一文解析MEMS和傳感器封裝的挑戰(zhàn)

MEMS和傳感器設備推動了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在電子技術的眾多應用中部署數(shù)十億個傳感器，這將改善我們周圍的世界并改善人類狀況。實際上，當今的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。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)模部署連接設備。為此，價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)簡化的供應鏈，系統(tǒng)集成商需要開發(fā)設計套件之類的東西，以供行業(yè)設計工程師在設計特定模塊或SiP之前評估不同的系統(tǒng)配置。ASE Group有一個設計工具包（DK），可幫助設計人員縮短產(chǎn)品上市時間。

圖片由ASE提供

設計人員可以使用這樣的開發(fā)套件在四個月內(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，可以機械地保護MEMS /傳感器和電氣互連，并提供熱管理。ASE高級應用工程經(jīng)理Christophe Zinck說，針對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)?？缙脚_標準化是不可能的。他的公司將對包裝設計進行深入的仿真，然后在實際制造包裝之前將其提供給客戶以進行評估。在設計的一開始就需要考慮該封裝。

應力優(yōu)化是MEMS /傳感器設計的封裝設計的關鍵方面。仿真將演示包裝上的最大應力，查看翹曲并查看包裝由不同類型的材料組成時的性能（圖1）。

圖1LGA與WLP封裝的翹曲比較（圖片由ASE提供）

消費產(chǎn)品和智能手機等應用程序有時會將傳感器連接到玻璃上。在這里，強大的建模以及有時可能會利用現(xiàn)有平臺的設計交互建模都是必須的。Zinck說，光學制造設計（DFM）將有未來的應用，例如隨著手的運動來改變射頻。圖2給出了針對特定MEMS器件（例如慣性測量單元（IMU））的最佳封裝選擇的一個很好的例子。

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

不同的包裝技術和物料清單（BOM）選擇標準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。客戶可以在包裝解決方案中根據(jù)自己的需求選擇最佳參數(shù)。一個包不僅僅是保護。（圖片由ASE提供）

汽車是電子行業(yè)一個快速增長的市場。與大多數(shù)行業(yè)相比，該行業(yè)對其MEMS封裝要求的需求和需求有很大不同。自動駕駛汽車的趨勢正在發(fā)展，在此智能手機和短信世界中，諸如攝像頭，激光雷達和雷達等傳感器將使道路和駕駛更加安全，事故更少。自動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出現(xiàn)。

ASE的Zinck認為：“該市場具有近乎軍事般的韌性，而無需遵守MIL規(guī)范?！痹谄嚋y試中將ppm設為零可能是不可能的，但這是一種心態(tài)。SiP封裝在此領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)汽車封裝的關鍵技術包括應力隔離，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，以增強這些獨特器件的集成度，尺寸和性能（圖5）。

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

SiP封裝在汽車領域具有自己的功能和需求。屏蔽，散熱增強，堆疊式芯片和天線集成只是ASE在這個關鍵市場領域為客戶所做的工作（圖6）。

圖6SiP解決方案在汽車市場上比比皆是，可實現(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，霉菌會釋放出硫并侵蝕金屬絲。在此溫度下會出現(xiàn)新的故障模式，但在165oC以下會消失。

在智能傳感器系統(tǒng)中應用的一個很好的例子可以是具有光，接近和方向感測的小型手持式設備，或者是身體運動傳感器陣列，甚至是生理信號監(jiān)測和報告設備。設計工程師尋求增強的軟件，更好的連接性和復雜的硬件（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）

當今市場上有如此眾多的光學傳感器設計，其中一個特別增長的領域是可穿戴設備領域。針對可穿戴應用的占位面積和設備高度，出現(xiàn)了越來越多的困難規(guī)格。對更多具有硅通孔（TSV）的3D晶圓級封裝（3D WLP）的需求將使MEMS和傳感器進一步實現(xiàn)智能集成。3D WLP也正在成為可穿戴和醫(yī)療應用中的一項關鍵技術（圖8）。

圖8光學傳感器在包裝上有其自身的特殊需求，尤其是在不斷發(fā)展的可穿戴設備領域。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提供光信號分析，固件共鑒定，系統(tǒng)級測試以及唯一適合的SiP封裝設計。（圖片由ASE提供）

實際上，這里的關鍵挑戰(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的團隊協(xié)作使其成為強大的合作伙伴，其功能包括ASE組裝和測試；ASE材料組；USI供應鏈管理，系統(tǒng)設計能力，系統(tǒng)級別測試等；和ISE Labs，用于開發(fā)測試程序，測試接口硬件和工程測試服務，資格和可靠性測試以及故障分析功能。涵蓋工程設計到大批量生產(chǎn)的全套交鑰匙服務。

編輯：hfy