MEMS封装朝向晶圆级发展

传统的MEMS长期依赖陶瓷封装，虽然行之有效，但MEMS产业已经酝酿向晶圆级封装（WLP）技术转变，而这一转变的部分驱动力则来自于越来越多的晶圆代工厂开始涉足于MEMS领域。

“TSMC（台湾新竹）和一些其他的晶圆代工厂已经在谈论在未来制造MEMS部件，” MEMS封装专家、ET-Trends（罗德岛，West Greenwich）的创始人Ken Gilleo这样介绍，“他们也同样拥有制作封装所需的资源。如果他们决定进入这一领域，他们会更倾向于直接进行晶圆级封装。因而大型晶圆代工厂可能最终成为创新型MEMS封装的主角。”

Yole Développement（法国，里昂）的一名分析师Jerome Baron说：“当前的MEMS封装市场主要由TSV和WLP技术驱动，此外从6英寸到8英寸晶圆的转变也带来了额外的推动力。”制造商可以在一个8英寸晶圆上封装数量巨大的传感器。举例来说，加速度计广泛应用于iPhone或Wii游戏机中，其中的惯性传感器面积只有5-7 mm2.Baron介绍说，使用TSV的WLP可以在一个晶圆上封装大约5000个传感器，而且这一数据在未来还会增加。

图1. MEMS可能会转向使用晶圆级封装和测试

目前存在很多种类的MEMS应用，比如MEMS陀螺仪、微镜、RF、微探针、压力传感器和一些IR传感器。MEMS微流体和微冷却等应用也即将上马。Baron预测说，“在未来的MEMS产业中，使用三维WLP对MEMS器件进行封帽操作将占很大一部分”.

根据Yole Développement的观点，这一领域最积极的参与者正是那些已经拥有200 mm fab或那些计划转型的公司。这包括Bosch（德国，Gerlingen）、STMicroelectronics（日内瓦）等IDM公司，Silex（瑞典，Jrflla）、Touch Micro-system Technology Corp.（台湾，杨梅镇）和Dalsa（加拿大，安大略）等MEMS代工厂，以及ASE（台湾，台北）、Xintec（台湾，中坜市）和 Nemotek（摩洛哥，Rabat Technolopolis Park）等提供封装服务的公司。

物流问题

Gilleo说，与传统电子电路相比，MEMS的物流存在着很大问题。加工完的MEMS晶圆尺寸可能比较大、易碎且对污染敏感，使得很难对其进行划片操作。在切割之前对表面进行覆盖或进行封帽操作则非常必要。“虽然这样保护之后并非绝对安全，但至少与没有封帽的晶圆要稳定得多”,Gilleo接着说，“经晶圆代工厂封帽过的晶圆可被运输到封装企业进行引线键合及模塑等操作，因为这时候MEMS芯片与标准的电子芯片是一样的，可进行模塑操作。封帽保护着内部的机械结构。这种方式效果相当好，以至于阻碍了晶圆级封装的发展。尽管如此，我们最终还将使用晶圆级封装，因为它可以节省成本并实现更小尺寸的封装。”

包括加速度计和微麦克风等产品在内的很多MEMS芯片，只有四到六个引脚。这将MEMS产品归入到独特的低端封装范畴，但与此同时，MEMS却对气密性有着特别的要求。“加速度计就是这样的情况”,Gilleo补充说，“在运动检测器封装方面，我想不会有太大变化，因为它们现在已经足够小巧，可以很好地放入智能手机内部”。

图2. DALSA的TSV工艺目前使用高掺杂多晶硅通孔。

Gilleo建议一些在太阳能电池方面遭受损失的一些半导体公司，可以考虑引入MEMS业务。“我想我们将会看到一些跳入太阳能电池领域的人员开始关注MEMS.既然我们已经拥有一些较大晶圆代工厂来进行MEMS器件的制作，为何不同时也进行测试和封装呢？如果在未来存在全晶圆级封装的驱动因素，那么变成更大的fab将会是一个必然趋势。”他接着说。

Yole还提到一个朝CMOS-MEMS集成方向发展的趋势，这牵涉到在纯CMOS工艺中加入MEMS结构层，这是由计划进入MEMS市场的TSMC和UMC（台湾，新竹）等晶圆代工厂推动的。CMOS集成是“一个真正的突破，因为这使得可以在单芯片上实现MEMS与ASIC的集成”,Baron说，“在现今的大多数情况下，使用体微机械加工制作的MEMS与相关的ASIC芯片是相互分离的（两个芯片的方案），因为两者的工艺差异太大，无法兼容。然而，这些CMOS晶圆代工厂正在改变MEMS与CMOS的集成方式，很快将会实现有效的CMOS-MEMS集成。”

朝着MEMS-CMOS兼容的方向，目前已经开发了一些关键技术，这包括使用XeF2刻蚀或O2等离子刻蚀在CMOS工艺中实现有效结构释放的低温、无损伤表面微机械工艺，Baron接着说。

在CMOS晶圆中采用这些工艺可以有效地集成MEMS器件，同时单个芯片可以在晶圆级使用TSV进行封装，因而最终的封装也会变得更简单，Baron这样介绍。他接着说，“如果将ASIC与MEMS集成在单个芯片上，将会降低成本和封装尺寸，同时在集成方面也实现了真正的突破”.

而另一个出现发展趋势的领域是RF MEMS.据Gilleo介绍，为使RF MEMS进入市场已经进行了10年的努力，但很多器件目前依不可靠。“对于大多数RF MEMS器件来说，在其开关位置有一个点对点的接触”,Gilleo解释说，“当你反复开关电流时，通常会有金属在接触点位置发生迁移，这会引起MEMS器件的机械磨损。”

在空间中使用的继电器也曾面临这一问题，但经过不断改进后已经变得足够可靠了。RF器件在智能手机中转向多频率应用，并朝向WiMAX和其他新型G4系统发展，因此工业界会在合适的时期采用成熟的RF MEMS（可能是一个天线开关）技术。RF MEMS需要气密性封装，整个器件需要密封，因而器件商采用传统的陶瓷封装。Gilleo介绍说，“这一领域将会发展，同时我认为传统的封装形式还会继续存在。但在未来几年里，将会发展到晶圆级封装。”

MEMS测试是另一个值得关注的领域。“我们最终将会在MEMS测试领域看到一些动作”,Gilleo说。“尽管电子测试朝向更多晶体管和更多引脚数的趋势发展，但MEMS却恰恰相反。可能只需要四个连接，因而对于MEMS来说，不会特别需要自动测试设备（ATE）。这将是一个问题。”晶圆代工厂可能选择在进行封装的同时进行测试工作。“如果你决定做整个工作，你必须也得做测试，”他表示。[!--empirenews.page--]

批量封装的改变

MEMS喷墨器件需要最小的封装，根据Gilleo介绍，该器件只需电学连接而不用芯片保护。“在这20年里，表现优异的最常见的客户定制载式自动焊（TAB）技术。该技术不需要任何新的东西，因此我们近期内在喷墨头领域将不会看到什么变化或真正的创新”,他说。

在加速度计、陀螺仪领域，Gilleo说，他相信在两三年前相应的封装已经开发得比较完备。“如果只是用于安全气囊控制，你可以将对应芯片放入陶瓷封装中，花费大约是几个美元，这对于汽车工业来说已经很好了，在具备救命潜力的安全气囊中，你不会有机会为节约一毛钱而改变封装形式，因而它们还将使用行之有效的陶瓷封装”,他这样介绍。

通过使用改进的陶瓷技术，可以进一步降低成本，工业界将采用在军品中使用了数十年的无引脚陶瓷封装载体（LCCC）技术并对其进行改进。“所发生的情况是，他们会持续地降低成本，并在最后转向使用晶圆级封帽操作，这解决了很多问题。一些公司使用塑料QFN封装，但芯片是经过气密性封帽操作的，” Gilleo介绍说。

最后，微光机电系统（MOEMS）领域也将迎来新一轮的加速发展。“高档影院将朝数字3D方向发展，这将给MOEMS带来一些驱动力。2010年将有一些使用MOEMS的手持微投影仪问世，还有可能直接在手机中嵌入微投影仪。而且，由于照相手机变得越来越复杂，我想可以看到手机相机封装和MOEMS封装的一些融合。尽管照相机并不一定需要像MEMS那样的气密性，但这两者采用的技术是相似的，”Gilleo这样介绍。

好消息是，用于MEMS封装的所有技术都已经存在，只是在目前还没有经济因素推动这个变化。“我想我们还会看到更多的旧封装形式，并未发生变化，然而当时间合适时，将会出现很多看起来非常好的晶圆级封装IP,”Gilleo这样总结。现在，我们必须等待大型fab进入这一领域，并验证MEMS领域是否真会发生向晶圆级封装的转变。