MEMS傳感器封裝解析

相對(duì)于壓力傳感器而言，MEMS壓力傳感器是一個(gè)比較新的技術(shù)分支，其擁有多種性能優(yōu)勢，包括無機(jī)械疲勞或老化、輸出信號(hào)穩(wěn)定、靈敏度高、體積小、適合批量大規(guī)模生產(chǎn)等。就體積而言，其封裝可以做到1mm x 1mm，甚至更小。另外，低壓應(yīng)用封裝結(jié)構(gòu)靈活，可實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)封裝，可與ASIC單片/系統(tǒng)集成，這些優(yōu)點(diǎn)也使得其得以迅速崛起，到現(xiàn)在已經(jīng)基本成熟起來。

但是在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，MEMS壓力傳感器的缺點(diǎn)也表現(xiàn)地較為突出。例如MEMS晶圓芯體生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜;在不銹鋼充油和倒裝焊技術(shù)中，中高壓封裝成本較高等。

主流壓力傳感器按照檢測原理和器件結(jié)構(gòu)基本可以劃分為：不銹鋼微熔傳感器、陶瓷/電容式傳感器、壓阻式傳感器及電容式傳感器。而MEMS技術(shù)主要用來替代傳統(tǒng)的壓阻式和電容式傳感器。由于壓阻式壓力傳感器具有核心簡單、信號(hào)處理簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，“簡單好用+便宜”使得壓阻式占據(jù)了大部分的市場份額，電容式僅有很小的一部分。主流壓力傳感器的市場狀況如圖1所示。

圖1 主流壓力傳感器市場劃分（根據(jù)檢測原理及結(jié)構(gòu)）

雖然MEMS傳感器在替代傳統(tǒng)的傳感器器件，但是不銹鋼和傳統(tǒng)的陶瓷類技術(shù)仍然占有較大的市場份額。其主要原因是MEMS的封裝技術(shù)至今仍無法突破，這對(duì)MEMS傳感器進(jìn)一步推廣和應(yīng)用形成了很大的阻礙。

MEMS傳感器芯片需要針對(duì)封裝進(jìn)行特殊優(yōu)化

可以說，一個(gè)好的芯片只有擁有好的封裝才算擁有“不死之身”。就作用而言，封裝主要解決以下幾個(gè)問題：

1）腐蝕和導(dǎo)電性介質(zhì)的兼容問題;

2）高溫介質(zhì);

3）振動(dòng)，包括尖峰壓力/爆破壓力、大電壓沖擊、封裝（熱）應(yīng)力等。

目前，針對(duì)MEMS傳感器主要有三種主流的封裝方案，即MEMS+硅凝膠、擴(kuò)散硅-不銹鋼充油和倒裝焊，三種封裝示意圖如圖2所示。

圖2 三種主流封裝方案

MEMS芯片設(shè)計(jì)都需要考慮封裝，甚至針對(duì)封裝進(jìn)行特殊優(yōu)化。圖3給出了幾個(gè)較好的針對(duì)封裝進(jìn)行特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)的MEMS芯片方案。其中，上面采用了玻璃倉加硅模的方案，特點(diǎn)是電阻處于真空中，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好;下面是三家主流廠商TSV和TGV倒裝焊結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是沒有Wire bond、抗振動(dòng)沖擊，同時(shí)，有些技術(shù)方案中應(yīng)用了SiO2介質(zhì)隔離，從而能夠適應(yīng)高溫環(huán)境。另外，據(jù)盾安傳感科技公司技術(shù)總監(jiān)段飛表示，盾安傳感科技自主研發(fā)設(shè)計(jì)的一款MEMS芯片中也針對(duì)封裝進(jìn)行了特殊優(yōu)化。

圖3 針對(duì)封裝對(duì)MEMS芯片進(jìn)行特殊優(yōu)化實(shí)例