關(guān)于微慣性器件MEMS與ASIC系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)的分析

近年來，在航空航天、武器裝備、高端工業(yè)等領(lǐng)域的制導(dǎo)、控制等應(yīng)用需求的牽引下，微慣性器件的尺寸、質(zhì)量與功耗（SWaP）指標(biāo)不斷提升，配套電路由PCB逐步升級(jí)為ASIC。綜合工藝復(fù)雜度、成本、性能潛力等因素，基于MCM和SoC的MEMS結(jié)構(gòu)與ASIC系統(tǒng)集成方案逐步成為目前的主流選擇。介紹了主流微慣性器件MEMS結(jié)構(gòu)與ASIC的MCM&SoC系統(tǒng)集成技術(shù)現(xiàn)狀，并對(duì)各集成方案特點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比。此外，對(duì)微慣性器件MEMS與ASIC系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。最后，簡要分析了國內(nèi)外差距并展望了下一步發(fā)展趨勢。

0引言

近年來，在智能彈藥、戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)導(dǎo)彈、微小衛(wèi)星、無人機(jī)等精確制導(dǎo)和姿態(tài)控制等需求的牽引下，國內(nèi)微小型慣性器件的精度水平逐步提升至戰(zhàn)術(shù)級(jí)，由其構(gòu)成的制導(dǎo)/導(dǎo)航與控制（Guidance Navigation and Control，GNC）部組件或分系統(tǒng)，在信息化武器裝備、航空航天、高端工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮出越來越大的作用。但是，受到配套印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）電路的影響，其尺寸、質(zhì)量與功耗（Size，Weight and Power，SWaP）等指標(biāo)難以進(jìn)一步提升，不能充分體現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）一體化融合的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)。因此，有必要采用基于專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）的系統(tǒng)集成方案，解決限制微慣性器件發(fā)展應(yīng)用SWaP方面的瓶頸問題。

與消費(fèi)電子類微慣性器件不同，軍工或高端工業(yè)中應(yīng)用的微慣性器件多側(cè)重于性能、可靠性等方面的指標(biāo)，其MEMS微結(jié)構(gòu)與ASIC通常不采用高工藝復(fù)雜度的單片集成方案，而是采用以下兩種方案：一種是多芯片模塊（Multichip Module，MCM）即微結(jié)構(gòu)和ASIC芯片各自進(jìn)行設(shè)計(jì)、流片加工與劃片后，通過水平并列或垂直堆棧的方式安裝在同塊基板上，使用倒裝焊或金線鍵合的方式進(jìn)行電氣連接和管腳引出；另一種是基于后道系統(tǒng)級(jí)芯片（System on Chip，SoC）的異構(gòu)集成，即MEMS與ASIC各自完成或接近完成晶圓流片后，通過晶圓級(jí)鍵合完成器件的系統(tǒng)集成，然后進(jìn)行劃片、封裝。本文重點(diǎn)介紹了這兩種方案在典型微慣性產(chǎn)品中的應(yīng)用，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

1基于MCM方案的系統(tǒng)集成

1.1 典型MCM集成方案

MCM方案主要通過金絲鍵線或倒裝焊的方式實(shí)現(xiàn)MEMS結(jié)構(gòu)與ASIC系統(tǒng)的集成，與PCB方案相比，除了大幅改善SWaP指標(biāo)之外，還能縮短信號(hào)路徑、減小寄生電容并改善電磁屏蔽效果。典型的MCM系統(tǒng)集成方式如圖1（a）~（c）所示。圖1（a）中，MEMS和ASIC管芯通過金絲鍵線和/或倒裝焊并列安裝在同一基板上，基板再以倒裝焊的方式引出信號(hào)至封裝管殼。金絲鍵線方式僅能起到電氣連接的作用，而倒裝焊則能同時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣連接與貼片固定的功能。圖1（b）和（c）都可歸為芯片級(jí)三維垂直方式的MCM。圖1（b）方案中，ASIC管芯通常置于MEMS管芯上方，引腳分布在兩側(cè)，分別通過金絲鍵線實(shí)現(xiàn)與MEMS結(jié)構(gòu)和管殼焊盤的電氣連接。圖1（c）為緊湊型三維垂直堆棧MCM方案（也稱為Chip-Scale Package，CSP），微結(jié)構(gòu)通過晶圓級(jí)硅通孔技術(shù)（Through-Silicon Via，TSV）或玻璃通孔技術(shù)（Through-Glass Via，TGV）將功能電極引出，ASIC通過倒裝焊的方式安裝至MEMS封帽表面，并實(shí)現(xiàn)與微結(jié)構(gòu)的電氣互聯(lián)，器件尺寸包絡(luò)一般由較大的MEMS結(jié)構(gòu)尺寸決定。此外，還有將MEMS結(jié)構(gòu)和ASIC電路單獨(dú)封裝后，再垂直堆棧集成的方案，即堆疊封裝技術(shù)（Package on Package，PoP）。

圖1 典型MCM集成方案

上述MCM方案相比而言，垂直類堆棧方案能實(shí)現(xiàn)更高的集成度、更短的信號(hào)傳輸路徑和更小的封裝體積，但系統(tǒng)集成工藝的復(fù)雜度也較高。

1.2 MCM系統(tǒng)集成技術(shù)狀況

水平或垂直MCM方案及其變種系統(tǒng)集成技術(shù)經(jīng)過多年的工程化研究與改進(jìn)，已經(jīng)相當(dāng)成熟，在當(dāng)前主流的高性能慣性器件中得到廣泛的應(yīng)用，如法國賽峰集團(tuán)Colibrys公司的高性能MEMS加速度計(jì)、挪威Sensonor公司的高精度蝶形微陀螺以及日本Silicon Sensing公司的諧振環(huán)MEMS陀螺等產(chǎn)品。

（1）水平并列MCM系統(tǒng)集成

法國Colibrys公司的MS系列加速度計(jì)采用的二維并列的MCM系統(tǒng)集成方案，具有小尺寸、高可靠性、高性能等特點(diǎn)，在國內(nèi)工業(yè)和軍工科研領(lǐng)域獲得較廣泛應(yīng)用。圖2所示為MS9000系列加速度計(jì)器件，其內(nèi)部主要由一個(gè)體硅工藝制成的MEMS結(jié)構(gòu)、一個(gè)低功耗專用信號(hào)處理ASIC電路和一個(gè)存儲(chǔ)補(bǔ)償值的微控制器等元件組成。MEMS結(jié)構(gòu)元件與ASIC并列放置，分別通過金絲鍵線連接到混合集成基板上。這里，基板不僅提供了一個(gè)高強(qiáng)度的安裝基準(zhǔn)面，也實(shí)現(xiàn)了多元件之間以及對(duì)外的電氣連接功能。該系列產(chǎn)品采用LCC20（長寬均為8.9mm）陶瓷封裝，質(zhì)量小于1.5g，功耗小于10mW，在±2g到±250g的寬量程范圍內(nèi)，均具有小于0.05% FS的零偏穩(wěn)定性，且在-40℃~125℃溫度范圍內(nèi)，全壽命周期的零位穩(wěn)定性小于5mg。

圖2 MS9000加速度計(jì)開帽照片

挪威Sensonor公司前期研制的系列蝶形高性能陀螺產(chǎn)品，一直采用MCM水平并列系統(tǒng)集成方案，且其具體配置經(jīng)歷了多個(gè)版本的改進(jìn)和優(yōu)化。早期的產(chǎn)品IBG20和IBG21（與瑞典IMEGO研究所合作研制）分別如圖3（a）和圖3（b）所示。兩款產(chǎn)品均采用了并列放置的布局和金絲鍵線連接的方式，管殼內(nèi)部的腔體與鍵線焊盤形狀均是定制的不規(guī)則狀。其中，IBG20只有一個(gè)數(shù)?；旌螦SIC電路，而IBG21的電路功能則由中間的模擬混合信號(hào)ASIC和右側(cè)的數(shù)字ASIC共同實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提升了電路噪聲水平和陀螺性能指標(biāo)。另外，IBG21可以采用水平或立式兩種焊接安裝方式，這樣在一個(gè)平面上就可以實(shí)現(xiàn)三軸角速率測量。這種獨(dú)特而實(shí)用的安裝方式沿用于后續(xù)的SAR100、SAR150、SAR250等型號(hào)產(chǎn)品。

圖3 挪威Sensonor公司系列陀螺

（2）芯片級(jí)垂直MCM系統(tǒng)集成

這種集成方式將MEMS結(jié)構(gòu)與ASIC電路芯片垂直堆棧后，通過金絲鍵線、倒裝焊、TSV/TGV方式實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)，一般需要MEMS結(jié)構(gòu)單獨(dú)氣密或真空封裝，能為ASIC提供一個(gè)放置安裝面。

如圖4所示，美國ST公司（意法半導(dǎo)體，STMicroelectronics）的三軸微加速度計(jì)LIS331DLH采用了典型的三維垂直堆棧MCM方式。LGA16封裝的尺寸僅為3mm（長）×3mm（寬）×1mm（高）。

圖4 三軸微加速度計(jì)LIS331DLH

日本Murata公司專門針對(duì)小尺寸、低功耗工業(yè)應(yīng)用需求研制了CMA3000三軸加速度計(jì)，如圖5所示，其封裝尺寸僅為2mm（長）×2mm（寬）×1mm（高），是緊湊型三維垂直堆棧集成的代表產(chǎn)品。

圖5 CMA300三軸加速度計(jì)

日本Silicon Sensing公司的產(chǎn)品CMS300，采用多功能集成方案，在單封裝內(nèi)集成了單軸陀螺和雙軸加速度計(jì)，其外觀及開帽照片分別如圖6（a）和圖6（b）所示。腔體內(nèi)右側(cè)下層為ASIC電路，上層堆棧放置單軸環(huán)式陀螺微結(jié)構(gòu)。左側(cè)為單片雙軸加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，通過金屬化的TGV將信號(hào)引出至右邊ASIC。該器件具有優(yōu)良的抗沖擊振動(dòng)能力與溫度穩(wěn)定特性，尺寸為10.4mm（長）X6mm（寬）X2.18mm（高）。

圖6 CMS300組合器件

國內(nèi)石家莊美泰電子科技有限公司的MSG系列MEMS陀螺和MSA系列MEMS加速度計(jì)，其MEMS結(jié)構(gòu)與ASIC布置采用了如圖1（b）所示的垂直堆棧方式，典型產(chǎn)品MSG9000D采用如圖7所示的LCC20陶瓷封裝，零偏穩(wěn)定性和重復(fù)性均優(yōu)于10（°）/h。從SWaP綜合來看，代表了國內(nèi)高精度慣性器件產(chǎn)品的較高水平。

圖7 美泰MSG9000D陀螺儀

（3）封裝級(jí)垂直MCM系統(tǒng)集成

封裝級(jí)垂直堆棧方案通常能為MEMS結(jié)構(gòu)提供更精密穩(wěn)定的安裝平面、更穩(wěn)定均勻的力熱環(huán)境，有利于慣性器件達(dá)到更優(yōu)的精度水平和長期穩(wěn)定性。采用這種方案的有挪威Sensonor公司的SAR500蝶形陀螺、Colibrys公司的SF系列加速度計(jì)等產(chǎn)品。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，挪威Sensonor公司在研的新代陀螺SAR500，在量程±500（°）/s的條件下，預(yù)期角度隨機(jī)游走（Angular Random Walk，ARW）能達(dá)到0.002（°）/√h，零偏重復(fù)性優(yōu)于0.1（°）/h。如圖8所示，MEMS結(jié)構(gòu)采用了常見的16引腳陶瓷管殼封裝，但獨(dú)特之處在于，該管殼中間為通透性空腔，MEMS結(jié)構(gòu)通過冗余性上下對(duì)稱鍵線連接至管殼引線焊盤后，再采用灌封膠進(jìn)行支撐固定。模擬ASIC芯片則采用了底部帶圓柱狀金屬熱沉的32引腳陶瓷管殼。封裝后的MEMS管殼再通過焊接方式，垂直堆棧于ASIC管殼上面。這種獨(dú)特的PoP配置不僅最大程度地縮短了MEMS結(jié)構(gòu)與ASIC之間的引線，也顯著降低了ASIC工作時(shí)的溫升對(duì)MEMS結(jié)構(gòu)溫度場分布的影響。

圖8 SAR500陀螺PoP系統(tǒng)集成配置

Colibrys公司的SF2000系列加速度計(jì)也采用了類似的PoP集成方案。如圖9所示，MEMS表頭結(jié)構(gòu)采用LCC28陶瓷管殼封裝后，直接堆棧焊接安裝于專用混合信號(hào)ASIC上面構(gòu)成MCM模組。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)用于地震勘探，噪聲等級(jí)低至0.3μg/√Hz，靈敏度溫度系數(shù)典型值為l.2×10-4/℃。

圖9 Colibrys公司SF2000系列加速度計(jì)

把MEMS結(jié)構(gòu)和ASIC分別放置于同一殼體的上下雙腔中，是PoP封裝方案的變種，適合于器件對(duì)力熱環(huán)境穩(wěn)定性要求較高，且敏感結(jié)構(gòu)受器件預(yù)期性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)約束，長寬尺寸難以降低的情況。

日本Silicon Sensing公司的CRG20諧振環(huán)陀螺，尺寸為9.5mm（長）×9.0mm（寬）×3.7mm（高），采用了上下雙腔的MCM變種方案，其產(chǎn)品照片和系統(tǒng)集成框圖分別如圖10和圖11所示。上側(cè)腔體中，主要有以3mm直徑硅諧振環(huán)為敏感質(zhì)量的MEMS結(jié)構(gòu)，以及堆棧放置在敏感結(jié)構(gòu)四角的4只前置放大ASIC。這些前置放大ASIC與結(jié)構(gòu)的近距離布局有助于將引線寄生電容壓到最低?；旌闲盘?hào)處理AISC和控制器放置在下側(cè)腔體中，用膠體灌封。該產(chǎn)品的系統(tǒng)集成在功能模塊劃分、物理空間布局、電氣與機(jī)械連接、力熱環(huán)境影響控制等方面均具有較高水平。

圖10 CRG20陀螺照片

圖11 CRG20陀螺系統(tǒng)集成框圖

2 基于SoC方案的異構(gòu)混合集成

與前述的MCM和通常的單片集成方案不同，基于SoC的異構(gòu)混合集成是在MEMS晶圓與ASIC晶圓分別流片加工后，再通過晶圓級(jí)鍵合實(shí)現(xiàn)器件互聯(lián)和集成封裝的。目前，這種集成方案在高性能慣性中用的較少，但代表了未來技術(shù)發(fā)展趨勢，在此進(jìn)行簡要介紹。

（1）直接鍵合的異構(gòu)混合集成

直接鍵合異構(gòu)混合集成工藝流程示意如圖12（a）~（c）所示。第一步，分別加工單晶硅MEMS敏感結(jié)構(gòu)（含側(cè)蓋帽）和基于CMOS工藝的ASIC晶圓；第二步，晶圓對(duì)準(zhǔn)、共晶鍵合；第三步，劃切露出器件焊盤和完成裂片。

圖12 MEMS與ASIC晶圓異構(gòu)集成工藝流程

美國InvenSense公司（2016年度被日本TDK收購）采用此方案生產(chǎn)的IDG2030U雙軸陀螺儀，其LGA封裝尺寸僅為2.3mm（長）×2.3mm（寬）×0.65mm（高）。

在國內(nèi)，無錫敏芯微電子聯(lián)手中芯國際在2015年初共同宣布推出了當(dāng)時(shí)全球最小封裝尺寸的三軸加速度計(jì)MSA330。該加速度計(jì)基于TSV和WLP技術(shù)，將三軸加速度敏感結(jié)構(gòu)與CMOS ASIC垂直整合，形成一個(gè)獨(dú)立的1.075mm（長）×1.075mm（寬）×0.60mm（高）的單芯片系統(tǒng)封裝。

安微北方芯動(dòng)聯(lián)科微系統(tǒng)技術(shù)有限公司團(tuán)隊(duì)，提出了基于Si導(dǎo)電柱的垂直單片集成微封裝方案。

（2）基于SOI的異構(gòu)混合集成

基于SOI片的異構(gòu)集成方案先采用粘附過渡層進(jìn)行晶圓鍵合，然后進(jìn)行打孔互聯(lián)。與直接鍵合異構(gòu)集成方案相比，由于是采用粘附層鍵合且在鍵合后再打互聯(lián)通孔，對(duì)晶圓的平面度和對(duì)準(zhǔn)要求都不高。采用這種系統(tǒng)集成方式的微慣性器件有美國mCube公司的MC3XXX系列三軸加速度計(jì)其代表型號(hào)MC3635采用LGA-10封裝，尺寸僅為1.6mm（長）×1.6mm（寬）×0.94mm（高），正常工作電流為2.8μA@100Hz。

3關(guān)鍵技術(shù)

微慣性器件不同于壓力、流體、紅外等MEMS傳感器，其性能除了對(duì)微結(jié)構(gòu)加工精度、電路噪聲等這些共性因素敏感外，也會(huì)顯著受到安裝基準(zhǔn)蠕變、溫度應(yīng)力、環(huán)境振動(dòng)沖擊等系統(tǒng)集成封裝方面的影響?；贛CM和SoC方案的硅微慣性系統(tǒng)集成涉及一體化集成方案設(shè)計(jì)與仿真分析、電路模塊化與互聯(lián)、機(jī)械互聯(lián)特性分析與控制、器件級(jí)封裝、力熱環(huán)境誤差建模與補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。

（1）微機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)微慣性器件的性能指標(biāo)要求與應(yīng)用特點(diǎn)，將MEMS微結(jié)構(gòu)的材料特性、結(jié)構(gòu)特征、幾何尺寸、力熱環(huán)境敏感特性與ASIC的功能特性、電氣指標(biāo)、電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）水平等進(jìn)行一體化最優(yōu)集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了功能協(xié)同與分配、多場耦合模擬仿真分析、機(jī)電參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化、系統(tǒng)誤差分解與抑制等目標(biāo)。

（2）電路模塊化與電氣互聯(lián)

結(jié)合微結(jié)構(gòu)的電氣特征參數(shù)，如結(jié)構(gòu)電容、諧振頻率等，采用合理模塊化的ASIC電路完成前置微弱信號(hào)檢測、信號(hào)變換與處理、分布參數(shù)優(yōu)化與噪聲抑制、與外部通信等系列功能，使MEMS微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特性得以充分體現(xiàn)甚至得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

（3）機(jī)械互聯(lián)特性分析與應(yīng)力控制

針對(duì)MEMS與ASIC粘接或共晶貼片、倒裝焊、TSV/TGV、灌封等內(nèi)部機(jī)械互聯(lián)與固定方式，進(jìn)行材料特性摸底、應(yīng)力変化機(jī)理分析與測定，并運(yùn)用多級(jí)過渡隔離或復(fù)合補(bǔ)償?shù)却胧?，降低?yīng)力對(duì)器件長期穩(wěn)定性的影響。

（4）器件級(jí)/晶圓級(jí)封裝技術(shù)

微陀螺通常要求能長期保持穩(wěn)定的高真空度，這是其正常工作并實(shí)現(xiàn)高性能的重要環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)常用的器件級(jí)真空封裝方案主要包括吸氣劑制備與激活、腔體氣壓長期穩(wěn)定性保持等相關(guān)技術(shù)。

（5）力熱環(huán)境影響機(jī)理誤差建模與補(bǔ)償

在振動(dòng)沖擊等力學(xué)環(huán)境以及寬溫區(qū)大溫變熱環(huán)境下，微慣性器件的性能指標(biāo)往往會(huì)嚴(yán)重退化。進(jìn)行力熱環(huán)境下器件零位、噪聲及長期穩(wěn)定性的變化機(jī)理分析、辨識(shí)建模與誤差補(bǔ)償，是實(shí)現(xiàn)其高性能的重要環(huán)節(jié)。

4小結(jié)與展望

1）根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，國內(nèi)開展了微慣性器件研究的代表性高校樣機(jī)仍采用PCB或分立ASIC的狀態(tài)，與國外存在較顯著的差距。這主要是由于國內(nèi)慣性與微電子學(xué)科和行業(yè)融合度不高，企業(yè)、研究院所體制機(jī)制導(dǎo)致產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不緊密，國內(nèi)微封裝核心材料及工藝水平有限等因素導(dǎo)致。

2）國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)MCM和SoC的高集成度器件研制的企業(yè)和科研院所，在一體化高集成度方案設(shè)計(jì)分析、模塊化低噪聲ASIC研制、晶圓級(jí)封裝、力熱環(huán)境影響機(jī)理分析與建模補(bǔ)償?shù)确矫?，與國外仍有一定差距。

3）作為后道總成環(huán)節(jié)，基于MCM和SoC方案將MEMS微結(jié)構(gòu)與ASIC系統(tǒng)集成，提升SWaP、精度水平、力熱環(huán)境可靠性、全生命周期穩(wěn)定性等指標(biāo)，發(fā)揮出微機(jī)電一體化器件的本質(zhì)優(yōu)勢，是國內(nèi)軍工和高端工業(yè)用微慣性器件發(fā)展的必由之路，也是提升競爭力，進(jìn)一步開拓航空航天、武器裝備等高價(jià)值市場的當(dāng)務(wù)之急。

4）隨著近幾年微慣性測量組合、Micro-PNT微系統(tǒng)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，必將對(duì)微慣性器件的SWaP提出更高要求，異構(gòu)集成及變種方案有望得到持續(xù)改進(jìn)和廣泛應(yīng)用。