃材料是一种绝缘体材料，介电常数只有硅材料的1/3左右，损耗因子比硅材料低2-3个数量级，使得衬底损耗和寄生效应大大减小，保证了传输信号的完整性；
2）大尺寸超薄玻璃衬底易于获取。Corning、Asahi以及SCHOTT等玻璃厂商可以提供超大尺寸（>2m × 2m）和超薄（<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获取，以及不需要沉积绝缘层，玻璃转接板的制作成本大约只有硅基转接板的1/8；
4）工艺流程简单。不需要在衬底表面及TGV内壁沉积绝缘层，且超薄转接板中不需要减薄；
5）机械稳定性强。即便当转接板厚度小于100µm时，翘曲依然较小；
6）应用领域广泛，是一种应用于晶圆级封装领域的新兴纵向互连技术，为实现芯片-芯片之间距离最短、间距最小的互联提供了一种新型技术途径，具有优良的电学、热学、力学性能，在射频芯片、高端MEMS传感器、高密度系统集成等领域具有独特优势，是下一代5G、6G高频芯片3D封装的首选之一。
▲玻璃穿孔填空技术，来源：半导体失效分析
基于材料的MEMS传感器封装分类和特性
因为MEMS器件功能多样性，同时适用的环境也各不一样，被测个质的环境可能是高温、高压、高腐蚀、高湿、强辑照、强冲击、强振动等恶劣环境，因此衍生出各种材料的MEMS封装形式。
金属封装
通常被用于微波多芯片模块以及混合电路。金属外壳具有良好的散热能力以及电磁屏蔽能力，还能有效地隔绝周围环境的有害接触。
陶瓷封装
由于陶瓷封装外壳具有高的弹性模量以及抗弯强度，因此可以作为需要精确传感器件的刚性基，可密封并且能够经受恶劣的工作条件。
塑料封装
由于塑料外壳的低材料制造成本，广泛应用于电子产业以及其他应用之中。但是，它们在高可靠性应用方面的问题难以忽视。由于各种原因，一些塑料封装MEMS产品由原来的热固性包覆成型向热塑腔封装方案转移。
圆片级封装（WLP）
圆片级封装需要硅结构的键合。为了保证与周围环境适当隔离，此工艺需要盖住易碎的结构。根据MEMS芯片要求，目前有两类方法：一种是圆片与圆片的键合，一种是芯片与圆片的键合。
玻璃封装
由于玻璃具有很高的强度，主要应用封盖操作过程。特别是在压缩应用中，它还具有良好的电学特性，允许不同设计方案的MEMS器件封装在芯片或圆片上。此外由于可以制造出各种尺寸的玻璃封盖，因此玻璃封盖的设计非常灵活，有可能用一个玻璃封盖就能将单一芯片甚至是整个圆片覆盖住。
国内外MEMS封装主要企业
1、日月光半导体
据著名咨询机构Yole发布的《2022MEMS产业报告》显示，全球MEMS产业中OSAT（封装测试）公司，我国台湾企业日月光半导体和美国安靠科技（Amkor）是营收规模最大的两家企业，MEMS封测业务营收均在2亿美元以上。
日月光半导体是台湾一家半导体封装与测试制造服务公司，提供半导体客户包括芯片前段测试及晶圆针测至后段之封装、材料及成品测试的一元化服务，目前全球最大的半导体封测企业，也是MEMS封测龙头公司。
2、安靠科技（Amkor）
安靠科技（Amkor）是一家美国半导体产品封装和测试服务提供商，全球第二大半导体封测企业，据产品书介绍“是全球最大型的 MEMS和 MOEMS （封装）外包提供商。”
3、长电科技
长电科技，中国最大的半导体封测企业，也是全球第三大封测公司，其MEMS封测业务营收为5000万~2亿美元量级。
4、UTAC
UTAC是提供半导体封装测试服务的全球大型供应商之一，成立于1997年总部位于新加坡。其MEMS封测业务2022年营收为5000万~2亿美元量级。
5、南茂科技（Chipmos）
南茂科技是我国台湾封测企业，是全球第十大的封测公司，其中显示器驱动IC封测产能排名据世界第二位。MEMS封测业务方面，南茂科技2022年营收为5000万~2亿美元量级。
6、华天科技
华天科技是中国大陆第三大、全球第五大的封测企业，其MEMS封测业务营收为1000万~5000美元量级。
2014 年，国产MEMS传感器龙头企业敏芯股份与华天科技合作，并成功转移敏芯独有知识产权的 OCLGA 封装等多种麦克风封装技术，使华天科技增添了MEMS封装代工技术与能力。
本文部分资料来源：《Introduction to MEMS Packaging》中国大百科全书-传感器封装技术https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=421176&SubID=140961中国大百科全书-阳极键合技术https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=199395&Type=bkzyb&SubID=140961麦姆斯咨询-MEMS封装技术http://www.mems.me/mems/Training_202111/11060.html德赢Vwin官网 -MEMS封装技术进行探讨研究与MEMS器件封装优势//www.hzfubeitong.com/d/668535.html艾粄半导体网-先进封装工艺之TGV 玻璃通孔https://www.ab-sm.com/a/22123Yole《Status of the MEMS Industry 2022》
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