在整個(gè)MEMS生態(tài)系統(tǒng)中，MEMS封裝發(fā)展迅速，晶圓級(jí)和3D集成越來(lái)越重要。這篇文章中，我們分析了MEMS集成和封裝的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。主要的趨勢(shì)是為低溫晶圓鍵合等單芯片集成開發(fā)出與CMOS兼容的MEMS制造工藝。另一個(gè)新趨勢(shì)是裸片疊層應(yīng)用于低成本無(wú)鉛半導(dǎo)體封裝，這種技術(shù)可為量產(chǎn)帶來(lái)更低的成本和更小的引腳封裝。此外，3D集成使LCR passives成為可能。LCR passives嵌入封裝中使外部passives最小化并且為小引腳應(yīng)用、晶圓鍵合、垂直內(nèi)封裝連接層和中介層提供便利。但是，MEMS 器件的CMOS和3D集成給建模、測(cè)試和可靠性帶來(lái)挑戰(zhàn)。
硅中介層和封裝集成
在一個(gè)疊層裸片或2.5D/3D封裝中硅中介層用來(lái)垂直連接兩個(gè)模。在微控制器和FPGA中，通常采用高引腳數(shù)量和高密度連接。這項(xiàng)技術(shù)以垂直硅通孔（TSVs）形式類似地被MEMS采用。
金屬基硅中介層通過(guò)DRIE刻蝕幾十到幾百微米的垂直溝槽，然后金屬化以制造垂直金屬導(dǎo)體。金屬和硅的熱膨脹系數(shù)錯(cuò)配會(huì)導(dǎo)致很大的機(jī)械應(yīng)力，應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致晶圓彎曲、翹曲，變脆而難于加工。
摻雜多晶硅是金屬TSV的替代技術(shù)，特別是應(yīng)用于深度可達(dá)幾百微米的高深寬比MEMS TSV中。中介層面對(duì)的其它挑戰(zhàn)包括高器件密度下的熱傳遞，高能耗應(yīng)用，缺少3D集成模擬建模的EDA仿真工具，組裝工藝可靠性以及如何獲得失效分析的信號(hào)等。
晶圓級(jí)封裝
MEMS晶圓級(jí)封裝的最終目的是沒(méi)有封裝。術(shù)語(yǔ)“無(wú)封裝（或者，硅封裝）”是指器件在晶圓加工的過(guò)程中完成封裝，而不必在晶圓切片后再進(jìn)一步組裝。這樣做主要的優(yōu)勢(shì)是最小化器件尺寸，并且避免了高成本的傳統(tǒng)半導(dǎo)體組裝。這種封裝，器件裝有金屬襯墊以便后續(xù)測(cè)試和應(yīng)用。
利用晶圓級(jí)封裝和其它微米技術(shù)，器件中可以包括帶有模擬接口電路的特定功能IC（ASIC），并結(jié)合一個(gè)或多個(gè)MEMS傳感器——一個(gè)完整的傳感器SOC。ASIC和MEMS可在同一晶圓或分開的晶圓上制造，然后鍵合在一起形成硅封裝。晶圓鍵合形成了密封保護(hù)，并在ASIC和MEMS之間形成電連接。這種形式中，ASIC晶圓可以包括TSV，以使電信號(hào)傳輸?shù)蒋B層的底部。金屬墊因此被置于疊層的底部，做為電探測(cè)以及測(cè)試和表面封裝的媒介。
晶圓鍵合必須是一個(gè)高產(chǎn)工藝，以保證一致的鍵合質(zhì)量和每一個(gè)獨(dú)立傳感器的密封。甚至最小的裂縫也會(huì)改變MEMS的內(nèi)部環(huán)境，這會(huì)導(dǎo)致傳感器信號(hào)的漂移。這些裂縫很難檢測(cè)，要想發(fā)現(xiàn)裂縫就需要破壞性實(shí)驗(yàn)。所以，必須使用樣品測(cè)試和持續(xù)性的工藝檢測(cè)統(tǒng)計(jì)來(lái)保證鍵和質(zhì)量。
在背面，帶有襯墊的微小封裝需要高密度測(cè)試針，甚至需要在自動(dòng)生產(chǎn)測(cè)試中使用MEMS探針。最終，器件尺寸和硅的脆性導(dǎo)致無(wú)法應(yīng)用傳統(tǒng)半導(dǎo)體處理方法，例如重力送-吸-放式分類機(jī)。
功能的權(quán)衡
MEMS產(chǎn)業(yè)在過(guò)去幾年始終朝向一個(gè)器件包括10個(gè)自由度（DOF）的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)完全的個(gè)人導(dǎo)航器件。10 DOF器件包括3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀、3軸磁力計(jì)和1軸氣壓傳感器。雖然把這些功能在一個(gè)小引腳封裝中實(shí)現(xiàn)在技術(shù)上是可行的，但由于多種原因?qū)е陆?jīng)濟(jì)上不可行。
在整合的成本和可制造性上要有權(quán)衡。多功能的傳感器增加了組裝的復(fù)雜度，裸片疊層可以實(shí)現(xiàn)小引腳封裝和薄膜輔助注塑，從而為氣壓傳感創(chuàng)造一個(gè)通風(fēng)孔。一個(gè)或兩個(gè)裸片過(guò)度注塑非常常見并且節(jié)省成本，結(jié)合MEMS具體工藝的多裸片層疊，比如為了機(jī)械振動(dòng)隔離而做的膠分布，會(huì)極大地增加封裝成本，在開發(fā)階段和單件成本方面都是如此。
一個(gè)工藝在小量產(chǎn)時(shí)可行，在大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)卻可能會(huì)很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楫a(chǎn)量這時(shí)可能會(huì)達(dá)到幾千萬(wàn)乃至幾億，而組裝成功率要求達(dá)到90%。在過(guò)去的時(shí)間里，MEMS產(chǎn)品公司看上去已經(jīng)改變了他們的戰(zhàn)略，去集成類似的和互補(bǔ)的功能，而把其它的功能從封裝中分開。從應(yīng)用的角度來(lái)看，這很有意義。例如，運(yùn)動(dòng)傳感器應(yīng)該置于手持電子器件的中心位置，而磁力計(jì)最好和其它元件分開以降低在測(cè)量地球磁場(chǎng)時(shí)受到的影響。
對(duì)于生產(chǎn)測(cè)試，運(yùn)動(dòng)傳感器可在同一個(gè)測(cè)試儀中測(cè)試線加速度和角加速度，但壓力傳感器需要完全不同的測(cè)試設(shè)備。到目前為止，多種傳感功能在一個(gè)封裝中整合還是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，許多公司都在努力尋找方法以保持在消費(fèi)電子和其它應(yīng)用中的發(fā)展潮頭地位。