垂直分工體系成形 MEMS封裝加速邁向標(biāo)準(zhǔn)化
[導(dǎo)讀]MEMS封裝技術(shù)正迅速朝標(biāo)準(zhǔn)化邁進(jìn)。為滿足行動(dòng)裝置、消費(fèi)性電子對(duì)成本的要求，MEMS元件業(yè)者已開始舍棄過(guò)往客制化的封裝設(shè)計(jì)方式，積極與晶圓廠、封裝廠和基板供應(yīng)商合作，發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)封裝技術(shù)與方案，讓MEMS元件封裝的垂
MEMS封裝技術(shù)正迅速朝標(biāo)準(zhǔn)化邁進(jìn)。為滿足行動(dòng)裝置、消費(fèi)性電子對(duì)成本的要求，MEMS元件業(yè)者已開始舍棄過(guò)往客制化的封裝設(shè)計(jì)方式，積極與晶圓廠、封裝廠和基板供應(yīng)商合作，發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)封裝技術(shù)與方案，讓MEMS元件封裝的垂直分工生態(tài)系統(tǒng)更趨成熟。
Yole Developpement共同創(chuàng)辦人Eric Mounier
隨著智慧型手機(jī)或其他消費(fèi)性電子裝置大舉導(dǎo)入微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測(cè)器，MEMS封裝產(chǎn)值已顯著增長(zhǎng)，在未來(lái)幾年內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到整體IC產(chǎn)業(yè)的5%，比重大幅攀升。由于大量消費(fèi)應(yīng)用的快速成長(zhǎng)和逐漸集中在某些裝置，將導(dǎo)致MEMS封裝技術(shù)成為市場(chǎng)決勝關(guān)鍵，相關(guān)業(yè)者必須投入發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)封裝方案，方能持續(xù)壓低元件尺寸及量產(chǎn)成本。
MEMS出貨需求激增 半導(dǎo)體封裝廠迎新商機(jī)
MEMS封裝產(chǎn)業(yè)的規(guī)模在2012年已達(dá)16億美元，總共出貨七十多億顆晶片，且市場(chǎng)需求正快速增加，2010～2016年整個(gè)MEMS封裝產(chǎn)值的年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到20%，至2016年出貨量將上看一百四十億顆。不過(guò)，低成本消費(fèi)性電子產(chǎn)品逐漸主導(dǎo)MEMS市場(chǎng)，也為相關(guān)業(yè)者帶來(lái)價(jià)格壓力，將使?fàn)I收的CAGR僅有10%，至2016年將達(dá)到26億美元(圖1)。
無(wú)論哪一種計(jì)算方式，MEMS封裝市場(chǎng)的成長(zhǎng)率仍比主流IC封裝多出約一倍的幅度，雖然MEMS包含各式各樣的產(chǎn)品，元件特性與封裝需求也天差地別，但近來(lái)MEMS市場(chǎng)已逐漸被特定裝置主導(dǎo)，如消費(fèi)性應(yīng)用目前占整體MEMS營(yíng)收50%以上，四大主要裝置包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)和麥克風(fēng)，出貨占比已超過(guò)所有MEMS出貨量的一半。
圖1 2010～2016年MEMS封裝產(chǎn)值成長(zhǎng)預(yù)測(cè)
因應(yīng)消費(fèi)性電子的大量需求，未來(lái)MEMS封裝技術(shù)將朝標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)，為產(chǎn)業(yè)帶來(lái)許多改變的空間。盡管目前封測(cè)代工廠至今只占40%的MEMS封裝業(yè)務(wù)(以金額計(jì))，而整合元件制造商(IDM)則主導(dǎo)大半市場(chǎng)，后者依靠專業(yè)封裝技術(shù)達(dá)成產(chǎn)品區(qū)隔；但是，隨著MEMS在消費(fèi)性應(yīng)用領(lǐng)域的出貨量遽增，將驅(qū)動(dòng)更多制造商外包封裝及裝配業(yè)務(wù)，建立垂直分工的供應(yīng)鏈，為半導(dǎo)體封測(cè)廠引來(lái)更多商機(jī)。
價(jià)格在這些消費(fèi)市場(chǎng)當(dāng)然也很重要，而制造商藉由不斷減少晶片大小，已大幅降低制造成本?，F(xiàn)階段，消費(fèi)性應(yīng)用的MEMS封裝尺寸大多為2毫米(mm)×2毫米，高度上限則為1毫米，且還會(huì)持續(xù)縮小。以應(yīng)用廣泛的MEMS加速度計(jì)為例，由于封裝占制造成本約35～45%，促使業(yè)界揚(yáng)棄對(duì)每個(gè)裝置做客制化封裝服務(wù)，而迎向更標(biāo)準(zhǔn)的封裝類別，因此在類似裝置上大多可重復(fù)使用，加速新世代的發(fā)展。
另一方面，行動(dòng)裝置或消費(fèi)性電子的成本及功能設(shè)計(jì)需求，也驅(qū)動(dòng)慣性感測(cè)器由分離式封裝轉(zhuǎn)向多晶片整合模組。主要原因系系統(tǒng)廠要求能有效管理感測(cè)器資料，以減少感測(cè)誤差，因此MEMS供應(yīng)商須提供更短、更快的各種MEMS元件連接方案。
這些新興組合元件未來(lái)將是慣性感測(cè)器市場(chǎng)主要成長(zhǎng)動(dòng)力，因而產(chǎn)生新的封裝、裝配及測(cè)試需求，如模組須以高良率的裸晶裝配才能符合經(jīng)濟(jì)效益，而測(cè)試及交叉校正則須提高至六個(gè)、九個(gè)或十個(gè)感測(cè)器所有標(biāo)軸；至于制造商更須要想出保障這些復(fù)雜多重零組件系統(tǒng)的方式。
強(qiáng)攻3D WLP封裝 MEMS廠商花招百出
絕大多數(shù)MEMS裝置(約總數(shù)的75%)為封裝中的打線接合系統(tǒng)(Wire-bonded System)，然后是Side by Side接合方案，或是和控制用的特定應(yīng)用積體電路(ASIC)堆疊在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線架、球閘陣列(BGA)/平面柵格陣列(LGA)壓合基板。長(zhǎng)期而言，前兩項(xiàng)方式仍會(huì)是主要封裝技術(shù)，但約有兩成MEMS元件將直接與基于互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的ASIC整合成系統(tǒng)單晶片(SoC)。
業(yè)界一度以為大部分MEMS都將采用SoC方式，但目前此類元件只適用在須非常短距離連結(jié)的特殊裝置，如每個(gè)畫素單位都要有直接反應(yīng)的MEMS微透鏡(Micromirror)、熱像感測(cè)器(Microbolometer)或振蕩器。大多數(shù)MEMS系統(tǒng)在封裝層級(jí)，連結(jié)不同的零組件上最有效率，但對(duì)更小的裝置及以更短距離相互連接的需求，正轉(zhuǎn)移至MEMS、ASIC和主機(jī)板間的接合、晶圓凸塊連結(jié)或3D堆疊架構(gòu)。
目前許多MEMS制造商具備獨(dú)特的晶圓堆疊方案，并已導(dǎo)入生產(chǎn)慣性感測(cè)器，包括晶圓凸塊到金屬對(duì)金屬接合、MEMS內(nèi)矽晶、多晶矽填充導(dǎo)孔到中介層導(dǎo)孔等方式；然而，在MEMS制造技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)逐漸轉(zhuǎn)向功能性競(jìng)爭(zhēng)的情況下，將有更多業(yè)者采納標(biāo)準(zhǔn)封裝方案，以拉低成本并加快開發(fā)時(shí)程。
舉例來(lái)說(shuō)，無(wú)晶圓廠的應(yīng)美盛(InvenSense)即與臺(tái)積電、格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)等晶圓代工廠合作，以高效率、低成本的鋁鍺共晶金屬對(duì)金屬接合覆蓋制作方法，將MEMS與ASIC結(jié)合，在消費(fèi)性陀螺儀市場(chǎng)大有斬獲。值得注意的是，該公司目前公開授權(quán)此相互連結(jié)技術(shù)，透過(guò)與其他晶圓廠認(rèn)證制程，與多專案晶圓(Multi Project Wafer)結(jié)合，相較獨(dú)立研發(fā)而言，可發(fā)展出更多應(yīng)用與技術(shù)。
目前兩家主要MEMS晶圓代工業(yè)者都將目標(biāo)放在客戶尋求的矽穿孔(TSV)平臺(tái)上，以滿足MEMS業(yè)者對(duì)小尺寸封裝的殷切需求。Silex Microsystems長(zhǎng)期以來(lái)提供TSV模組給客戶，而Teledyne DALSA為MEMS晶圓廠客戶，也在晶圓層級(jí)MEMS連結(jié)ASIC方面，開發(fā)低成本W(wǎng)et-plated Copper TSV平臺(tái)。Teledyne DALSA使用授權(quán)的Alchimer電鍍制程技術(shù)，在同一個(gè)制程模組整合導(dǎo)孔隔離(Via Isolation)及填充，以達(dá)到更佳的成本效率，并與該公司合作開發(fā)量產(chǎn)。
意法半導(dǎo)體(ST)則以更獨(dú)特的方式，自行在MEMS晶片上制造TSV，并將晶片附著在主機(jī)板上。此方法藉由蝕刻空氣間隙，消除接合焊盤所需的空間，以隔離的多晶矽導(dǎo)孔取代，雖用基本MEMS制程，但必須在大約十倍的尺寸上進(jìn)行，才能以打線接合或覆晶方式附著于ASIC。如此一來(lái)，晶片尺寸可較溫和增加成本的TSV制程減少20～30%，總成本較低。該公司目前以此技術(shù)量產(chǎn)加速度計(jì)，并表示接下來(lái)將導(dǎo)入陀螺儀，甚至用于更小的多晶片模組。
同時(shí)，Bosch Sensortec及Murata/VTI也運(yùn)用自己的技術(shù)，但封裝基礎(chǔ)架構(gòu)則利用外包形式。Bosch Sensortec采取相對(duì)傳統(tǒng)的焊接凸塊方式連接MEMS和ASIC。Murata以矽晶中介層、蝕刻導(dǎo)孔周圍的矩陣覆蓋MEMS慣性感測(cè)器，并以硼矽玻璃填充，然后覆晶于打薄的ASIC上，在其四周加上較大的焊接球，將整層裝上主機(jī)板。[!--empirenews.page--]
至于中介層部分則可由其MEMS晶圓廠或工程基板供應(yīng)商如PlanOptik制造，凸塊則由ASIC供應(yīng)廠或凸塊轉(zhuǎn)包商負(fù)責(zé)，而最后可能在馬來(lái)西亞的Unisem將晶片接合到晶圓、進(jìn)行裝球及底部填充。
顯而易見，MEMS標(biāo)準(zhǔn)封裝技術(shù)，以及垂直分工的生態(tài)系統(tǒng)正快速崛起，將為往后的MEMS產(chǎn)業(yè)帶來(lái)全新的樣貌。
Yole Developpement共同創(chuàng)辦人Eric Mounier
隨著智慧型手機(jī)或其他消費(fèi)性電子裝置大舉導(dǎo)入微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測(cè)器，MEMS封裝產(chǎn)值已顯著增長(zhǎng)，在未來(lái)幾年內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到整體IC產(chǎn)業(yè)的5%，比重大幅攀升。由于大量消費(fèi)應(yīng)用的快速成長(zhǎng)和逐漸集中在某些裝置，將導(dǎo)致MEMS封裝技術(shù)成為市場(chǎng)決勝關(guān)鍵，相關(guān)業(yè)者必須投入發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)封裝方案，方能持續(xù)壓低元件尺寸及量產(chǎn)成本。
MEMS出貨需求激增 半導(dǎo)體封裝廠迎新商機(jī)
MEMS封裝產(chǎn)業(yè)的規(guī)模在2012年已達(dá)16億美元，總共出貨七十多億顆晶片，且市場(chǎng)需求正快速增加，2010～2016年整個(gè)MEMS封裝產(chǎn)值的年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到20%，至2016年出貨量將上看一百四十億顆。不過(guò)，低成本消費(fèi)性電子產(chǎn)品逐漸主導(dǎo)MEMS市場(chǎng)，也為相關(guān)業(yè)者帶來(lái)價(jià)格壓力，將使?fàn)I收的CAGR僅有10%，至2016年將達(dá)到26億美元(圖1)。
無(wú)論哪一種計(jì)算方式，MEMS封裝市場(chǎng)的成長(zhǎng)率仍比主流IC封裝多出約一倍的幅度，雖然MEMS包含各式各樣的產(chǎn)品，元件特性與封裝需求也天差地別，但近來(lái)MEMS市場(chǎng)已逐漸被特定裝置主導(dǎo)，如消費(fèi)性應(yīng)用目前占整體MEMS營(yíng)收50%以上，四大主要裝置包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)和麥克風(fēng)，出貨占比已超過(guò)所有MEMS出貨量的一半。
圖1 2010～2016年MEMS封裝產(chǎn)值成長(zhǎng)預(yù)測(cè)
因應(yīng)消費(fèi)性電子的大量需求，未來(lái)MEMS封裝技術(shù)將朝標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)，為產(chǎn)業(yè)帶來(lái)許多改變的空間。盡管目前封測(cè)代工廠至今只占40%的MEMS封裝業(yè)務(wù)(以金額計(jì))，而整合元件制造商(IDM)則主導(dǎo)大半市場(chǎng)，后者依靠專業(yè)封裝技術(shù)達(dá)成產(chǎn)品區(qū)隔；但是，隨著MEMS在消費(fèi)性應(yīng)用領(lǐng)域的出貨量遽增，將驅(qū)動(dòng)更多制造商外包封裝及裝配業(yè)務(wù)，建立垂直分工的供應(yīng)鏈，為半導(dǎo)體封測(cè)廠引來(lái)更多商機(jī)。
價(jià)格在這些消費(fèi)市場(chǎng)當(dāng)然也很重要，而制造商藉由不斷減少晶片大小，已大幅降低制造成本?，F(xiàn)階段，消費(fèi)性應(yīng)用的MEMS封裝尺寸大多為2毫米(mm)×2毫米，高度上限則為1毫米，且還會(huì)持續(xù)縮小。以應(yīng)用廣泛的MEMS加速度計(jì)為例，由于封裝占制造成本約35～45%，促使業(yè)界揚(yáng)棄對(duì)每個(gè)裝置做客制化封裝服務(wù)，而迎向更標(biāo)準(zhǔn)的封裝類別，因此在類似裝置上大多可重復(fù)使用，加速新世代的發(fā)展。
另一方面，行動(dòng)裝置或消費(fèi)性電子的成本及功能設(shè)計(jì)需求，也驅(qū)動(dòng)慣性感測(cè)器由分離式封裝轉(zhuǎn)向多晶片整合模組。主要原因系系統(tǒng)廠要求能有效管理感測(cè)器資料，以減少感測(cè)誤差，因此MEMS供應(yīng)商須提供更短、更快的各種MEMS元件連接方案。
這些新興組合元件未來(lái)將是慣性感測(cè)器市場(chǎng)主要成長(zhǎng)動(dòng)力，因而產(chǎn)生新的封裝、裝配及測(cè)試需求，如模組須以高良率的裸晶裝配才能符合經(jīng)濟(jì)效益，而測(cè)試及交叉校正則須提高至六個(gè)、九個(gè)或十個(gè)感測(cè)器所有標(biāo)軸；至于制造商更須要想出保障這些復(fù)雜多重零組件系統(tǒng)的方式。
強(qiáng)攻3D WLP封裝 MEMS廠商花招百出
絕大多數(shù)MEMS裝置(約總數(shù)的75%)為封裝中的打線接合系統(tǒng)(Wire-bonded System)，然后是Side by Side接合方案，或是和控制用的特定應(yīng)用積體電路(ASIC)堆疊在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線架、球閘陣列(BGA)/平面柵格陣列(LGA)壓合基板。長(zhǎng)期而言，前兩項(xiàng)方式仍會(huì)是主要封裝技術(shù)，但約有兩成MEMS元件將直接與基于互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的ASIC整合成系統(tǒng)單晶片(SoC)。
業(yè)界一度以為大部分MEMS都將采用SoC方式，但目前此類元件只適用在須非常短距離連結(jié)的特殊裝置，如每個(gè)畫素單位都要有直接反應(yīng)的MEMS微透鏡(Micromirror)、熱像感測(cè)器(Microbolometer)或振蕩器。大多數(shù)MEMS系統(tǒng)在封裝層級(jí)，連結(jié)不同的零組件上最有效率，但對(duì)更小的裝置及以更短距離相互連接的需求，正轉(zhuǎn)移至MEMS、ASIC和主機(jī)板間的接合、晶圓凸塊連結(jié)或3D堆疊架構(gòu)。
目前許多MEMS制造商具備獨(dú)特的晶圓堆疊方案，并已導(dǎo)入生產(chǎn)慣性感測(cè)器，包括晶圓凸塊到金屬對(duì)金屬接合、MEMS內(nèi)矽晶、多晶矽填充導(dǎo)孔到中介層導(dǎo)孔等方式；然而，在MEMS制造技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)逐漸轉(zhuǎn)向功能性競(jìng)爭(zhēng)的情況下，將有更多業(yè)者采納標(biāo)準(zhǔn)封裝方案，以拉低成本并加快開發(fā)時(shí)程。
舉例來(lái)說(shuō)，無(wú)晶圓廠的應(yīng)美盛(InvenSense)即與臺(tái)積電、格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)等晶圓代工廠合作，以高效率、低成本的鋁鍺共晶金屬對(duì)金屬接合覆蓋制作方法，將MEMS與ASIC結(jié)合，在消費(fèi)性陀螺儀市場(chǎng)大有斬獲。值得注意的是，該公司目前公開授權(quán)此相互連結(jié)技術(shù)，透過(guò)與其他晶圓廠認(rèn)證制程，與多專案晶圓(Multi Project Wafer)結(jié)合，相較獨(dú)立研發(fā)而言，可發(fā)展出更多應(yīng)用與技術(shù)。
目前兩家主要MEMS晶圓代工業(yè)者都將目標(biāo)放在客戶尋求的矽穿孔(TSV)平臺(tái)上，以滿足MEMS業(yè)者對(duì)小尺寸封裝的殷切需求。Silex Microsystems長(zhǎng)期以來(lái)提供TSV模組給客戶，而Teledyne DALSA為MEMS晶圓廠客戶，也在晶圓層級(jí)MEMS連結(jié)ASIC方面，開發(fā)低成本W(wǎng)et-plated Copper TSV平臺(tái)。Teledyne DALSA使用授權(quán)的Alchimer電鍍制程技術(shù)，在同一個(gè)制程模組整合導(dǎo)孔隔離(Via Isolation)及填充，以達(dá)到更佳的成本效率，并與該公司合作開發(fā)量產(chǎn)。
意法半導(dǎo)體(ST)則以更獨(dú)特的方式，自行在MEMS晶片上制造TSV，并將晶片附著在主機(jī)板上。此方法藉由蝕刻空氣間隙，消除接合焊盤所需的空間，以隔離的多晶矽導(dǎo)孔取代，雖用基本MEMS制程，但必須在大約十倍的尺寸上進(jìn)行，才能以打線接合或覆晶方式附著于ASIC。如此一來(lái)，晶片尺寸可較溫和增加成本的TSV制程減少20～30%，總成本較低。該公司目前以此技術(shù)量產(chǎn)加速度計(jì)，并表示接下來(lái)將導(dǎo)入陀螺儀，甚至用于更小的多晶片模組。
同時(shí)，Bosch Sensortec及Murata/VTI也運(yùn)用自己的技術(shù)，但封裝基礎(chǔ)架構(gòu)則利用外包形式。Bosch Sensortec采取相對(duì)傳統(tǒng)的焊接凸塊方式連接MEMS和ASIC。Murata以矽晶中介層、蝕刻導(dǎo)孔周圍的矩陣覆蓋MEMS慣性感測(cè)器，并以硼矽玻璃填充，然后覆晶于打薄的ASIC上，在其四周加上較大的焊接球，將整層裝上主機(jī)板。[!--empirenews.page--]
至于中介層部分則可由其MEMS晶圓廠或工程基板供應(yīng)商如PlanOptik制造，凸塊則由ASIC供應(yīng)廠或凸塊轉(zhuǎn)包商負(fù)責(zé)，而最后可能在馬來(lái)西亞的Unisem將晶片接合到晶圓、進(jìn)行裝球及底部填充。
顯而易見，MEMS標(biāo)準(zhǔn)封裝技術(shù)，以及垂直分工的生態(tài)系統(tǒng)正快速崛起，將為往后的MEMS產(chǎn)業(yè)帶來(lái)全新的樣貌。
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