阻礙智能傳感器發(fā)展的主要原因！50%的問題都出在這里！什么是MEMS封裝？（附58家頭部企業(yè)名單）

相關(guān)資料顯示，在 MEMS 系統(tǒng)中發(fā)生的可靠性問題 50% 來自封裝過程。2001年左右，封裝成本占MEMS器件總成本的70%~80%，使當時MEMS傳感器售價高昂，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)過程的重要環(huán)節(jié)，封裝決定了MEMS 器件的可靠性以及成本，同時，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(zhàn)，文末附有全球MEMS封測領(lǐng)域的頭部企業(yè)名單&58家中國大陸MEMS封裝企業(yè)信息，中國作為半導體封測大國，多家傳統(tǒng)封測企業(yè)的MEMS封測業(yè)務進入全球前列，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(tǒng)）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(jié)構(gòu)的系統(tǒng)裝置。

MEMS工藝與傳統(tǒng)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(tǒng)的IC工藝是無法實現(xiàn)的，必須得依靠微加工，進行精細的加工，能達到想要的結(jié)構(gòu)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)是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進行刻蝕的工藝，是實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)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，通過在犧牲層薄膜上沉積結(jié)構(gòu)層薄膜，然后去除犧牲層釋放結(jié)構(gòu)層實現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)。（相關(guān)內(nèi)容參看《MEMS傳感器芯片是這樣被制造出來的！》）

▲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制程，而更注重功能特色化，即利用微納結(jié)構(gòu)或/和敏感材料實現(xiàn)多種傳感和執(zhí)行功能，工藝節(jié)點通常從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(jié)構(gòu)的MEMS聲學傳感器芯片內(nèi)部工作情況（由高精度傳感器實拍）

MEMS器件具有三維機械結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品設(shè)計和制造技術(shù)的多樣性，決定了MEMS封裝與傳統(tǒng)IC封裝存在諸多不同且更加復雜。

從“消費類應用的低成本封裝”到“汽車和航空行業(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(zhàn)，傳感器封裝比C封裝更嚴苛。

下圖來自咨詢公司Yole的MEMS產(chǎn)業(yè)報告，直觀展示了各種各樣的MEMS傳感器&執(zhí)行器，可以看到不同MEMS器件的封裝形式和結(jié)構(gòu)差異極大。

傳感器必須直接與被測個質(zhì)接觸，被測個質(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(wěn)定地工作，還要考慮功能結(jié)構(gòu)器件正常穩(wěn)定的功能件動作:如果說集成電路封裝是平面二維包惠性密封保護，則傳感器系統(tǒng)封裝是有工藝要求和結(jié)構(gòu)要求的三維封裝，它不僅要求傳感器的系統(tǒng)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、線路補償網(wǎng)絡等不受環(huán)境影響，同時還要保證傳感器敏感芯片在封裝后仍可實現(xiàn)可動功能部件、元件或檢測敏感單元對傳感檢測的感知動作正常、無干擾。

▲MEMS與IC封裝的區(qū)別

MEMS封裝技術(shù)對MEMS器件的影響

傳統(tǒng) 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 普遍實用化的基礎(chǔ)和實現(xiàn)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 器件種類多樣，同時大多數(shù)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單的移植到其他MEMS 器件開發(fā)中，工業(yè)上MEMS 封裝沒有統(tǒng)一標準，這極大增加了MEMS 器件開發(fā)的技術(shù)難度和成本。

據(jù)2001年一篇在第14屆IEEE國際技術(shù)會議發(fā)表的《Overview and development trends in the field of MEMS packaging》論文數(shù)據(jù)顯示，當時一般 MEMS僅封裝成本就占總成本的 70% 以上，使MEMS傳感器售價高昂，阻礙了MEMS傳感器的推廣。

但隨著 MEMS 技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，廠商開發(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(jù) Yole developpement 的研究，目前廠商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(gòu)成中，專用芯片占比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(gòu)成

另一方面，MEMS 封裝的可靠性制約MEMS 普遍實用化。與IC不同，MEMS 一般包含精密可動微結(jié)構(gòu)，MEMS 封裝不僅需要提供必要的電學和其他物理場的互聯(lián)，還需對MEMS 結(jié)構(gòu)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。封裝中面臨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝條件的選擇、熱力學效應和多物理場耦合等問題。研究表明，在MEMS 系統(tǒng)中發(fā)生的可靠性問題50%來自電子封裝過程。

MEMS封裝的作用和挑戰(zhàn)

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、電路和電氣連接進行保護，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性：另一方面又必須對傳感器芯片提供一個或多個環(huán)境接口，使其能充分感知待測物理量的變化，從信號界面來說，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?。?a href="http://wenjunhu.com/tags/壓力傳感器/" target="_blank">壓力傳感器）、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極大的挑戰(zhàn)。

例如，光學MEMS器件可能由于沖擊、震動或熱膨脹等原因產(chǎn)生的封裝應力，造成光路對準發(fā)生偏移；MEMS陀螺儀的可動部件需要在真空環(huán)境中運動以減小摩擦，達到長期可靠工作的目標；紅外探測器（微測輻射熱計）應該采用真空封裝技術(shù)，以減小其與周圍空氣之間的熱導，同時還需要高透過率的紅外窗口；MEMS麥克風可以根據(jù)各種應用需求采用不同開孔位置（例如頂部、底部、側(cè)面）的封裝，但同時也會影響器件的聲學性能（例如信噪比）。

▲OQmentedMEMS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(tǒng)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(nèi)部的信號通路連接。當MEMS器件與電路集成時，就需要考慮系統(tǒng)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。

▲來源：《Introduction to MEMS Packaging》

除此之外，在實際的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的應力要盡可能小，材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）必須與硅的熱膨脹系數(shù)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(shè)計時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(jié)構(gòu)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大大增加，而對于熱流量計和紅外傳感器，適當?shù)臒岣綦x會提高傳感器的靈敏度。

再次，對于一些特殊的傳感器和執(zhí)行器，需要對封裝的氣密性進行考慮，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。而對于一些有可動部件的傳感器，進行真空封裝可以避免振動結(jié)構(gòu)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的寄生效應。

▲MEMS麥克風封裝示意圖

MEMS封裝的技術(shù)分類和趨勢

隨著各種MEMS新產(chǎn)品的不斷問世，先進的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(chǔ)之上，并衍生出新的封裝技術(shù)和工藝，例如陽極鍵合、硅熔融鍵合、硅通孔（TSV）、玻璃通孔（TGV）等，進而反哺IC封裝。

MEMS封裝可以分為芯片級封裝、器件級封裝、系統(tǒng)級封裝三個層級，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(jù)“可制造性、成本、功能”進行權(quán)衡。當前，芯片級CSP和晶圓級WLP封裝是MEMS進行批量生產(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(zhuǎn)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(tǒng)在正常操作狀態(tài)和超載狀態(tài)下的功能實現(xiàn)。

通常采用粘結(jié)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(又稱基座)》上。其采用環(huán)氧樹脂或硅橡膠充灌填充或表面涂覆，用于防水、防塵保護器件，使引線或結(jié)構(gòu)不受損壞。

器件級封裝

器件級封裝包含信號調(diào)節(jié)和處理，大多數(shù)情況下，對于傳感器來說需要包含電橋和信號調(diào)節(jié)電路的保護。對于設(shè)計人員來該級封裝最大的挑戰(zhàn)是如何完成設(shè)計的信號電路接口保護封裝。

系統(tǒng)級封裝

系統(tǒng)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(tǒng)封裝需要對電路進行電磁屏蔽、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、思佳等多家廠商采用MEMS SiP封裝（系統(tǒng)級封裝），以減少體積、降低功耗。

▲5G MEMS 射頻前端模組的系統(tǒng)級封裝（SiP），來源：Microwave Journal

目前，MEMS產(chǎn)業(yè)正向多種傳感器集成方向前進，形成“慣性、環(huán)境、光學”三大類組合傳感器，具有三種典型的封裝形式：密閉封裝（Closed Package）、開放腔體（Open Cavity）、光學窗口（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(shù)據(jù)經(jīng)過濾波、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(jié)劑的一種工藝技術(shù)。又稱靜電鍵合、靜電封接，是傳感器封裝的主要技術(shù)之一。

陽極鍵合是微機電系統(tǒng)（MEMS）主要封裝技術(shù)之一，陽極鍵合用于保護諸如微傳感器的設(shè)備。陽極鍵合的主要優(yōu)點是，它可以產(chǎn)生牢固而持久的鍵合，而無需粘合劑或過高的溫度，而這是將組件融合在一起所需要的。

陽極鍵合的主要缺點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似的熱膨脹率系數(shù)-也就是說，它們在加熱時需要以相似的速率膨脹，否則差異膨脹可能會導致應變和翹曲。

▲來源：中國大百科全書

直接鍵合

室溫下進行粘貼的兩晶圓經(jīng)過高溫退火處理直接鍵合在一起，不需要任何黏結(jié)劑和外加電場，且具有良好的結(jié)合強度的技術(shù)。又稱硅熔融鍵合。

直接鍵合的優(yōu)點是：可以獲得Si-Si鍵合界面，實現(xiàn)材料的熱膨脹系數(shù)、彈性系數(shù)等的最佳匹配，得到一體化的結(jié)構(gòu)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)品的長期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。

直接鍵合的主要缺點：直接鍵合需在高溫(700~1100°C)下才能完成，而高溫處理過程難以控制，且不便操作，因此，能否在較低溫度或常溫下實現(xiàn)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)對被鍵合的表面進行活化處理。

硅通孔（TSV）

硅通孔（Through Silicon Via，TSV）是一種先進的三維互連技術(shù)，也是實現(xiàn)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(shè)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，來源：民生證券

玻璃通孔（TGV）

玻璃通孔(Through Glass Via,TGV)，一種先進封裝技術(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(xiàn)在：

1）優(yōu)良的高頻電學特性。玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數(shù)只有硅材料的1/3左右，損耗因子比硅材料低2-3個數(shù)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等玻璃廠商可以提供超大尺寸（>2m × 2m）和超?。?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(zhuǎn)接板的制作成本大約只有硅基轉(zhuǎn)接板的1/8；

4）工藝流程簡單。不需要在襯底表面及TGV內(nèi)壁沉積絕緣層，且超薄轉(zhuǎn)接板中不需要減薄；

5）機械穩(wěn)定性強。即便當轉(zhuǎn)接板厚度小于100μm時，翹曲依然較?。?/p>

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)，為實現(xiàn)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、熱學、力學性能，在射頻芯片、高端MEMS傳感器、高密度系統(tǒng)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)，來源：半導體失效分析

基于材料的MEMS傳感器封裝分類和特性

因為MEMS器件功能多樣性，同時適用的環(huán)境也各不一樣，被測個質(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，還能有效地隔絕周圍環(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題難以忽視。由于各種原因，一些塑料封裝MEMS產(chǎn)品由原來的熱固性包覆成型向熱塑腔封裝方案轉(zhuǎn)移。

圓片級封裝（WLP）

圓片級封裝需要硅結(jié)構(gòu)的鍵合。為了保證與周圍環(huán)境適當隔離，此工藝需要蓋住易碎的結(jié)構(gòu)。根據(jù)MEMS芯片要求，目前有兩類方法：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程。特別是在壓縮應用中，它還具有良好的電學特性，允許不同設(shè)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(shè)計非常靈活，有可能用一個玻璃封蓋就能將單一芯片甚至是整個圓片覆蓋住。

國內(nèi)外MEMS封裝主要企業(yè)

1、日月光半導體

據(jù)著名咨詢機構(gòu)Yole發(fā)布的《2022MEMS產(chǎn)業(yè)報告》顯示，全球MEMS產(chǎn)業(yè)中OSAT（封裝測試）公司，我國臺灣企業(yè)日月光半導體和美國安靠科技（Amkor）是營收規(guī)模最大的兩家企業(yè)，MEMS封測業(yè)務營收均在2億美元以上。

日月光半導體是臺灣一家半導體封裝與測試制造服務公司，提供半導體客戶包括芯片前段測試及晶圓針測至后段之封裝、材料及成品測試的一元化服務，目前全球最大的半導體封測企業(yè)，也是MEMS封測龍頭公司。

2、安靠科技（Amkor）

安靠科技（Amkor）是一家美國半導體產(chǎn)品封裝和測試服務提供商，全球第二大半導體封測企業(yè)，據(jù)產(chǎn)品書介紹“是全球最大型的 MEMS和 MOEMS （封裝）外包提供商。”

3、長電科技

長電科技，中國最大的半導體封測企業(yè)，也是全球第三大封測公司，其MEMS封測業(yè)務營收為5000萬~2億美元量級。

4、UTAC

UTAC是提供半導體封裝測試服務的全球大型供應商之一，成立于1997年總部位于新加坡。其MEMS封測業(yè)務2022年營收為5000萬~2億美元量級。

5、南茂科技（Chipmos）

南茂科技是我國臺灣封測企業(yè)，是全球第十大的封測公司，其中顯示器驅(qū)動IC封測產(chǎn)能排名據(jù)世界第二位。MEMS封測業(yè)務方面，南茂科技2022年營收為5000萬~2億美元量級。

6、華天科技

華天科技是中國大陸第三大、全球第五大的封測企業(yè)，其MEMS封測業(yè)務營收為1000萬~5000美元量級。

2014 年，國產(chǎn)MEMS傳感器龍頭企業(yè)敏芯股份與華天科技合作，并成功轉(zhuǎn)移敏芯獨有知識產(chǎn)權(quán)的 OCLGA 封裝等多種麥克風封裝技術(shù)，使華天科技增添了MEMS封裝代工技術(shù)與能力。

附錄：58家中國大陸MEMS封裝產(chǎn)線統(tǒng)計最新數(shù)據(jù)

▲來源：半導體綜研

本文部分資料來源： 《Introduction to MEMS Packaging》 中國大百科全書-傳感器封裝技術(shù) https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=421176&SubID=140961 中國大百科全書-陽極鍵合技術(shù) https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=199395&Type=bkzyb&SubID=140961 麥姆斯咨詢-MEMS封裝技術(shù) http://www.mems.me/mems/Training_202111/11060.html 電子發(fā)燒友-MEMS封裝技術(shù)進行探討研究與MEMS器件封裝優(yōu)勢 http://wenjunhu.com/d/668535.html 艾粄半導體網(wǎng)-先進封裝工藝之TGV 玻璃通孔 https://www.ab-sm.com/a/22123 Yole《Status of the MEMS Industry 2022》 審核編輯 黃宇