2.5.2　MEMS传感器的系统级封装实例

近年来，为了满足小尺寸、高性能的发展需求，系统级封装技术在MEMS传感器领域应用广泛，在惯性传感器、微麦克风、协处理器、传感器模组等MEMS产品中都得到了广泛的应用。

1. 惯性传感器

惯性传感器主要有加速度传感器、陀螺仪（Gyroscope，又称角速度传感器）、磁力计（AHRS包括磁传感器的姿态参考系统）等：加速度传感器是一种测量载体加速度信息的传感器，通过积分，提供速度和位移信息；陀螺仪是一种用于测量旋转速度或旋转角的传感器；磁力计可以测量磁场强度和方向，确定方位。惯性传感器是实现导航定位、测姿、定向和运动载体控制的重要部件。近年来，惯性传感器已成为智能手机和可穿戴设备中的基础器件。随着智能手机的普及和可穿戴设备市场的扩大，加速度传感器、陀螺仪、磁力计（AHRS）及复合传感器等惯性传感器的需求不断扩大，在整个MEMS市场中占有重要地位。目前，系统级封装在惯性传感器中的应用已经非常普遍，主要有单一惯性传感器芯片（单轴、多轴）与ASIC集成、多惯性传感器芯片（单轴、多轴）与ASIC集成、多惯性传感器芯片与ASIC及其他传感器集成等形式。

多惯性传感器芯片集成已得到广泛应用，在一个封装体中集成多个不同种类的惯性传感器，包含多个自由度，从单一的MEMS芯片封装向多种惯性传感器和多个ASIC集成实现系统级封装的方向发展。

图2-24所示为ST公司的一款惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）产品的封装结构。从图中可以看出，该结构中包含加速度计和三轴磁力计：加速度计专用IC叠放在加速度计之上；三轴磁力计则与其专用集成电路并列布置，将这些芯片放置在PWB上，通过引线键合连接，形成一个多功能的系统级封装体。

2. 微麦克风

麦克风是一种将声音转化为电信号的换能器。MEMS麦克风的出现促进麦克风元器件的小型化。同时，MEMS促使麦克风的性能越来越好，如大信噪比、低功耗、高灵敏度等。因此，MEMS麦克风在手机、笔记本电脑、蓝牙耳机、数码相机、汽车等领域都得到广泛的应用。在微硅晶片上集成的MEMS麦克风与CMOS工艺相容，MEMS麦克风的主流封装方法是双芯片解决方案，即将声学传感器与两个接口专用IC水平组合起来进行封装集成。目前大部分封装都采用水平的基板类封装结构。随着扇出型晶圆级封装技术（FOWLP）的优势日益凸显，改进该工艺流程的麦克风MEMS封装也在不断发展。该封装首先将麦克风MEMS和处理芯片放置在载板上，经模塑后，在背面进行再布线工艺流程，最后实现系统级封装。

3. 协处理器

MEMS传感器本身存在巨大的集成动力，系统级封装可以实现多种MEMS处理器的功能集成，如智能手机中的协处理器（System Control Coprocessor，也称Sensor Hub）。协处理器是一种辅助运算芯片，用于减轻系统微处理器的负担，执行特定处理任务，尽可能多地将手机上各种希望长时间工作的传感器（温度传感器、气压传感器、加速度传感器、陀螺仪、磁力计、GPS等）信号汇聚在协处理器上，解放CPU，实现手机低功耗下的传感器常开。

4. 传感器模组

影像模块的封装主要有CSP和板上芯片（Chip on Board，COB）封装两种形式：CSP采用玻璃保护芯片感光面；COB封装则采用裸芯片，即芯片感光面没有保护措施。因此，采用COB封装模组的高度比采用CSP模组的高度低。由于没有玻璃的保护，因此COB对防尘的要求更高。此外，CSP还有光线穿透率不佳、价格较贵、背光穿透虚影等不足。

COB可进一步将镜片、感光芯片、图像信号处理器（Image Signal Processor，ISP）及柔性基板整合到一起，封测完成后可直接交付组装厂生产。COB生产过程中将晶粒直接固定到柔性基板上后，将支架和镜片固定上去，组成模块。COB的生产方式具有流程较少、成本较低等优势。

随着对手机轻薄化的要求越来越高，摄像头模组的封装形式也从CSP转变为COB封装、埋入式封装、叠层封装等更加轻薄的封装类型，分别如图2-25～图2-28所示。

指纹识别常用于人员身份的确认。指纹识别的传感方式主要包括光学传感识别和电容传感识别。移动终端主要采用电容传感识别。苹果公司于2013年9月首次在iPhone 5s手机上搭载指纹识别功能，之后其他安卓（Android）智能手机厂商跟进。指纹识别早期使用方式包括划擦式和按压式。划擦式指纹识别的传感器面积小，使用时需要用手指从传感器的表面划过后，通过拼接形成完整的指纹图像。划擦式指纹识别成本低，使用不便，现已被按压式指纹识别取代。指纹识别功能置于智能手机屏幕所在一面并与Home键结合，符合用户已有使用习惯。也有将指纹识别功能置于智能手机背面或侧面的。指纹识别模块是单独的模板。目前市场多数安卓手机采用的都是虚拟的Home键，可以将指纹识别功能置于手机屏幕一面与Home键结合，以达到更好的使用体验。虚拟的Home键要求指纹识别模块藏在触控面板下面。该技术又被称为隐藏式的指纹识别（Invisible Fingerprint Sensor，IFS）技术。随着屏占比越来越大，实体Home键也会取消，逐渐被IFS技术替代。IFS技术面临如下难点。

（1）由于手机玻璃盖板比柔性印制电路（Flexible Printed Circuit，FPC）等指纹厂商涂层（coating）方案中使用的陶瓷薄膜厚得多，因此检测信号更弱，驱动信号也更弱。这就要求增大驱动IC的信噪比，而且对软件算法要求更高。

（2）由于面板厚度增加，图像距离变远，如何把模糊的图像变得更清晰，涉及图像前处理和匹配的问题。

（3）IFS技术还存在组装难点，需要与触控面板厂商TPK共同解决贴合在一起的良率等问题。

目前市场上已有许多手机厂家推出屏下指纹识别机型。

就封装技术来看，按压式指纹识别模组经历了三个发展阶段：基于蓝宝石覆盖的封装结构；基于Molding+涂层覆盖的封装结构；隐藏于触控面板之下的指纹识别封装结构。下面给出三种指纹识别模组的封装结构示意图，分别如图2-29～图2-31所示。