基于MCM&SOC方案的微慣性器件系統集成技術綜述

馬高印，郭中洋，劉 飛，王登順

(北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

0 引言

近年來，在智能彈藥、戰術制導導彈、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[1-2]。但是，受到配套印制電路板(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-Mechanical System，MEMS)一體化融合的本質優點。因此，有必要采用基于專用集成電路(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于性能、可靠性等方面的指標，其MEMS微結構與ASIC通常不采用高工藝復雜度的單片集成方案，而是采用以下兩種方案：一種是多芯片模塊(Multichip Module，MCM)，即微結構和ASIC芯片各自進行設計、流片加工與劃片后，通過水平并列或垂直堆棧的方式安裝在同一塊基板上，使用倒裝焊或金線鍵合的方式進行電氣連接和管腳引出；另一種是基于后道系統級芯片(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后，通過晶圓級鍵合完成器件的系統集成，然后進行劃片、封裝[3]。本文重點介紹了這兩種方案在典型微慣性產品中的應用，并對其關鍵技術進行了總結。

1 基于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，還能縮短信號路徑、減小寄生電容并改善電磁屏蔽效果。典型的MCM系統集成方式如圖1(a)～(c)所示[4-6]。圖1(a)中，MEMS和ASIC管芯通過金絲鍵線和/或倒裝焊并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)都可歸為芯片級三維垂直方式的MCM。圖1(b)方案中，ASIC管芯通常置于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Chi-Scale Package，CSP)，微結構通過晶圓級硅通孔技術(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，并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[7-8]。此外，還有將MEMS結構和ASIC電路單獨封裝后，再垂直堆棧集成的方案，即堆疊封裝技術(Package on Package，PoP)。

(a) 二維系統集成MCM方案

(b) 三維垂直系統集成方案

(c) 緊湊型三維垂直集成方案(CSP)圖1 典型MCM集成方案Fig.1 Typical MCM integrated schemes

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，但系統集成工藝的復雜度也較高[9-10]。

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)水平并列MCM系統集成

法國Colibrys公司的MS系列加速度計采用的二維并列的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硅工藝制成的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并列放置，分別通過金絲鍵線連接到混合集成基板上。這里，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。該系列產品采用LCC20(長寬均為8.9mm)陶瓷封裝，質量小于1.5g，功耗小于10mW，在±2g到±250g的寬量程范圍內，均具有小于0.05%FS的零偏穩定性，且在-40℃～125℃溫度范圍內，全壽命周期的零位穩定性小于5mg。

圖2 MS9000加速度計開帽照片Fig.2 Inside view of a MS9000 accelerometer

挪威Sensonor公司前期研制的系列蝶形高性能陀螺產品，一直采用MCM水平并列系統集成方案，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研究所合作研制)分別如圖3(a)和圖3(b)所示。兩款產品均采用了并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制的不規則狀。其中，IBG20只有一個數模混合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可以采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[11]。這種獨特而實用的安裝方式沿用于后續的SAR100、SAR150、SAR250等型號產品。

(a)IBG20陀螺

(b) IBG21陀螺

(c) SAR150陀螺圖3 挪威Sensonor公司系列陀螺Fig.3 Gyros from Norway Sensonor corp

(2)芯片級垂直MCM系統集成

這種集成方式將MEMS結構與ASIC電路芯片垂直堆棧后，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，ST Microelectronics)的三軸微加速度計LIS331DLH采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LIS331DLHFig.4 Inside view of the tri-axial micro accelerometer LIS331DLH

日本Murata公司專門針對小尺寸、低功耗工業應用需求研制了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Fig.5 CMA300 tri-axial accelerometer

日本Silicon Sensing公司的產品CMS300，采用多功能集成方案，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)×6mm(寬)×2.18mm(高)。

(a)外觀照片

(b)開帽照片圖6 CMS300組合器件Fig.6 CMS300 combo device

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布置采用了如圖1(b)所示的垂直堆棧方式，典型產品MSG9000D采用如圖7所示的LCC20陶瓷封裝，零偏穩定性和重復性均優于10(°)/h[11-12]。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Fig.7 MSG9000D gyro

(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，有利于慣性器件達到更優的精度水平和長期穩定性。采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。

圖8 SAR500陀螺PoP系統集成配置Fig.8 PoP system integration of the SAR500

圖9 Colibrys公司SF2000系列加速度計Fig.9 SF2000 accelerometer series of Colibrys Corp

把MEMS結構和ASIC分別放置于同一殼體的上下雙腔中，是PoP封裝方案的變種，適合于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[15]。

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)，采用了上下雙腔的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直徑硅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只前置放大ASIC。這些前置放大ASIC與結構的近距離布局有助于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Fig.10 CRG20 gyro

圖11 CRG20陀螺系統集成框圖Fig.11 Integration scheme of gyro CRG20

2 基于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[16-17]，基于SoC的異構混合集成是在MEMS晶圓與ASIC晶圓分別流片加工后，再通過晶圓級鍵合實現器件互聯和集成封裝的[18-19]。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[6]。第一步，分別加工單晶硅MEMS敏感結構(含側蓋帽)和基于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。

(a) MEMS與ASIC單獨流片

(b)晶圓鍵合

(c)劃切裂片圖12 MEMS與ASIC晶圓異構集成工藝流程Fig.12 Fabrication flow of heterogeneous MEMS and ASIC monolithic integration

美國Invensense公司(2016年度被日本TDK收購)采用此方案生產的IDG2030U雙軸陀螺儀，其LGA封裝尺寸僅為2.3mm(長)×2.3mm(寬)×0.65mm(高)[20]。

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。該加速度計基于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) 的單芯片系統封裝[21-23]。

安徽北方芯動聯科微系統技術有限公司團隊，提出了基于Si導電柱的垂直單片集成微封裝方案[24]。

(2)基于SOI的異構混合集成

基于SOI片的異構集成方案先采用粘附過渡層進行晶圓鍵合，然后進行打孔互聯。與直接鍵合異構集成方案相比，由于是采用粘附層鍵合且在鍵合后再打互聯通孔，對晶圓的平面度和對準要求都不高[6,23]。采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采用LGA-10封裝，尺寸僅為1.6mm(長)×1.6mm(寬)×0.94mm(高)，正常工作電流為2.8 μA@100Hz[17,25]。

3 關鍵技術

微慣性器件不同于壓力、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。基于MCM和SoC方案的硅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、結構特征、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征參數，如結構電容、諧振頻率等，采用合理模塊化的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、應力變化機理分析與測定，并運用多級過渡隔離或復合補償等措施，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，這是其正常工作并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制備與激活、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

在振動沖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[17]。

4 小結與展望

1)根據相關文獻報道[26-30]，國內開展了微慣性器件研究的代表性高校樣機仍采用PCB或分立ASIC的狀態，與國外存在較顯著的差距。這主要是由于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的高集成度器件研制的企業和科研院所，在一體化高集成度方案設計分析、模塊化低噪聲ASIC研制、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)作為后道總成環節，基于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[31]，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。