一文解析MEMS和传感器封装的挑战

MEMS和传感器设备推动了物联网（IoT）在电子技术的众多应用中部署数十亿个传感器，这将改善我们周围的世界并改善人类状况。实际上，当今的MEMS和传感器具有令人难以置信的功能，并通过更多的集成不断增强。它们的物理尺寸在缩小，为它们供电所需的能量不断降低。

智能模块和SiP集成将允许在IoT中大规模部署连接设备。为此，价值链中的不同解决方案提供商将需要共同努力。需要出现简化的供应链，系统集成商需要开发设计套件之类的东西，以供行业设计工程师在设计特定模块或SiP之前评估不同的系统配置。ASE Group有一个设计工具包（DK），可帮助设计人员缩短产品上市时间。

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设计人员可以使用这样的开发套件在四个月内从原型制作到生产。

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MEMS和传感器经常被遗忘的组件是物理封装，可以机械地保护MEMS /传感器和电气互连，并提供热管理。ASE高级应用工程经理Christophe Zinck说，针对不同解决方案的这些类型的封装中有很多定制化功能，特别是在MEMS中，正在出现新的工艺开发。跨平台标准化是不可能的。他的公司将对包装设计进行深入的仿真，然后在实际制造包装之前将其提供给客户以进行评估。在设计的一开始就需要考虑该封装。

应力优化是MEMS /传感器设计的封装设计的关键方面。仿真将演示包装上的最大应力，查看翘曲并查看包装由不同类型的材料组成时的性能（图1）。

图1 LGA与WLP封装的翘曲比较（图片由ASE提供）

消费产品和智能手机等应用程序有时会将传感器连接到玻璃上。在这里，强大的建模以及有时可能会利用现有平台的设计交互建模都是必须的。Zinck说，光学制造设计（DFM）将有未来的应用，例如随着手的运动来改变射频。图2给出了针对特定MEMS器件（例如惯性测量单元（IMU））的最佳封装选择的一个很好的例子。

图2封装的最大应力和整个温度的翘曲是成功获得IMU解决方案的关键因素。（图片由ASE提供）

不同的包装技术和物料清单（BOM）选择标准将确定客户所需的性能水平（图3）。

图3惯性和环境传感器有不同的需求。客户可以在包装解决方案中根据自己的需求选择最佳参数。一个包不仅仅是保护。（图片由ASE提供）

汽车是电子行业一个快速增长的市场。与大多数行业相比，该行业对其MEMS封装要求的需求和需求有很大不同。自动驾驶汽车的趋势正在发展，在此智能手机和短信世界中，诸如摄像头，激光雷达和雷达等传感器将使道路和驾驶更加安全，事故更少。自动驾驶汽车将需要大量的冗余，高集成度的包装以及更多，但是更小的包装将会出现。

ASE的Zinck认为：“该市场具有近乎军事般的韧性，而无需遵守MIL规范。” 在汽车测试中将ppm设为零可能是不可能的，但这是一种心态。SiP封装在此领域因模块化和更小的占位空间而受到青睐。旧版软件包在这里以及AEC-Q100级别中都很重要（图4）。

图4汽车遗留封装解决方案包括SOP，Unibody，DIP，芯片组，Open Cavity SOIC和LGA。传统汽车封装的关键技术包括应力隔离，软芯片连接（DA），软DA上的引线键合（WB）和凝胶涂层/填充（在汽车等恶劣环境中需要）等。（图片由ASE提供）

汽车中的MEMS的需求必须在封装方面不断发展，以增强这些独特器件的集成度，尺寸和性能（图5）。

图5汽车中的MEMS封装趋势允许更好地集成管芯，低封装应力，EMI屏蔽，更小的电路板占位空间等等。（图片由ASE提供）

SiP封装在汽车领域具有自己的功能和需求。屏蔽，散热增强，堆叠式芯片和天线集成只是ASE在这个关键市场领域为客户所做的工作（图6）。

图6 SiP解决方案在汽车市场上比比皆是，可实现屏蔽，堆叠芯片，裸芯片解决方案，集成无源组件，散热增强等功能。（图片由ASE提供）

Zinck提到在200ºC这样的汽车环境中，霉菌会释放出硫并侵蚀金属丝。在此温度下会出现新的故障模式，但在165ºC以下会消失。

在智能传感器系统中应用的一个很好的例子可以是具有光，接近和方向感测的小型手持式设备，或者是身体运动传感器阵列，甚至是生理信号监测和报告设备。设计工程师寻求增强的软件，更好的连接性和复杂的硬件（图7）。

图7智能传感器系统（包含传感器的SiP）在包装方面有非常特殊的需求。（图片由ASE提供）

当今市场上有如此众多的光学传感器设计，其中一个特别增长的领域是可穿戴设备领域。针对可穿戴应用的占位面积和设备高度，出现了越来越多的困难规格。对更多具有硅通孔（TSV）的3D晶圆级封装（3D WLP）的需求将使MEMS和传感器进一步实现智能集成。3D WLP也正在成为可穿戴和医疗应用中的一项关键技术（图8）。

图8光学传感器在包装上有其自身的特殊需求，尤其是在不断发展的可穿戴设备领域。该传感器需要与无源器件，电源管理和其他微控制器管芯等集成在一起。ASE提供光信号分析，固件共鉴定，系统级测试以及唯一适合的SiP封装设计。（图片由ASE提供）

实际上，这里的关键挑战并不涉及MEMS和传感器本身的封装。相反，主要挑战将是外包组装和测试（OSAT）社区如何有效交付最合适的体系结构，以满足客户模块和/或SiP集成需求。

ASE的团队协作使其成为强大的合作伙伴，其功能包括ASE组装和测试；ASE材料组；USI供应链管理，系统设计能力，系统级别测试等；和ISE Labs，用于开发测试程序，测试接口硬件和工程测试服务，资格和可靠性测试以及故障分析功能。涵盖工程设计到大批量生产的全套交钥匙服务。

编辑：hfy