深入剖析智芯傳感開口封封裝技術(shù)

導(dǎo)讀

封裝是MEMS制造過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，決定了MEMS器件的可靠性和成本。開口封封裝技術(shù)是智芯傳感在封裝工藝上的一次創(chuàng)新突破。這一創(chuàng)新技術(shù)不僅攻克了MEMS壓力傳感芯片一體化塑封的這一世界級(jí)難題，還憑借其卓越的性能與高效生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)著行業(yè)的技術(shù)升級(jí)。本文將深入剖析開口封封裝技術(shù)，帶您領(lǐng)略其獨(dú)特的魅力。

01MEMS壓力傳感器與MEMS封裝概述

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）是一種將電和機(jī)械集成的微器件或微系統(tǒng)。MEMS壓力傳感器基于微機(jī)電技術(shù)制造，利用微米或納米等微加工技術(shù)在硅片上制作出微小的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，通常這種微小執(zhí)行結(jié)構(gòu)為力敏薄膜，通過(guò)測(cè)量微小執(zhí)行結(jié)構(gòu)在外界壓力作用下的變形或位移，進(jìn)而通過(guò)信號(hào)處理單元及通信單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。

MEMS器件的實(shí)用化和商業(yè)化依賴于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝制造、封裝測(cè)試及市場(chǎng)應(yīng)用等多方面協(xié)同創(chuàng)新。封裝作為核心環(huán)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品性能的可靠性和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。

整體塑封封裝示意圖

MEMS封裝是通過(guò)特定工藝將MEMS器件（如壓力傳感器）保護(hù)起來(lái)，主要功能是隔離環(huán)境干擾，提供電氣連接與機(jī)械支撐，確保器件性能穩(wěn)定。MEMS封裝環(huán)節(jié)包括晶圓切割、芯片粘接、引線鍵合、封蓋和成品切割等步驟，它的重要性在于需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)芯片保護(hù)、外界信號(hào)交互等多種功能。因此，MEMS封裝工藝直接影響著最終產(chǎn)品性能。

02從封裝結(jié)構(gòu)來(lái)分類MEMS封裝

MEMS產(chǎn)品種類豐富、功能各異，不同種類的MEMS產(chǎn)品其封裝形式差異較大，工藝開發(fā)過(guò)程中呈現(xiàn)出“一類產(chǎn)品一種制造工藝”的特點(diǎn)。

MEMS封裝過(guò)程涉及材料、結(jié)構(gòu)和工藝，并需通過(guò)可靠性測(cè)試以滿足各個(gè)領(lǐng)域嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。從封裝結(jié)構(gòu)來(lái)看，可分為封閉式封裝、開放空腔式封裝、眼式封裝三類。

MEMS封裝結(jié)構(gòu)分類

其中，開放空腔式封裝的核心特征是設(shè)計(jì)暴露的空腔或開口，允許外界環(huán)境介質(zhì)（如氣體、液體或壓力）直接接觸傳感器敏感元件以實(shí)現(xiàn)信號(hào)感知，同時(shí)通過(guò)多孔膜、濾網(wǎng)或防護(hù)層保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

MEMS壓力傳感器通常采用開放空腔式封裝結(jié)構(gòu)，由于它需要直接感測(cè)外部壓力變化，因此，可以通過(guò)空腔使待測(cè)介質(zhì)作用于傳感元件，從而實(shí)現(xiàn)在保持基礎(chǔ)防護(hù)下的精準(zhǔn)測(cè)壓。

03開口封封裝技術(shù)是什么

典型MEMS封裝都是殼體類封裝形式，其殼體主要有金屬外殼、陶瓷外殼、引線框架預(yù)制塑封外殼及在基板上通過(guò)畫膠方式形成的圍壩外殼等。這種封裝形式都是先將微小執(zhí)行結(jié)構(gòu)通過(guò)粘接材料固定在殼體類特定位置，通過(guò)引線鍵合將微小執(zhí)行結(jié)構(gòu)與殼體外管腳連接，再通過(guò)封蓋及切割形成最終的封裝體。

傳統(tǒng)管殼類封裝截面示意圖

智芯傳感采用整體塑封制造模式，結(jié)合特殊的封裝材料、粘接工藝以及封裝結(jié)構(gòu)，控制和隔離阻斷殘留的應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)了MEMS壓力傳感器在整體塑封下的低應(yīng)力封裝。

開口封封裝截面示意圖

開口封封裝技術(shù)是智芯傳感在MEMS壓力傳感器封裝工藝上的一次創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了MEMS壓力傳感器在中低壓量程領(lǐng)域的技術(shù)突破。

開口封封裝技術(shù)借鑒了IC封裝工藝，簡(jiǎn)化了封裝流程，極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本。同時(shí)，在封裝后，僅力敏薄膜與介質(zhì)接觸，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，有效保護(hù)了鍵合金絲，避免其受到機(jī)械損壞和介質(zhì)壓力變化帶來(lái)的疲勞損傷，使MEMS壓力傳感器性能更具有穩(wěn)定性。

不僅如此，使用開口封封裝技術(shù)制造的傳感器組件通過(guò)了在嚴(yán)苛環(huán)境下數(shù)千小時(shí)的耐溶劑測(cè)試，靈敏度保持穩(wěn)定，充分驗(yàn)證了它的可靠性。同時(shí)，相比其他封裝技術(shù)制造的器件，其成本能夠降低60%，這一創(chuàng)新應(yīng)用具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

04帶應(yīng)力隔離的微小執(zhí)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步突破低應(yīng)力封裝界線

在封裝過(guò)程中，封裝殘余應(yīng)力會(huì)造成MEMS壓力傳感器輸出信號(hào)的偏移，并且隨著時(shí)間逐漸變化，封裝應(yīng)力會(huì)影響MEMS壓力傳感器的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。據(jù)研究表明，封裝應(yīng)力來(lái)源于下三個(gè)方面。

三個(gè)關(guān)鍵應(yīng)力來(lái)源：

封裝材料

不同粘膠材料所引起的應(yīng)力大小不同；采用不同封裝基板材料下的封裝應(yīng)力大小也不同

封裝工藝

不同的粘接工藝對(duì)芯片翹曲的影響不同

封裝結(jié)構(gòu)

通過(guò)減少粘接面積可以降低封裝應(yīng)力

開口封封裝技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵是對(duì)封裝應(yīng)力的控制，也就是將封裝殘余應(yīng)力與力敏薄膜應(yīng)力的連接通道阻斷。

開口封封裝截面示意圖

除了上述整體塑封制造模式，使用特殊的封裝材料、粘接工藝以及應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)阻斷應(yīng)力連接通道外，智芯傳感還在微小執(zhí)行結(jié)構(gòu)單元上設(shè)計(jì)了孤島式應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)，將力敏薄膜與整體塑封界面隔離，徹底阻斷封裝殘余應(yīng)力與力敏薄膜連接通道。

這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)一步突破了低應(yīng)力封裝的界線，增強(qiáng)了MEMS壓力傳感器信號(hào)輸出的穩(wěn)定性和可靠性。

05低成本高效益推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)

隨著MEMS壓力傳感器在汽車、工業(yè)及消費(fèi)電子等領(lǐng)域的滲透率持續(xù)攀升，市場(chǎng)對(duì)應(yīng)力敏感的MEMS器件的精度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性的需求日益嚴(yán)苛。開口式封裝技術(shù)憑借其低應(yīng)力特性與高效生產(chǎn)力，成為高性能應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇，其應(yīng)用潛力正加速釋放。

以陶瓷電容式壓力傳感器和空調(diào)高壓變送器為切入點(diǎn)，智芯傳感通過(guò)創(chuàng)新引入開口封封裝技術(shù)，在保障產(chǎn)品性能穩(wěn)定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)提供了兼具成本優(yōu)勢(shì)與可靠性的解決方案。

根據(jù)市場(chǎng)研究數(shù)據(jù)，2023年國(guó)內(nèi)陶瓷電容式壓力傳感器市場(chǎng)規(guī)模約為20.52億美元，占全球市場(chǎng)的19.3%。進(jìn)一步細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域，汽車對(duì)陶瓷電容式壓力傳感器的需求持續(xù)增長(zhǎng)，全球年需求量近2億只。

同樣，空調(diào)高壓變送器在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍被國(guó)際品牌所占據(jù)。而國(guó)產(chǎn)品牌的崛起，空調(diào)高壓變送器的市場(chǎng)份額也在快速增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某國(guó)產(chǎn)品牌空調(diào)高壓變送器的年銷量約為3000萬(wàn)只，市場(chǎng)規(guī)模超24億元。隨著工業(yè)自動(dòng)化及綠色能源需求增長(zhǎng)，空調(diào)高壓變送器的市場(chǎng)規(guī)模有望超百億元。

受政策推動(dòng)（如MEMS傳感器被列入鼓勵(lì)類產(chǎn)業(yè)）和國(guó)產(chǎn)替代需求影響，相較于進(jìn)口器件，國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品不僅價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力顯著，還能縮短供應(yīng)鏈周期，提供靈活的定制化服務(wù)，國(guó)產(chǎn)替代的規(guī)?；б嫒找嫱癸@。

隨著技術(shù)創(chuàng)新與市場(chǎng)拓展，開口封封裝技術(shù)有望進(jìn)一步推動(dòng)行業(yè)降本增效，開啟更廣闊的應(yīng)用空間。智芯傳感在深耕國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的同時(shí)，正以自主研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新為支點(diǎn)，進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)，為國(guó)產(chǎn)MEMS壓力傳感器走向全球市場(chǎng)探索新的可能。