MEMS: 芯片外的封装级设计考虑

MEMS器件的封装形式是把基于MEMS的系统方案推向市场的关键因素。研究发现，当今基于MEMS的典型产品中，封装成本几乎占去了所有物料和组装成本的20%～40%。由于生产因素的影响，使得封装之后的测试成本比器件级的测试成本更高，这就使MEMS产品的封装选择和设计更加重要。

MEMS器件设计团队在开始每项设计前，以及贯穿在整个设计流程中都必须对封装策略和如何折中进行考虑和给与极大的关注。许多MEMS产品供应商都会把产品封装作为进行市场竞争的主要产品差异和竞争优势。

封装选择规则
设计MEMS器件的封装往往比设计普通集成电路的封装更加复杂，这是因为工程师常常要遵循一些额外的设计约束，以及满足工作在严酷环境条件下的需求。器件应该能够在这样的严苛环境下与被测量的介质非常明显地区别开来。这些介质可能是像干燥空气一样温和，或者像血液、散热器辐射等一样严苛。其他的介质还包括进行测量时的环境，例如，冲击、震动、温度变化、潮湿和EMI/RFI等。

首先，MEMS器件的封装必须能够和环境进行相互影响。例如，压力传感器的压力输入、血液处理器件的流体入口等。MEMS器件的封装也必须满足其他一些机械和散热裕量要求。作为MEMS器件的输出，可能是机械电机或压力的变化，因此，封装的机械寄生现象就有可能与器件的功能相互影响和干扰。

例如，在压阻传感器内，封装应力就会影响传感器的输出。当封装中不同材料混合使用时，它们的膨胀和收缩系数不同，因此，这些变化引起的应力就附加在传感器的压力值中。在光学MEMS器件中，由于冲击、震动或热膨胀等原因而产生的封装应力会使光器件和光纤之间的对准发生偏移。在高精度加速度计和陀螺仪中，封装需要和MEMS芯片隔离以优化性能（见图1）。

图1 常规晶圆级封装（WLP）结构示意图

根据生产的MEMS器件类型的不同，电子性能的考虑可以决定所选封装类型的策略。例如，电容传感MEMS器件会产生非常小、并可以被电子器件所识别的电荷，在设计时就需要特别注意电路和封装中的信号完整性问题。

通常，大多数基于MEMS的系统方案都对MEMS芯片提供相应的电路补偿、控制和信号处理单元。因此，一个MEMS芯片和定制ASIC芯片可以被集成在同一个封装内。同样，电路也可以是集成了MEMS器件的单芯片、单封装（见图2）。

图2 单芯片恒温加速度计

MEMS器件有时也采用晶圆级封装，并用保护帽把MEMS密封起来，实现与外部环境的隔离或在下次封装前对MEMS器件提供移动保护。这项技术常常用于惯性芯片的封装，如陀螺仪和加速度计。