關於微慣性器件MEMS與ASIC系統集成關鍵技術的分析

關於微慣性器件MEMS與ASIC系統集成關鍵技術的分析

《導航定位與授時 發表於 2019-12-01 10:02:51

近年來，在航空航天、武器裝備、高端工業等領域的制導、控制等應用需求的牽引下，微慣性器件的尺寸、質量與功耗（SWaP）指標不斷提升，配套電路由PCB逐步升級為ASIC。綜合工藝複雜度、成本、性能潛力等因素，基於MCM和SoC的MEMS結構與ASIC系統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結構與ASIC的MCM&SoC系統集成技術現狀，並對各集成方案特點進行了分析對比。此外，對微慣性器件MEMS與ASIC系統集成的關鍵技術進行了總結。最後，簡要分析了國內外差距並展望了下一步發展趨勢。

0 引言

近年來，在智能彈藥、戰術制導飛彈、微小衛星、無人機等精確制導和姿態控制等需求的牽引下，國內微小型慣性器件的精度水平逐步提升至戰術級，由其構成的制導/導航與控制（Guidance Navigation and Control，GNC）部組件或分系統，在信息化武器裝備、航空航天、高端工業等領域發揮出越來越大的作用。但是，受到配套印製電路板（Printed Circuit Board，PCB）電路的影響，其尺寸、質量與功耗（Size，Weight and Power，SWaP）等指標難以進一步提升，不能充分體現微機電系統（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）一體化融合的本質優點。因此，有必要採用基於專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）的系統集成方案，解決限制微慣性器件發展應用SWaP方面的瓶頸問題。

與消費電子類微慣性器件不同，軍工或高端工業中應用的微慣性器件多側重於性能、可靠性等方面的指標，其MEMS微結構與ASIC通常不採用高工藝複雜度的單片集成方案，而是採用以下兩種方案：一種是多晶片模塊（Multichip Module，MCM）即微結構和ASIC晶片各自進行設計、流片加工與劃片後，通過水平並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行電氣連接和管腳引出；另一種是基於後道系統級晶片（System on Chip，SoC）的異構集成，即MEMS與ASIC各自完成或接近完成晶圓流片後，通過晶圓級鍵合完成器件的系統集成，然後進行劃片、封裝。本文重點介紹了這兩種方案在典型微慣性產品中的應用，並對其關鍵技術進行了總結。

1 基於MCM方案的系統集成

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現MEMS結構與ASIC系統的集成，與PCB方案相比，除了大幅改善SWaP指標之外，還能縮簡訊號路徑、減小寄生電容並改善電磁屏蔽效果。典型的MCM系統集成方式如圖1（a）~（c）所示。圖1（a）中，MEMS和ASIC管芯通過金絲鍵線和/或倒裝焊並列安裝在同一基板上，基板再以倒裝焊的方式引出信號至封裝管殼。金絲鍵線方式僅能起到電氣連接的作用，而倒裝焊則能同時實現電氣連接與貼片固定的功能。圖1（b）和（c）都可歸為晶片級三維垂直方式的MCM。圖1（b）方案中，ASIC管芯通常置於MEMS管芯上方，引腳分布在兩側，分別通過金絲鍵線實現與MEMS結構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），微結構通過晶圓級矽通孔技術（Through-Silicon Via，TSV）或玻璃通孔技術（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，並實現與微結構的電氣互聯，器件尺寸包絡一般由較大的MEMS結構尺寸決定。此外，還有將MEMS結構和ASIC電路單獨封裝後，再垂直堆棧集成的方案，即堆疊封裝技術（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現更高的集成度、更短的信號傳輸路徑和更小的封裝體積，但系統集成工藝的複雜度也較高。

1.2 MCM系統集成技術狀況

水平或垂直MCM方案及其變種系統集成技術經過多年的工程化研究與改進，已經相當成熟，在當前主流的高性能慣性器件中得到廣泛的應用，如法國賽峰集團Colibrys公司的高性能MEMS加速度計、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MEMS陀螺等產品。

（1）水平並列MCM系統集成

法國Colibrys公司的MS系列加速度計採用的二維並列的MCM系統集成方案，具有小尺寸、高可靠性、高性能等特點，在國內工業和軍工科研領域獲得較廣泛應用。圖2所示為MS9000系列加速度計器件，其內部主要由一個體矽工藝製成的MEMS結構、一個低功耗專用信號處理ASIC電路和一個存儲補償值的微控制器等元件組成。MEMS結構元件與ASIC並列放置，分別通過金絲鍵線連接到混合集成基板上。這裡，基板不僅提供了一個高強度的安裝基準面，也實現了多元件之間以及對外的電氣連接功能。該系列產品採用LCC20（長寬均為8.9mm）陶瓷封裝，質量小於1.5g，功耗小於10mW，在±2g到±250g的寬量程範圍內，均具有小於0.05% FS的零偏穩定性，且在-40℃~125℃溫度範圍內，全壽命周期的零位穩定性小於5mg。

圖2 MS9000加速度計開帽照片

挪威Sensonor公司前期研製的系列蝶形高性能陀螺產品，一直採用MCM水平並列系統集成方案，且其具體配置經歷了多個版本的改進和優化。早期的產品IBG20和IBG21（與瑞典IMEGO研究所合作研製）分別如圖3（a）和圖3（b）所示。兩款產品均採用了並列放置的布局和金絲鍵線連接的方式，管殼內部的腔體與鍵線焊盤形狀均是定製的不規則狀。其中，IBG20隻有一個數模混合ASIC電路，而IBG21的電路功能則由中間的模擬混合信號ASIC和右側的數字ASIC共同實現，進一步提升了電路噪聲水平和陀螺性能指標。另外，IBG21可以採用水平或立式兩種焊接安裝方式，這樣在一個平面上就可以實現三軸角速率測量。這種獨特而實用的安裝方式沿用於後續的SAR100、SAR150、SAR250等型號產品。

圖3 挪威Sensonor公司系列陀螺

（2）晶片級垂直MCM系統集成

這種集成方式將MEMS結構與ASIC電路晶片垂直堆棧後，通過金絲鍵線、倒裝焊、TSV/TGV方式實現電氣互聯，一般需要MEMS結構單獨氣密或真空封裝，能為ASIC提供一個放置安裝面。

如圖4所示，美國ST公司（意法半導體，STMicroelectronics）的三軸微加速度計LIS331DLH採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LIS331DLH

日本Murata公司專門針對小尺寸、低功耗工業應用需求研製了CMA3000三軸加速度計，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品。

圖5 CMA300三軸加速度計

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

圖6 CMS300組合器件

國內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，其MEMS結構與ASIC布置採用了如圖1（b）所示的垂直堆棧方式，典型產品MSG9000D採用如圖7所示的LCC20陶瓷封裝，零偏穩定性和重複性均優於10（°）/h。從SWaP綜合來看，代表了國內高精度慣性器件產品的較高水平。

圖7 美泰MSG9000D陀螺儀

（3）封裝級垂直MCM系統集成

封裝級垂直堆棧方案通常能為MEMS結構提供更精密穩定的安裝平面、更穩定均勻的力熱環境，有利於慣性器件達到更優的精度水平和長期穩定性。採用這種方案的有挪威Sensonor公司的SAR500蝶形陀螺、Colibrys公司的SF系列加速度計等產品。

據文獻報導，挪威Sensonor公司在研的新代陀螺SAR500，在量程±500（°）/s的條件下，預期角度隨機遊走（Angular Random Walk，ARW）能達到0.002（°）/√h，零偏重複性優於0.1（°）/h。如圖8所示，MEMS結構採用了常見的16引腳陶瓷管殼封裝，但獨特之處在於，該管殼中間為通透性空腔，MEMS結構通過冗餘性上下對稱鍵線連接至管殼引線焊盤後，再採用灌封膠進行支撐固定。模擬ASIC晶片則採用了底部帶圓柱狀金屬熱沉的32引腳陶瓷管殼。封裝後的MEMS管殼再通過焊接方式，垂直堆棧於ASIC管殼上面。這種獨特的PoP配置不僅最大程度地縮短了MEMS結構與ASIC之間的引線，也顯著降低了ASIC工作時的溫升對MEMS結構溫度場分布的影響。

圖8 SAR500陀螺PoP系統集成配置

Colibrys公司的SF2000系列加速度計也採用了類似的PoP集成方案。如圖9所示，MEMS表頭結構採用LCC28陶瓷管殼封裝後，直接堆棧焊接安裝於專用混合信號ASIC上面構成MCM模組。該產品設計用於地震勘探，噪聲等級低至0.3μg/√Hz，靈敏度溫度係數典型值為l.2×10-4/℃。

圖9 Colibrys公司SF2000系列加速度計

把MEMS結構和ASIC分別放置於同一殼體的上下雙腔中，是PoP封裝方案的變種，適合於器件對力熱環境穩定性要求較高，且敏感結構受器件預期性能指標的設計約束，長寬尺寸難以降低的情況。

日本Silicon Sensing公司的CRG20諧振環陀螺，尺寸為9.5mm（長）×9.0mm（寬）×3.7mm（高），採用了上下雙腔的MCM變種方案，其產品照片和系統集成框圖分別如圖10和圖11所示。上側腔體中，主要有以3mm直徑矽諧振環為敏感質量的MEMS結構，以及堆棧放置在敏感結構四角的4隻前置放大ASIC。這些前置放大ASIC與結構的近距離布局有助於將引線寄生電容壓到最低。混合信號處理AISC和控制器放置在下側腔體中，用膠體灌封。該產品的系統集成在功能模塊劃分、物理空間布局、電氣與機械連接、力熱環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陀螺系統集成框圖

2 基於SoC方案的異構混合集成

與前述的MCM和通常的單片集成方案不同，基於SoC的異構混合集成是在MEMS晶圓與ASIC晶圓分別流片加工後，再通過晶圓級鍵合實現器件互聯和集成封裝的。目前，這種集成方案在高性能慣性中用的較少，但代表了未來技術發展趨勢，在此進行簡要介紹。

（1）直接鍵合的異構混合集成

直接鍵合異構混合集成工藝流程示意如圖12（a）~（c）所示。第一步，分別加工單晶矽MEMS敏感結構（含側蓋帽）和基於CMOS工藝的ASIC晶圓；第二步，晶圓對準、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晶圓異構集成工藝流程

美國InvenSense公司（2016年度被日本TDK收購）採用此方案生產的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，無錫敏芯微電子聯手中芯國際在2015年初共同宣布推出了當時全球最小封裝尺寸的三軸加速度計MSA330。該加速度計基於TSV和WLP技術，將三軸加速度敏感結構與CMOS ASIC垂直整合，形成一個獨立的1.075mm（長）×1.075mm（寬）×0.60mm（高）的單晶片系統封裝。

安微北方芯動聯科微系統技術有限公司團隊，提出了基於Si導電柱的垂直單片集成微封裝方案。

（2）基於SOI的異構混合集成

基於SOI片的異構集成方案先採用粘附過渡層進行晶圓鍵合，然後進行打孔互聯。與直接鍵合異構集成方案相比，由於是採用粘附層鍵合且在鍵合後再打互聯通孔，對晶圓的平面度和對準要求都不高。採用這種系統集成方式的微慣性器件有美國mCube公司的MC3XXX系列三軸加速度計其代表型號MC3635採用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 關鍵技術

微慣性器件不同於壓力、流體、紅外等MEMS傳感器，其性能除了對微結構加工精度、電路噪聲等這些共性因素敏感外，也會顯著受到安裝基準蠕變、溫度應力、環境振動沖擊等系統集成封裝方面的影響。基於MCM和SoC方案的矽微慣性系統集成涉及一體化集成方案設計與仿真分析、電路模塊化與互聯、機械互聯特性分析與控制、器件級封裝、力熱環境誤差建模與補償等關鍵技術。

（1）微機電一體化集成設計與仿真

根據微慣性器件的性能指標要求與應用特點，將MEMS微結構的材料特性、結構特徵、幾何尺寸、力熱環境敏感特性與ASIC的功能特性、電氣指標、電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）水平等進行一體化最優集成設計，實現了功能協同與分配、多場耦合模擬仿真分析、機電參數聯合優化、系統誤差分解與抑制等目標。

（2）電路模塊化與電氣互聯

結合微結構的電氣特徵參數，如結構電容、諧振頻率等，採用合理模塊化的ASIC電路完成前置微弱信號檢測、信號變換與處理、分布參數優化與噪聲抑制、與外部通信等系列功能，使MEMS微結構的設計特性得以充分體現甚至得到進一步加強。

（3）機械互聯特性分析與應力控制

針對MEMS與ASIC粘接或共晶貼片、倒裝焊、TSV/TGV、灌封等內部機械互聯與固定方式，進行材料特性摸底、應力変化機理分析與測定，並運用多級過渡隔離或複合補償等措施，降低應力對器件長期穩定性的影響。

（4）器件級/晶圓級封裝技術

微陀螺通常要求能長期保持穩定的高真空度，這是其正常工作並實現高性能的重要環節。目前，國內常用的器件級真空封裝方案主要包括吸氣劑製備與激活、腔體氣壓長期穩定性保持等相關技術。

（5）力熱環境影響機理誤差建模與補償

在振動衝擊等力學環境以及寬溫區大溫變熱環境下，微慣性器件的性能指標往往會嚴重退化。進行力熱環境下器件零位、噪聲及長期穩定性的變化機理分析、辨識建模與誤差補償，是實現其高性能的重要環節。

4 小結與展望

1）根據相關文獻報導，國內開展了微慣性器件研究的代表性高校樣機仍採用PCB或分立ASIC的狀態，與國外存在較顯著的差距。這主要是由於國內慣性與微電子學科和行業融合度不高，企業、研究院所體制機制導致產學研結合不緊密，國內微封裝核心材料及工藝水平有限等因素導致。

2）國內已實現MCM和SoC的高集成度器件研製的企業和科研院所，在一體化高集成度方案設計分析、模塊化低噪聲ASIC研製、晶圓級封裝、力熱環境影響機理分析與建模補償等方面，與國外仍有一定差距。

3）作為後道總成環節，基於MCM和SoC方案將MEMS微結構與ASIC系統集成，提升SWaP、精度水平、力熱環境可靠性、全生命周期穩定性等指標，發揮出微機電一體化器件的本質優勢，是國內軍工和高端工業用微慣性器件發展的必由之路，也是提升競爭力，進一步開拓航空航天、武器裝備等高價值市場的當務之急。

4）隨著近幾年微慣性測量組合、Micro-PNT微系統的迅速發展和應用，必將對微慣性器件的SWaP提出更高要求，異構集成及變種方案有望得到持續改進和廣泛應用。

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