一文解析MEMS和傳感器封裝的挑戰(zhàn)

MEMS和傳感器設(shè)備推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在電子技術(shù)的眾多應(yīng)用中部署數(shù)十億個(gè)傳感器，這將改善我們周圍的世界并改善人類狀況。實(shí)際上，當(dāng)今的MEMS和傳感器具有令人難以置信的功能，并通過更多的集成不斷增強(qiáng)。它們的物理尺寸在縮小，為它們供電所需的能量不斷降低。

智能模塊和SiP集成將允許在IoT中大規(guī)模部署連接設(shè)備。為此，價(jià)值鏈中的不同解決方案提供商將需要共同努力。需要出現(xiàn)簡(jiǎn)化的供應(yīng)鏈，系統(tǒng)集成商需要開發(fā)設(shè)計(jì)套件之類的東西，以供行業(yè)設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)特定模塊或SiP之前評(píng)估不同的系統(tǒng)配置。ASE Group有一個(gè)設(shè)計(jì)工具包（DK），可幫助設(shè)計(jì)人員縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

圖片由ASE提供

設(shè)計(jì)人員可以使用這樣的開發(fā)套件在四個(gè)月內(nèi)從原型制作到生產(chǎn)。

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MEMS和傳感器經(jīng)常被遺忘的組件是物理封裝，可以機(jī)械地保護(hù)MEMS /傳感器和電氣互連，并提供熱管理。ASE高級(jí)應(yīng)用工程經(jīng)理Christophe Zinck說，針對(duì)不同解決方案的這些類型的封裝中有很多定制化功能，特別是在MEMS中，正在出現(xiàn)新的工藝開發(fā)。跨平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化是不可能的。他的公司將對(duì)包裝設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的仿真，然后在實(shí)際制造包裝之前將其提供給客戶以進(jìn)行評(píng)估。在設(shè)計(jì)的一開始就需要考慮該封裝。

應(yīng)力優(yōu)化是MEMS /傳感器設(shè)計(jì)的封裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面。仿真將演示包裝上的最大應(yīng)力，查看翹曲并查看包裝由不同類型的材料組成時(shí)的性能（圖1）。

圖1LGA與WLP封裝的翹曲比較（圖片由ASE提供）

消費(fèi)產(chǎn)品和智能手機(jī)等應(yīng)用程序有時(shí)會(huì)將傳感器連接到玻璃上。在這里，強(qiáng)大的建模以及有時(shí)可能會(huì)利用現(xiàn)有平臺(tái)的設(shè)計(jì)交互建模都是必須的。Zinck說，光學(xué)制造設(shè)計(jì)（DFM）將有未來的應(yīng)用，例如隨著手的運(yùn)動(dòng)來改變射頻。圖2給出了針對(duì)特定MEMS器件（例如慣性測(cè)量單元（IMU））的最佳封裝選擇的一個(gè)很好的例子。

圖2封裝的最大應(yīng)力和整個(gè)溫度的翹曲是成功獲得IMU解決方案的關(guān)鍵因素。（圖片由ASE提供）

不同的包裝技術(shù)和物料清單（BOM）選擇標(biāo)準(zhǔn)將確定客戶所需的性能水平（圖3）。

圖3慣性和環(huán)境傳感器有不同的需求?？蛻艨梢栽诎b解決方案中根據(jù)自己的需求選擇最佳參數(shù)。一個(gè)包不僅僅是保護(hù)。（圖片由ASE提供）

汽車是電子行業(yè)一個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。與大多數(shù)行業(yè)相比，該行業(yè)對(duì)其MEMS封裝要求的需求和需求有很大不同。自動(dòng)駕駛汽車的趨勢(shì)正在發(fā)展，在此智能手機(jī)和短信世界中，諸如攝像頭，激光雷達(dá)和雷達(dá)等傳感器將使道路和駕駛更加安全，事故更少。自動(dòng)駕駛汽車將需要大量的冗余，高集成度的包裝以及更多，但是更小的包裝將會(huì)出現(xiàn)。

ASE的Zinck認(rèn)為：“該市場(chǎng)具有近乎軍事般的韌性，而無需遵守MIL規(guī)范?！痹谄嚋y(cè)試中將ppm設(shè)為零可能是不可能的，但這是一種心態(tài)。SiP封裝在此領(lǐng)域因模塊化和更小的占位空間而受到青睞。舊版軟件包在這里以及AEC-Q100級(jí)別中都很重要（圖4）。

圖4汽車遺留封裝解決方案包括SOP，Unibody，DIP，芯片組，Open Cavity SOIC和LGA。傳統(tǒng)汽車封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括應(yīng)力隔離，軟芯片連接（DA），軟DA上的引線鍵合（WB）和凝膠涂層/填充（在汽車等惡劣環(huán)境中需要）等。（圖片由ASE提供）

汽車中的MEMS的需求必須在封裝方面不斷發(fā)展，以增強(qiáng)這些獨(dú)特器件的集成度，尺寸和性能（圖5）。

圖5汽車中的MEMS封裝趨勢(shì)允許更好地集成管芯，低封裝應(yīng)力，EMI屏蔽，更小的電路板占位空間等等。（圖片由ASE提供）

SiP封裝在汽車領(lǐng)域具有自己的功能和需求。屏蔽，散熱增強(qiáng)，堆疊式芯片和天線集成只是ASE在這個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)領(lǐng)域?yàn)榭蛻羲龅墓ぷ鳎▓D6）。

圖6SiP解決方案在汽車市場(chǎng)上比比皆是，可實(shí)現(xiàn)屏蔽，堆疊芯片，裸芯片解決方案，集成無源組件，散熱增強(qiáng)等功能。（圖片由ASE提供）

Zinck提到在200oC這樣的汽車環(huán)境中，霉菌會(huì)釋放出硫并侵蝕金屬絲。在此溫度下會(huì)出現(xiàn)新的故障模式，但在165oC以下會(huì)消失。

在智能傳感器系統(tǒng)中應(yīng)用的一個(gè)很好的例子可以是具有光，接近和方向感測(cè)的小型手持式設(shè)備，或者是身體運(yùn)動(dòng)傳感器陣列，甚至是生理信號(hào)監(jiān)測(cè)和報(bào)告設(shè)備。設(shè)計(jì)工程師尋求增強(qiáng)的軟件，更好的連接性和復(fù)雜的硬件（圖7）。

圖7智能傳感器系統(tǒng)（包含傳感器的SiP）在包裝方面有非常特殊的需求。（圖片由ASE提供）

當(dāng)今市場(chǎng)上有如此眾多的光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)，其中一個(gè)特別增長(zhǎng)的領(lǐng)域是可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。針對(duì)可穿戴應(yīng)用的占位面積和設(shè)備高度，出現(xiàn)了越來越多的困難規(guī)格。對(duì)更多具有硅通孔（TSV）的3D晶圓級(jí)封裝（3D WLP）的需求將使MEMS和傳感器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能集成。3D WLP也正在成為可穿戴和醫(yī)療應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)（圖8）。

圖8光學(xué)傳感器在包裝上有其自身的特殊需求，尤其是在不斷發(fā)展的可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。該傳感器需要與無源器件，電源管理和其他微控制器管芯等集成在一起。ASE提供光信號(hào)分析，固件共鑒定，系統(tǒng)級(jí)測(cè)試以及唯一適合的SiP封裝設(shè)計(jì)。（圖片由ASE提供）

實(shí)際上，這里的關(guān)鍵挑戰(zhàn)并不涉及MEMS和傳感器本身的封裝。相反，主要挑戰(zhàn)將是外包組裝和測(cè)試（OSAT）社區(qū)如何有效交付最合適的體系結(jié)構(gòu)，以滿足客戶模塊和/或SiP集成需求。

ASE的團(tuán)隊(duì)協(xié)作使其成為強(qiáng)大的合作伙伴，其功能包括ASE組裝和測(cè)試；ASE材料組；USI供應(yīng)鏈管理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，系統(tǒng)級(jí)別測(cè)試等；和ISE Labs，用于開發(fā)測(cè)試程序，測(cè)試接口硬件和工程測(cè)試服務(wù)，資格和可靠性測(cè)試以及故障分析功能。涵蓋工程設(shè)計(jì)到大批量生產(chǎn)的全套交鑰匙服務(wù)。

編輯：hfy