MEMS：封裝是難點 期待標(biāo)準(zhǔn)工藝
[導(dǎo)讀]據(jù)預(yù)測，2007年全球MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))市場的銷售額將達(dá)到190億美元，2009年市場規(guī)模將增至260億美元。2006年，全球MEMS市場繼續(xù)保持增長，各主要市場都已經(jīng)接受MEMS技術(shù)和產(chǎn)品，其中應(yīng)用于通信產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品的復(fù)合年增長
據(jù)預(yù)測，2007年全球MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))市場的銷售額將達(dá)到190億美元，2009年市場規(guī)模將增至260億美元。2006年，全球MEMS市場繼續(xù)保持增長，各主要市場都已經(jīng)接受MEMS技術(shù)和產(chǎn)品，其中應(yīng)用于通信產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品的復(fù)合年增長率超過60%。然而，與IC產(chǎn)業(yè)不同的是，由于應(yīng)用面極廣且定制化程度較高導(dǎo)致難以采用標(biāo)準(zhǔn)工藝，在MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，產(chǎn)品的封裝成為阻礙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大瓶頸，MEMS市場也呈現(xiàn)出諸侯割據(jù)、各霸一方的產(chǎn)業(yè)格局。未來隨著MEMS產(chǎn)業(yè)與IC產(chǎn)業(yè)融合的加速，標(biāo)準(zhǔn)工藝的出現(xiàn)可能給MEMS產(chǎn)業(yè)帶來更大的發(fā)展機(jī)遇。
價格下降促進(jìn)應(yīng)用增加
硅微型傳聲器應(yīng)用于手機(jī)中，加速度計和陀螺儀被增加到全球定位系統(tǒng)以及手提電腦和手機(jī)的振動檢測器中，上述應(yīng)用由于MEMS產(chǎn)品的高成本一度令人望而卻步。而如今，由于技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展帶來的成本下降已經(jīng)使上述夢想變成了現(xiàn)實。
意法半導(dǎo)體公司(ST)MEMS市場工程師Brown Huang比喻，他說：“原來的MEMS產(chǎn)品像珠寶一樣珍貴?！辈贿^，生產(chǎn)工藝的提升使得產(chǎn)品良率有很大提升，現(xiàn)在MEMS產(chǎn)品的價格已經(jīng)下降了很多。這一點對于對價格極為敏感的消費電子市場非常重要。Gartner公司分析師Jim Walker表示，MEMS的未來將會由消費類需求推動。目前，全球硅麥克風(fēng)市場保持80%的復(fù)合年增長率，去年已經(jīng)占據(jù)全球手機(jī)麥克風(fēng)市場20%的份額，MEMS業(yè)界專家李剛博士預(yù)測，未來5年內(nèi)這一份額將迅速提升至70%-80%。
硅麥克風(fēng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)麥克風(fēng)、硅振蕩器代替石英振蕩器以及三軸加速度計的應(yīng)用成為最近幾年MEMS市場幾個顯著的進(jìn)展。李剛博士認(rèn)為未來微型燃料電池可能成為MEMS最有潛力的應(yīng)用產(chǎn)品市場。目前就各細(xì)分市場而言，IT領(lǐng)域是MEMS產(chǎn)品應(yīng)用最多的領(lǐng)域，噴墨打印頭是最大的細(xì)分市場。汽車市場的應(yīng)用也比較成熟，在壓力傳感器、加速度計、安全氣囊、ESP和側(cè)面防撞等領(lǐng)域有很多應(yīng)用，將來陀螺儀和GPS輔助慣性導(dǎo)航也將成為MEMS大顯身手的領(lǐng)域。在消費類市場，三軸加速度計已經(jīng)被用于任天堂的游戲機(jī)和多家企業(yè)的筆記本硬盤保護(hù)。
在國內(nèi)市場，成熟的MEMS應(yīng)用產(chǎn)品主要是壓力傳感器和加速度計。而在IT市場，加速度計和陀螺儀都是目前清晰可見的不斷增長的應(yīng)用市場。MEMS專家、清華大學(xué)葉雄英教授認(rèn)為，雖然產(chǎn)品成熟周期比較長，但是生物領(lǐng)域?qū)⑹俏磥鞰EMS產(chǎn)品應(yīng)用的亮點，而MEMS能不能在RF標(biāo)簽市場有所作為也非常值得關(guān)注。
葉雄英教授和李剛博士不約而同地認(rèn)為，MEMS市場的快速發(fā)展是技術(shù)本身成熟和成本下降雙重作用的結(jié)果。Walker表示，汽車應(yīng)用將更多地采用像無線胎壓傳感器這樣的基于MEMS的傳感器，但在未來幾年增長最快的MEMS領(lǐng)域?qū)⑹窍M類器件。據(jù)預(yù)測，2009年MEMS產(chǎn)品在消費類市場的應(yīng)用占MEMS總應(yīng)用市場的比例將從2004年的6%增長到24%。能夠在對價格極為敏感的消費類市場得到迅速應(yīng)用在很大程度上要歸功于MEMS產(chǎn)品價格的迅速下降。
就技術(shù)本身而言，MEMS技術(shù)也取得了一定進(jìn)展。飛思卡爾半導(dǎo)體汽車和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品部下屬的傳感器部副總裁兼總經(jīng)理Demetre Kondylis表示，HARMEMS(高深寬比微電機(jī)系統(tǒng))技術(shù)包含了最近幾年取得的一些令人興奮的技術(shù)進(jìn)步成果。飛思卡爾正在采用HARMEMS技術(shù)開發(fā)具有超阻尼變頻器的慣性傳感器。這種傳感器非常適合用于側(cè)衛(wèi)星應(yīng)用和主要氣囊電子控制單元(ECU)。HARMEMS設(shè)計提供超阻尼機(jī)械響應(yīng)，使設(shè)備可免受任何高頻震動的影響。為了實現(xiàn)進(jìn)一步集成，飛思卡爾還在QFN 6mm×6mm封裝中開發(fā)了Z軸慣性衛(wèi)星解決方案。
封裝成最大難點
MEMS產(chǎn)品早期的封裝技術(shù)大多數(shù)是借用半導(dǎo)體IC領(lǐng)域中現(xiàn)成的封裝工藝，不過，由于各類產(chǎn)品的使用范圍和應(yīng)用環(huán)境的差異，其封裝也沒有統(tǒng)一的形式，應(yīng)根據(jù)具體的使用情況選擇適當(dāng)?shù)姆庋b形式。同時，在MEMS產(chǎn)品的制造過程中，封裝只能單個進(jìn)行而不能大批量同時進(jìn)行。葉雄英教授估計，封裝在MEMS產(chǎn)品總費用中占據(jù)70%-80%的比例，封裝技術(shù)已成為MEMS生產(chǎn)中的瓶頸。她說：“由于標(biāo)準(zhǔn)工藝做不了，通常MEMS產(chǎn)品的量又比較小，代工廠就不愿意進(jìn)行MEMS產(chǎn)品的封裝和測試，就連國內(nèi)MEMS行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)美新的一部分相關(guān)工作也要到美國完成。測試和封裝很難外包，大部分要自己完成?！?BR>
雖然集成可以降低MEMS產(chǎn)品的價格并實現(xiàn)小型化，但是在技術(shù)實現(xiàn)上還是有難度。李剛博士認(rèn)為，其中最難的是封裝，其占總成本的很大部分。由于工藝都是非標(biāo)準(zhǔn)的工藝，雖然大多采用表面硅工藝和體硅工藝，但是實現(xiàn)的方法五花八門。因此，MEMS產(chǎn)品很難用CMOS工藝來實現(xiàn)，當(dāng)然不排除與CMOS工藝的集成。
具體而言，MEMS產(chǎn)品的封裝與傳統(tǒng)IC封裝不兼容，例如劃片等都不兼容，零級封裝到圓片級封裝大都要企業(yè)自己完成。后端的測試也不是簡單的電學(xué)測試，例如加速度計需要進(jìn)行物理測試。
傳統(tǒng)的MEMS封裝主要有金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三種形式。最近幾年，MEMS封裝技術(shù)取得了很大進(jìn)展，出現(xiàn)了眾多的MEMS封裝技術(shù)，大多數(shù)研究都集中在特殊應(yīng)用的不同封裝工藝，但又開發(fā)了一些較通用、較完善的封裝設(shè)計，通?？蓪⑵浞譃?個封裝層次：芯片級封裝、圓片級封裝、系統(tǒng)級封裝。
由于IC制造技術(shù)的發(fā)展，采用與標(biāo)準(zhǔn)的IC制造技術(shù)相兼容的MEMS結(jié)構(gòu)將越來越多，同時，隨著CMOS技術(shù)的不斷成熟，使得將預(yù)放和A/D等信號調(diào)理電路和微傳感器集成在一個芯片中成為可能，從而形成真正的SoC。德國Fraunhofer IZM提出了模塊式MEMS(MOMEMS)的概念，MOMEMS使用標(biāo)準(zhǔn)化的外部接口，MEMS器件能夠使用統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的封裝批量生產(chǎn)，將降低成本并縮短MEMS產(chǎn)品進(jìn)入市場的時間，模塊式MEMS封裝設(shè)計的思路也許將是MEMS封裝的一個重要突破口。
標(biāo)準(zhǔn)工藝將帶來大發(fā)展
雖然MEMS產(chǎn)品的總體市場很大，但是由于產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛以及工藝的不統(tǒng)一，各個細(xì)分市場的規(guī)模很小，每家公司即使占據(jù)1到2個產(chǎn)品線的領(lǐng)先地位，一般最多只能做到幾億美元的規(guī)模。例如，TI占據(jù)DLP市場，惠普占據(jù)打印機(jī)噴墨頭市場，安華高科技占據(jù)濾波器市場，ADI、ST、飛思卡爾和美新占據(jù)加速度計市場，樓氏占據(jù)麥克風(fēng)市場，這些企業(yè)在單個市場占據(jù)很大的市場份額。
根據(jù)Yole Développement公司的報告，2006年全球銷售排行第一的MEMS制造商是德州儀器，其MEMS產(chǎn)品銷售額僅僅8.83億美元。不過，隨著MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝的出現(xiàn)，MEMS市場將會迎來更大的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)聚集度可能會有所提高。[!--empirenews.page--]
幾年前，霍尼韋爾公司研究員兼MEMS工業(yè)集團(tuán)的執(zhí)行理事Cleopatra Cabuz說：“技術(shù)上的各自為政成為一種無法抗拒的趨勢，也造成了MEMS業(yè)界難于建立一種標(biāo)準(zhǔn)化工藝技術(shù)的局面?！辈贿^，由于MEMS技術(shù)與IC技術(shù)的結(jié)合將會越來越緊密，正如葉雄英教授所言，國內(nèi)外正致力于用標(biāo)準(zhǔn)工藝開發(fā)更多的產(chǎn)品，一些業(yè)界領(lǐng)袖公司還開發(fā)出了可完全用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)生產(chǎn)的MEMS產(chǎn)品。
例如，飛思卡爾公司自1996年以來一直采用CMOS工藝生產(chǎn)加速度計，并已經(jīng)開發(fā)出新的CMOS壓力傳感器產(chǎn)品線。Demetre Kondylis表示，飛思卡爾利用分技術(shù)區(qū)開發(fā)慣性和壓力傳感器，進(jìn)而實現(xiàn)更大的設(shè)計靈活性并最大限度地提高產(chǎn)品性能。飛思卡爾的多芯片(變頻器+ASIC)方法可實現(xiàn)封裝內(nèi)集成并采用更小巧的組件，所使用的一些方法都是CMOS和MEMS技術(shù)的結(jié)合。
Akustica公司認(rèn)為MEMS可以在一般的半導(dǎo)體代工廠中用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)制造，公司首席執(zhí)行官兼共同創(chuàng)始人Jim Rock透露公司現(xiàn)在擁有很多利用CMOS工藝制造MEMS產(chǎn)品的專利，公司的技術(shù)與半導(dǎo)體制造過程完全無關(guān)，任何人都可以向公司提交設(shè)計方案，由公司來完成器件的生產(chǎn)。Akustica利用CMOS制造設(shè)施和MEMS代工廠生產(chǎn)出了基于MEMS的麥克風(fēng)芯片，該公司使用X-Fab半導(dǎo)體公司的工廠生產(chǎn)0.6微米CMOS晶片。
硅微型傳聲器應(yīng)用于手機(jī)中，加速度計和陀螺儀被增加到全球定位系統(tǒng)以及手提電腦和手機(jī)的振動檢測器中，上述應(yīng)用由于MEMS產(chǎn)品的高成本一度令人望而卻步。而如今，由于技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展帶來的成本下降已經(jīng)使上述夢想變成了現(xiàn)實。
意法半導(dǎo)體公司(ST)MEMS市場工程師Brown Huang比喻，他說：“原來的MEMS產(chǎn)品像珠寶一樣珍貴?！辈贿^，生產(chǎn)工藝的提升使得產(chǎn)品良率有很大提升，現(xiàn)在MEMS產(chǎn)品的價格已經(jīng)下降了很多。這一點對于對價格極為敏感的消費電子市場非常重要。Gartner公司分析師Jim Walker表示，MEMS的未來將會由消費類需求推動。目前，全球硅麥克風(fēng)市場保持80%的復(fù)合年增長率，去年已經(jīng)占據(jù)全球手機(jī)麥克風(fēng)市場20%的份額，MEMS業(yè)界專家李剛博士預(yù)測，未來5年內(nèi)這一份額將迅速提升至70%-80%。
硅麥克風(fēng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)麥克風(fēng)、硅振蕩器代替石英振蕩器以及三軸加速度計的應(yīng)用成為最近幾年MEMS市場幾個顯著的進(jìn)展。李剛博士認(rèn)為未來微型燃料電池可能成為MEMS最有潛力的應(yīng)用產(chǎn)品市場。目前就各細(xì)分市場而言，IT領(lǐng)域是MEMS產(chǎn)品應(yīng)用最多的領(lǐng)域，噴墨打印頭是最大的細(xì)分市場。汽車市場的應(yīng)用也比較成熟，在壓力傳感器、加速度計、安全氣囊、ESP和側(cè)面防撞等領(lǐng)域有很多應(yīng)用，將來陀螺儀和GPS輔助慣性導(dǎo)航也將成為MEMS大顯身手的領(lǐng)域。在消費類市場，三軸加速度計已經(jīng)被用于任天堂的游戲機(jī)和多家企業(yè)的筆記本硬盤保護(hù)。
在國內(nèi)市場，成熟的MEMS應(yīng)用產(chǎn)品主要是壓力傳感器和加速度計。而在IT市場，加速度計和陀螺儀都是目前清晰可見的不斷增長的應(yīng)用市場。MEMS專家、清華大學(xué)葉雄英教授認(rèn)為，雖然產(chǎn)品成熟周期比較長，但是生物領(lǐng)域?qū)⑹俏磥鞰EMS產(chǎn)品應(yīng)用的亮點，而MEMS能不能在RF標(biāo)簽市場有所作為也非常值得關(guān)注。
葉雄英教授和李剛博士不約而同地認(rèn)為，MEMS市場的快速發(fā)展是技術(shù)本身成熟和成本下降雙重作用的結(jié)果。Walker表示，汽車應(yīng)用將更多地采用像無線胎壓傳感器這樣的基于MEMS的傳感器，但在未來幾年增長最快的MEMS領(lǐng)域?qū)⑹窍M類器件。據(jù)預(yù)測，2009年MEMS產(chǎn)品在消費類市場的應(yīng)用占MEMS總應(yīng)用市場的比例將從2004年的6%增長到24%。能夠在對價格極為敏感的消費類市場得到迅速應(yīng)用在很大程度上要歸功于MEMS產(chǎn)品價格的迅速下降。
就技術(shù)本身而言，MEMS技術(shù)也取得了一定進(jìn)展。飛思卡爾半導(dǎo)體汽車和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品部下屬的傳感器部副總裁兼總經(jīng)理Demetre Kondylis表示，HARMEMS(高深寬比微電機(jī)系統(tǒng))技術(shù)包含了最近幾年取得的一些令人興奮的技術(shù)進(jìn)步成果。飛思卡爾正在采用HARMEMS技術(shù)開發(fā)具有超阻尼變頻器的慣性傳感器。這種傳感器非常適合用于側(cè)衛(wèi)星應(yīng)用和主要氣囊電子控制單元(ECU)。HARMEMS設(shè)計提供超阻尼機(jī)械響應(yīng)，使設(shè)備可免受任何高頻震動的影響。為了實現(xiàn)進(jìn)一步集成，飛思卡爾還在QFN 6mm×6mm封裝中開發(fā)了Z軸慣性衛(wèi)星解決方案。
封裝成最大難點
MEMS產(chǎn)品早期的封裝技術(shù)大多數(shù)是借用半導(dǎo)體IC領(lǐng)域中現(xiàn)成的封裝工藝，不過，由于各類產(chǎn)品的使用范圍和應(yīng)用環(huán)境的差異，其封裝也沒有統(tǒng)一的形式，應(yīng)根據(jù)具體的使用情況選擇適當(dāng)?shù)姆庋b形式。同時，在MEMS產(chǎn)品的制造過程中，封裝只能單個進(jìn)行而不能大批量同時進(jìn)行。葉雄英教授估計，封裝在MEMS產(chǎn)品總費用中占據(jù)70%-80%的比例，封裝技術(shù)已成為MEMS生產(chǎn)中的瓶頸。她說：“由于標(biāo)準(zhǔn)工藝做不了，通常MEMS產(chǎn)品的量又比較小，代工廠就不愿意進(jìn)行MEMS產(chǎn)品的封裝和測試，就連國內(nèi)MEMS行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)美新的一部分相關(guān)工作也要到美國完成。測試和封裝很難外包，大部分要自己完成?！?BR>
雖然集成可以降低MEMS產(chǎn)品的價格并實現(xiàn)小型化，但是在技術(shù)實現(xiàn)上還是有難度。李剛博士認(rèn)為，其中最難的是封裝，其占總成本的很大部分。由于工藝都是非標(biāo)準(zhǔn)的工藝，雖然大多采用表面硅工藝和體硅工藝，但是實現(xiàn)的方法五花八門。因此，MEMS產(chǎn)品很難用CMOS工藝來實現(xiàn)，當(dāng)然不排除與CMOS工藝的集成。
具體而言，MEMS產(chǎn)品的封裝與傳統(tǒng)IC封裝不兼容，例如劃片等都不兼容，零級封裝到圓片級封裝大都要企業(yè)自己完成。后端的測試也不是簡單的電學(xué)測試，例如加速度計需要進(jìn)行物理測試。
傳統(tǒng)的MEMS封裝主要有金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三種形式。最近幾年，MEMS封裝技術(shù)取得了很大進(jìn)展，出現(xiàn)了眾多的MEMS封裝技術(shù)，大多數(shù)研究都集中在特殊應(yīng)用的不同封裝工藝，但又開發(fā)了一些較通用、較完善的封裝設(shè)計，通?？蓪⑵浞譃?個封裝層次：芯片級封裝、圓片級封裝、系統(tǒng)級封裝。
由于IC制造技術(shù)的發(fā)展，采用與標(biāo)準(zhǔn)的IC制造技術(shù)相兼容的MEMS結(jié)構(gòu)將越來越多，同時，隨著CMOS技術(shù)的不斷成熟，使得將預(yù)放和A/D等信號調(diào)理電路和微傳感器集成在一個芯片中成為可能，從而形成真正的SoC。德國Fraunhofer IZM提出了模塊式MEMS(MOMEMS)的概念，MOMEMS使用標(biāo)準(zhǔn)化的外部接口，MEMS器件能夠使用統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的封裝批量生產(chǎn)，將降低成本并縮短MEMS產(chǎn)品進(jìn)入市場的時間，模塊式MEMS封裝設(shè)計的思路也許將是MEMS封裝的一個重要突破口。
標(biāo)準(zhǔn)工藝將帶來大發(fā)展
雖然MEMS產(chǎn)品的總體市場很大，但是由于產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛以及工藝的不統(tǒng)一，各個細(xì)分市場的規(guī)模很小，每家公司即使占據(jù)1到2個產(chǎn)品線的領(lǐng)先地位，一般最多只能做到幾億美元的規(guī)模。例如，TI占據(jù)DLP市場，惠普占據(jù)打印機(jī)噴墨頭市場，安華高科技占據(jù)濾波器市場，ADI、ST、飛思卡爾和美新占據(jù)加速度計市場，樓氏占據(jù)麥克風(fēng)市場，這些企業(yè)在單個市場占據(jù)很大的市場份額。
根據(jù)Yole Développement公司的報告，2006年全球銷售排行第一的MEMS制造商是德州儀器，其MEMS產(chǎn)品銷售額僅僅8.83億美元。不過，隨著MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝的出現(xiàn)，MEMS市場將會迎來更大的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)聚集度可能會有所提高。[!--empirenews.page--]
幾年前，霍尼韋爾公司研究員兼MEMS工業(yè)集團(tuán)的執(zhí)行理事Cleopatra Cabuz說：“技術(shù)上的各自為政成為一種無法抗拒的趨勢，也造成了MEMS業(yè)界難于建立一種標(biāo)準(zhǔn)化工藝技術(shù)的局面?！辈贿^，由于MEMS技術(shù)與IC技術(shù)的結(jié)合將會越來越緊密，正如葉雄英教授所言，國內(nèi)外正致力于用標(biāo)準(zhǔn)工藝開發(fā)更多的產(chǎn)品，一些業(yè)界領(lǐng)袖公司還開發(fā)出了可完全用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)生產(chǎn)的MEMS產(chǎn)品。
例如，飛思卡爾公司自1996年以來一直采用CMOS工藝生產(chǎn)加速度計，并已經(jīng)開發(fā)出新的CMOS壓力傳感器產(chǎn)品線。Demetre Kondylis表示，飛思卡爾利用分技術(shù)區(qū)開發(fā)慣性和壓力傳感器，進(jìn)而實現(xiàn)更大的設(shè)計靈活性并最大限度地提高產(chǎn)品性能。飛思卡爾的多芯片(變頻器+ASIC)方法可實現(xiàn)封裝內(nèi)集成并采用更小巧的組件，所使用的一些方法都是CMOS和MEMS技術(shù)的結(jié)合。
Akustica公司認(rèn)為MEMS可以在一般的半導(dǎo)體代工廠中用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)制造，公司首席執(zhí)行官兼共同創(chuàng)始人Jim Rock透露公司現(xiàn)在擁有很多利用CMOS工藝制造MEMS產(chǎn)品的專利，公司的技術(shù)與半導(dǎo)體制造過程完全無關(guān)，任何人都可以向公司提交設(shè)計方案，由公司來完成器件的生產(chǎn)。Akustica利用CMOS制造設(shè)施和MEMS代工廠生產(chǎn)出了基于MEMS的麥克風(fēng)芯片，該公司使用X-Fab半導(dǎo)體公司的工廠生產(chǎn)0.6微米CMOS晶片。
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