MEMS封裝朝向晶圓級(jí)發(fā)展

傳統(tǒng)的MEMS長(zhǎng)期依賴陶瓷封裝，雖然行之有效，但MEMS產(chǎn)業(yè)已經(jīng)醞釀向晶圓級(jí)封裝（WLP）技術(shù)轉(zhuǎn)變，而這一轉(zhuǎn)變的部分驅(qū)動(dòng)力則來自于越來越多的晶圓代工廠開始涉足于MEMS領(lǐng)域。

“TSMC（臺(tái)灣新竹）和一些其他的晶圓代工廠已經(jīng)在談?wù)撛谖磥碇圃霱EMS部件，” MEMS封裝專家、ET-Trends（羅德島，West Greenwich）的創(chuàng)始人Ken Gilleo這樣介紹，“他們也同樣擁有制作封裝所需的資源。如果他們決定進(jìn)入這一領(lǐng)域，他們會(huì)更傾向于直接進(jìn)行晶圓級(jí)封裝。因而大型晶圓代工廠可能最終成為創(chuàng)新型MEMS封裝的主角。”

Yole Développement（法國(guó)，里昂）的一名分析師Jerome Baron說：“當(dāng)前的MEMS封裝市場(chǎng)主要由TSV和WLP技術(shù)驅(qū)動(dòng)，此外從6英寸到8英寸晶圓的轉(zhuǎn)變也帶來了額外的推動(dòng)力。”制造商可以在一個(gè)8英寸晶圓上封裝數(shù)量巨大的傳感器。舉例來說，加速度計(jì)廣泛應(yīng)用于iPhone或Wii游戲機(jī)中，其中的慣性傳感器面積只有5-7 mm2.Baron介紹說，使用TSV的WLP可以在一個(gè)晶圓上封裝大約5000個(gè)傳感器，而且這一數(shù)據(jù)在未來還會(huì)增加。

圖1. MEMS可能會(huì)轉(zhuǎn)向使用晶圓級(jí)封裝和測(cè)試

目前存在很多種類的MEMS應(yīng)用，比如MEMS陀螺儀、微鏡、RF、微探針、壓力傳感器和一些IR傳感器。MEMS微流體和微冷卻等應(yīng)用也即將上馬。Baron預(yù)測(cè)說，“在未來的MEMS產(chǎn)業(yè)中，使用三維WLP對(duì)MEMS器件進(jìn)行封帽操作將占很大一部分”.

根據(jù)Yole Développement的觀點(diǎn)，這一領(lǐng)域最積極的參與者正是那些已經(jīng)擁有200 mm fab或那些計(jì)劃轉(zhuǎn)型的公司。這包括Bosch（德國(guó)，Gerlingen）、STMicroelectronics（日內(nèi)瓦）等IDM公司，Silex（瑞典，Jrflla）、Touch Micro-system Technology Corp.（臺(tái)灣，楊梅鎮(zhèn)）和Dalsa（加拿大，安大略）等MEMS代工廠，以及ASE（臺(tái)灣，臺(tái)北）、Xintec（臺(tái)灣，中壢市）和 Nemotek（摩洛哥，Rabat Technolopolis Park）等提供封裝服務(wù)的公司。

物流問題

Gilleo說，與傳統(tǒng)電子電路相比，MEMS的物流存在著很大問題。加工完的MEMS晶圓尺寸可能比較大、易碎且對(duì)污染敏感，使得很難對(duì)其進(jìn)行劃片操作。在切割之前對(duì)表面進(jìn)行覆蓋或進(jìn)行封帽操作則非常必要。“雖然這樣保護(hù)之后并非絕對(duì)安全，但至少與沒有封帽的晶圓要穩(wěn)定得多”,Gilleo接著說，“經(jīng)晶圓代工廠封帽過的晶圓可被運(yùn)輸?shù)椒庋b企業(yè)進(jìn)行引線鍵合及模塑等操作，因?yàn)檫@時(shí)候MEMS芯片與標(biāo)準(zhǔn)的電子芯片是一樣的，可進(jìn)行模塑操作。封帽保護(hù)著內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種方式效果相當(dāng)好，以至于阻礙了晶圓級(jí)封裝的發(fā)展。盡管如此，我們最終還將使用晶圓級(jí)封裝，因?yàn)樗梢怨?jié)省成本并實(shí)現(xiàn)更小尺寸的封裝。”

包括加速度計(jì)和微麥克風(fēng)等產(chǎn)品在內(nèi)的很多MEMS芯片，只有四到六個(gè)引腳。這將MEMS產(chǎn)品歸入到獨(dú)特的低端封裝范疇，但與此同時(shí)，MEMS卻對(duì)氣密性有著特別的要求。“加速度計(jì)就是這樣的情況”,Gilleo補(bǔ)充說，“在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器封裝方面，我想不會(huì)有太大變化，因?yàn)樗鼈儸F(xiàn)在已經(jīng)足夠小巧，可以很好地放入智能手機(jī)內(nèi)部”。

圖2. DALSA的TSV工藝目前使用高摻雜多晶硅通孔。

Gilleo建議一些在太陽(yáng)能電池方面遭受損失的一些半導(dǎo)體公司，可以考慮引入MEMS業(yè)務(wù)。“我想我們將會(huì)看到一些跳入太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的人員開始關(guān)注MEMS.既然我們已經(jīng)擁有一些較大晶圓代工廠來進(jìn)行MEMS器件的制作，為何不同時(shí)也進(jìn)行測(cè)試和封裝呢？如果在未來存在全晶圓級(jí)封裝的驅(qū)動(dòng)因素，那么變成更大的fab將會(huì)是一個(gè)必然趨勢(shì)。”他接著說。

Yole還提到一個(gè)朝CMOS-MEMS集成方向發(fā)展的趨勢(shì)，這牽涉到在純CMOS工藝中加入MEMS結(jié)構(gòu)層，這是由計(jì)劃進(jìn)入MEMS市場(chǎng)的TSMC和UMC（臺(tái)灣，新竹）等晶圓代工廠推動(dòng)的。CMOS集成是“一個(gè)真正的突破，因?yàn)檫@使得可以在單芯片上實(shí)現(xiàn)MEMS與ASIC的集成”,Baron說，“在現(xiàn)今的大多數(shù)情況下，使用體微機(jī)械加工制作的MEMS與相關(guān)的ASIC芯片是相互分離的（兩個(gè)芯片的方案），因?yàn)閮烧叩墓に嚥町愄?，無(wú)法兼容。然而，這些CMOS晶圓代工廠正在改變MEMS與CMOS的集成方式，很快將會(huì)實(shí)現(xiàn)有效的CMOS-MEMS集成。”

朝著MEMS-CMOS兼容的方向，目前已經(jīng)開發(fā)了一些關(guān)鍵技術(shù)，這包括使用XeF2刻蝕或O2等離子刻蝕在CMOS工藝中實(shí)現(xiàn)有效結(jié)構(gòu)釋放的低溫、無(wú)損傷表面微機(jī)械工藝，Baron接著說。

在CMOS晶圓中采用這些工藝可以有效地集成MEMS器件，同時(shí)單個(gè)芯片可以在晶圓級(jí)使用TSV進(jìn)行封裝，因而最終的封裝也會(huì)變得更簡(jiǎn)單，Baron這樣介紹。他接著說，“如果將ASIC與MEMS集成在單個(gè)芯片上，將會(huì)降低成本和封裝尺寸，同時(shí)在集成方面也實(shí)現(xiàn)了真正的突破”.

而另一個(gè)出現(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)的領(lǐng)域是RF MEMS.據(jù)Gilleo介紹，為使RF MEMS進(jìn)入市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)行了10年的努力，但很多器件目前依不可靠。“對(duì)于大多數(shù)RF MEMS器件來說，在其開關(guān)位置有一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接觸”,Gilleo解釋說，“當(dāng)你反復(fù)開關(guān)電流時(shí)，通常會(huì)有金屬在接觸點(diǎn)位置發(fā)生遷移，這會(huì)引起MEMS器件的機(jī)械磨損。”

在空間中使用的繼電器也曾面臨這一問題，但經(jīng)過不斷改進(jìn)后已經(jīng)變得足夠可靠了。RF器件在智能手機(jī)中轉(zhuǎn)向多頻率應(yīng)用，并朝向WiMAX和其他新型G4系統(tǒng)發(fā)展，因此工業(yè)界會(huì)在合適的時(shí)期采用成熟的RF MEMS（可能是一個(gè)天線開關(guān)）技術(shù)。RF MEMS需要?dú)饷苄苑庋b，整個(gè)器件需要密封，因而器件商采用傳統(tǒng)的陶瓷封裝。Gilleo介紹說，“這一領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)展，同時(shí)我認(rèn)為傳統(tǒng)的封裝形式還會(huì)繼續(xù)存在。但在未來幾年里，將會(huì)發(fā)展到晶圓級(jí)封裝。”

MEMS測(cè)試是另一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。“我們最終將會(huì)在MEMS測(cè)試領(lǐng)域看到一些動(dòng)作”,Gilleo說。“盡管電子測(cè)試朝向更多晶體管和更多引腳數(shù)的趨勢(shì)發(fā)展，但MEMS卻恰恰相反?？赡苤恍枰膫€(gè)連接，因而對(duì)于MEMS來說，不會(huì)特別需要自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）。這將是一個(gè)問題。”晶圓代工廠可能選擇在進(jìn)行封裝的同時(shí)進(jìn)行測(cè)試工作。“如果你決定做整個(gè)工作，你必須也得做測(cè)試，”他表示。[!--empirenews.page--]

批量封裝的改變

MEMS噴墨器件需要最小的封裝，根據(jù)Gilleo介紹，該器件只需電學(xué)連接而不用芯片保護(hù)。“在這20年里，表現(xiàn)優(yōu)異的最常見的客戶定制載式自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)。該技術(shù)不需要任何新的東西，因此我們近期內(nèi)在噴墨頭領(lǐng)域?qū)⒉粫?huì)看到什么變化或真正的創(chuàng)新”,他說。

在加速度計(jì)、陀螺儀領(lǐng)域，Gilleo說，他相信在兩三年前相應(yīng)的封裝已經(jīng)開發(fā)得比較完備。“如果只是用于安全氣囊控制，你可以將對(duì)應(yīng)芯片放入陶瓷封裝中，花費(fèi)大約是幾個(gè)美元，這對(duì)于汽車工業(yè)來說已經(jīng)很好了，在具備救命潛力的安全氣囊中，你不會(huì)有機(jī)會(huì)為節(jié)約一毛錢而改變封裝形式，因而它們還將使用行之有效的陶瓷封裝”,他這樣介紹。

通過使用改進(jìn)的陶瓷技術(shù)，可以進(jìn)一步降低成本，工業(yè)界將采用在軍品中使用了數(shù)十年的無(wú)引腳陶瓷封裝載體（LCCC）技術(shù)并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。“所發(fā)生的情況是，他們會(huì)持續(xù)地降低成本，并在最后轉(zhuǎn)向使用晶圓級(jí)封帽操作，這解決了很多問題。一些公司使用塑料QFN封裝，但芯片是經(jīng)過氣密性封帽操作的，” Gilleo介紹說。

最后，微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）領(lǐng)域也將迎來新一輪的加速發(fā)展。“高檔影院將朝數(shù)字3D方向發(fā)展，這將給MOEMS帶來一些驅(qū)動(dòng)力。2010年將有一些使用MOEMS的手持微投影儀問世，還有可能直接在手機(jī)中嵌入微投影儀。而且，由于照相手機(jī)變得越來越復(fù)雜，我想可以看到手機(jī)相機(jī)封裝和MOEMS封裝的一些融合。盡管照相機(jī)并不一定需要像MEMS那樣的氣密性，但這兩者采用的技術(shù)是相似的，”Gilleo這樣介紹。

好消息是，用于MEMS封裝的所有技術(shù)都已經(jīng)存在，只是在目前還沒有經(jīng)濟(jì)因素推動(dòng)這個(gè)變化。“我想我們還會(huì)看到更多的舊封裝形式，并未發(fā)生變化，然而當(dāng)時(shí)間合適時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)很多看起來非常好的晶圓級(jí)封裝IP,”Gilleo這樣總結(jié)?，F(xiàn)在，我們必須等待大型fab進(jìn)入這一領(lǐng)域，并驗(yàn)證MEMS領(lǐng)域是否真會(huì)發(fā)生向晶圓級(jí)封裝的轉(zhuǎn)變。