大多数微机电系统（MEMS）设备必须与集成电路（ICs）结合使用，才能在更大的电子系统中运行。MEMS传感器通常用于感知或控制物理、光学或化学量，而ICs通常提供与这些传感器信号相关的功能，如模数转换、放大、过滤和信息处理以及MEMS传感器与外部世界之间的通信。因此，大多数商业MEMS产品（如加速度计、陀螺仪和微镜阵列）都是与ICs集成和封装在一起的。
集成和封装MEMS和IC组件的方法多种多样，选择的技术方法在很大程度上取决于设备、应用领域和商业需求。微系统与纳米工程(Microsystems & Nanoengineering)杂志于2015年5月28日发表了一篇综述文章《集成MEMS和ICs》（Integrating MEMS and ICs），回顾了传统的方法以及创新和新兴的MEMS和IC集成方法。
这些方法包括基于多芯片混合集成（多芯片解决方案）和基于晶圆级单片集成和异构集成技术的系统级芯片解决方案。这些是《国际半导体技术路线图》中描述的“超越摩尔”范式的重要技术构建块。这篇综述文章对各种方法进行了分类，讨论了它们的优缺点，还回顾了不同MEMS和IC集成方法对封装、测试和最终系统成本的影响。
单片集成的SoC解决方案
使用MEMS后处理的单片集成技术是一种流行的系统级芯片（SoC）解决方案。这种方法包括在完成的CMOS晶圆上集成MEMS结构。优点是可以利用标准的CMOS代工厂来制造CMOS晶圆，从而简化了工艺流程，并能同时在同一芯片区域内集成MEMS和CMOS结构，提高了集成密度。然而，这种方法的主要缺点是MEMS材料的沉积温度必须在CMOS晶圆的允许温度范围内，通常低于400或450°C，这限制了高性能MEMS材料的使用。
异质集成的SoC解决方案
在层转移过程中形成通孔的异质集成：在层转移过程中（如晶圆键合）形成通孔以建立机械和电气连接的技术。这种方法允许在转移前先预制MEMS组件，并在单步键合过程中进行集成和封装。其优点是能够使用高性能的MEMS材料，并且可以通过现有的代工厂基础设施支持无晶圆厂的商业模式。然而，这种方法通常需要精确的基板对准，增加了工艺复杂性，并限制了键合后的对准精度。
在层转移后形成通孔的异质集成：通过在层转移后（如晶圆键合）定义通孔来实现组件之间的机械和电气连接。这种方法的一个关键优势是允许在不需要晶圆对晶圆对准的情况下，将高性能MEMS材料与标准CMOS晶圆相结合，从而实现高精度的组件放置和极小尺寸的通孔。
上图：展示了InvenSense公司的“先通孔”异质集成平台，用于大规模制造陀螺仪产品。
上图：展示了在层转移后形成通孔的异质集成的示例，包括通过键合完成的CMOS晶圆和硅MEMS晶圆。
写在最后
不同的MEMS和IC集成方法在封装、测试和最终系统成本方面各有优劣。单片集成方法适合在低温下加工，而异质集成方法则允许使用高性能MEMS材料并实现高精度的集成。
Work Consulted:
[1] Fischer, A., Forsberg, F., Lapisa, M. et al. Integrating MEMS and ICs. Microsyst Nanoeng 1, 15005 (2015). https://doi.org/10.1038/micronano.2015.5
