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CMOSMEMS制程整合现曙光
发布者:任你博娱乐 发布时间:2019-05-13 06:14

 

   

  利用MEMS技术所开发出的加速度计、陀螺仪、麦克风及振荡器等组件,已广获消费性电子业者的青睐,而为进一步提高市场导入速度,以CMOS MEMS制程整合的单芯片技术,扮演着举足轻重的角色。

  利用MEMS技术所开发出的加速度计、陀螺仪、麦克风及振荡器等组件,已广获消费性电子业者的青睐,而为进一步提高市场导入速度,以CMOS MEMS制程整合的单芯片技术,扮演着举足轻重的角色。 微机电系统(MEMS)组件应用热潮持续延烧,尤其在台湾业者推出采用互补式金属氧化物半导体(CMOS)与MEMS整合制程所生产的加速计(Accelerometer),进一步突破1美元价格关卡后,更引发国外MEMS组件大厂降价跟进效应,不但有助激励消费性电子制造商导入MEMS组件的意愿,更将扩大MEMS组件的市场渗透率。

  面对日益严峻的市场挑战,如何强化消费性电子产品差异性,创造令人爱不释手的使用者体验,已是开发人员的当务之急。而利用MEMS技术所开发出的加速度计、陀螺仪(Gyroscope)、MEMS麦克风及MEMS振荡器(Oscillator)等组件,由于可实现多种创新功能设计如直觉式的操作接口,并有助简化生产流程、降低制造成本,进而提升产品附加价值,不仅广受诺基亚(Nokia)、三星(Samsung)、苹果(Apple)、任天堂(Nintendo)等消费电子制造大厂的青睐,也是Wii与iPhone热卖的关键,未来随着CMOS MEMS相关技术的成熟,势必更普及于各种消费性电子产品。

  事实上,MEMS应用共含括五大产品线,包含加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风、压力传感器与数字光学处理器(DLP)等;其中,陀螺仪、麦克风、加速度计需要大量模拟电路与数字电路技术进行机电整合;而压力传感器及数字光学处理器则属于纯机械结构,不须进行机电整合。

  MEMS技术最早起源于1878年爱迪生燃料灯的概念。1950年代,MEMS加速度计初试啼声,主要用于军事国防;1979年扩大至汽车工业应用,博世(Boach)与亚德诺(ADI)两大厂商陆续进军此一市场;而2006年Wii的导入,让MEMS加速度计顿时成为市场瞩目焦点,也促使意法半导体(ST)、飞思卡尔(Freescale)相继投入;直至2008年iPod、iPhone也先后导入MEMS组件,正式揭开消费性MEMS时代的来临。

  不过,MEMS加速度计用于消费性电子中,其实有许多功能并不是必备条件。微智半导体总经理邱奕翔表示,目前加速度计已发展至三轴特性,但实际上在消费性电子应用时并不会使用如此高的规格,以手机的MP3换歌或电动游戏来看,三轴加速度计都显得大材小用。对制造商而言,价格才是消费性电子最大的考虑重点,反倒对加速度计的轴数、敏感度、噪声与线性度要求相对较低。因此,微智半导体分别以降低效能、强化价格竞争力与增加附加功能,来满足消费性电子对MEMS组件的要求。

  目前,市场上主要有三种技术可实现MEMS加速度计(表1),一是日系业者常用的电压式加速度计。其结构整合度最低,受温度影响大;其次为热感式加速度计,由于内部没有机械结构,因此比电压式便宜,但容易有热气分布不平均的问题。此外,热气的移动缓慢,也影响反应速度,加上使用时必须一直维持恒温状态,耗电量也相对较大。

  电容式加速度计则是较多业者采用的技术,其设计结构简易、灵敏度高,耗电量小,且无温度问题,已获得亚德诺、飞思卡尔、博世等众多大厂青睐。邱奕翔指出,为了达到低成本MEMS加速度计的发展目标,该公司利用电容式技术,搭配无晶圆厂策略,前段采用台湾半导体的标准制程,后段则导入CMOS MEMS制程,至于测试方面,则是利用京元电子自行研发的设备,可有效降低成本。以充分利用台湾半导体的产业分工,确保最低的制造成本。目前,微智已顺利在世界先进8吋晶圆厂完成CMOS MEMS加速度计的制造,并开始进入量产。

  邱奕翔强调,CMOS MEMS标准制程的良率高、稳定性极佳,量产可行性与芯片整合度也高;台湾发展CMOS MEMS优势在于半导体产业群聚完整,应用市场朝信息科技、消费性产品发展,这些均是台湾厂商最擅长的领域,因此竞争十足。

  不过,相较于国外业者发展CMOS MEMS已久,相关技术成熟,台湾则面临专业人才不足的窘境,尤其是具备跨领域或垂直整合领域知识的人才,更是少之又少,若能善用半导体产业群聚,加强纵向人才提升,台湾在CMOS MEMS组件的发展将指日可待。

  MEMS麦克风则是另一个成长潜力备受看好的热门组件。挟体积小、低干扰、易于设计及音质佳等优势,MEMS麦克风在市场上逐渐受到重视。市场研究机构Yole Developpement预估,2006~2011年MEMS麦克风的年复合成长率(CAGR)高达43%,优于其它MEMS产业发展,未来将不断侵蚀传统电容式麦克风(ECM)市场。

  楼氏电子(Knowles Acoustics)业务经理林彦文也援引Yole Developpement统计资料指出,手机为现今MEMS麦克风最大应用市场,其次,消费性电子如数字相机、数字摄影机等应用,也从2008年开始快速成长,预估2011年市场规模将达7,500万美元,成为第二大应用市场。除此之外,2009年随着因特网语音通讯协议(VoIP)与实时通讯软件MSN等技术的普及,笔记型计算机也将加速采用MEMS麦克风,成为主要驱动来源。

  与传统电容式麦克风相比,MEMS麦克风具备更多优势特性(表2),其中,在MEMS麦克风设计便利、容易导入的特色上,因其单一设计架构即可符合所有终端产品应用,并可制作成表面黏着装置(SMD),同时解决声学上的仿真问题等,因此大受手机系统厂商欢迎。林彦文表示,受到iPhone的带动下,MEMS相关组件身价水涨船高,而过去MEMS麦克风虽然价格高于传统麦克风,凭借其多样的产品优势不但未让系统厂商望之却步,反倒一推出即受到市场热烈回响。

  目前手机、笔记型计算机使用MEMS麦克风的比重相当大,其成本价格也因而持续降低,甚至已可低于传统电容式麦克风,由此可见,MEMS麦克风取代传统麦克风的戏码,将愈演愈烈。

  受到2003~2004年摩托罗拉(Motorola)V3手机所掀起的薄型化手机浪潮影响,手机相关组件也加速朝向薄型化发展。林彦文指出,薄型化并非意味尺寸缩小,因为过小尺寸反而影响震膜的运作,造成感度降低。虽然MEMS麦克风于2003年问世至今,尺寸已较早年产品缩小73.5%,且尺寸缩小对降低成本亦有直接帮助,但他强调,楼氏电子不会将尺寸缩到极致,而将依客户需求提供合适的产品。

  有鉴于未来笔记型计算机将是MEMS麦克风市场成长的主要驱动力,楼氏电子也推出适用于笔记型计算机的数字式MEMS麦克风产品。林彦文分析,目前笔记型计算机多半已内建蓝牙(Bluetooth)、无线局域网络(WiFi)等通讯技术,为避免MEMS麦克风受射频(RF)讯号影响,数字式MEMS麦克风采用数字讯号输出,相较于利用一层铁壳做屏蔽,数字式MEMS麦克风防干扰的效果较佳,且成本也较低。

  另一方面,看好MEMS振荡器取代石英振荡器的发展契机,不少新创公司也挟其先进制造技术积极布局。

  现阶段市面上生产频率产品的技术区分为纯芯片与机械式振动,前者具有极佳的频率稳定性,能在厚度剪切模式(Thickness-shear Mode)下,维持准确无误的频率,如石英共振器(Resonator)即为代表;后者则需较大的电力来达成100ppm等级的精准频率要求,因而在可靠度、效能、体积与价格日益严苛的市场环境下,MEMS振荡器更易突显其优势。

  相较于传统的石英振荡器制造步骤,MEMS振荡器制造流程更为简化,因为沿用传统半导体制程,因此全线自动化,此外所有的振荡器均采用与晶圆相似的制程生产。

  为整合MEMS振荡器与特定应用集成电路(ASIC),MEMS的封装技术亦极为关键。目前MEMS振荡器采用的是塑料四方扁平无接脚封装(QFN)技术,成本低且尺寸多样。

  Discera首席工程师白明凡剖析,由于传统石英振荡器制程混杂两种技术,须透过昂贵的封装技术进行整合,除提高制造成本外,也将延长交期及限制降价空间;反观MEMS振荡器采用半导体制程,加上使用开放式、低成本、高自动化及高量产的塑料封装技术,因而具备大规模量产的能力与价格优势,尤其交期可大幅缩短为4~6周,甚至最快仅须1周。

  而MEMS振荡器最为人所诟病的就是功耗问题,对此,Discera透过增加振荡杆(Beam)宽度的方式,来达成减少运动阻抗,以降低功耗。白明凡指出,相较于石英振荡器,该公司MEMS振荡器耗电量表现格外出色(表3)。

  在可靠度方面,根据Discera所提供的数据显示,MEMS振荡器符合工业级操作温度范围达-40~85℃,并可进一步延伸至汽车与国防等级达-50~125℃的要求,同时符合国防应用防撞与震动抵抗力。

  随着加速度计、MEMS麦克风与MEMS振荡器等组件需求日益增温,相关制程技术的进展也迭有突破,特别是可达到更高整合与更小尺寸的CMOS与MEMS整合技术,更是相关业者戮力发展的重点。

  一般而言,CMOS与MEMS整合主要有三种实作方式,一是采用多芯片整合的系统级封装(System in Package, SiP)并以打线(Wire Bonding)连接MEMS与CMOS组件;或是在同一制程中以直接互连方式整合IC与MEMS组件;此外,也可透过晶圆接合(Wafer Bonding)方式将CMOS晶圆与MEMS晶圆整合。其中,后两种制造方式皆可实现单芯片(Monolithic)整合方案。

  探微科技技术处技术二部经理林弘毅表示,虽然目前仍有许多MEMS组件是以打线和系统级封装所制造而成;但当MEMS组件具有数百万个微致动器(Actuator)或MEMS感测的讯噪比(SNR)过低时,就必须采取单芯片整合的做法,以确保组件效能。

  为加速CMOS与MEMS单芯片整合方案的发展,许多MEMS组件制造商已积极投入CMOS与MEMS制程整合的研发,期能在同一片晶圆上完成IC与MEMS结构的制作,如微智与世界先进、精材所合作量产的加速度计,即是采用这种方式制造。

  探微科技则是专注于以晶圆接合方式整合CMOS与MEMS的技术发展。林弘毅指出,这种制造方式可让IC与MEMS组件分别在各自专业的晶圆厂中完成生产后,再透过晶圆接合技术来达到单芯片整合,目前也广受市场青睐。

  不过,要运用晶圆接合来实现CMOS与MEMS的整合,必须具备三项基本技术,包括接合技术、硅晶深蚀刻(Deep Silicon Etching)与标准组件(Standard Cell)等。接合技术主要着重于接合介质(Bonding Media)、制程与检测的研发,除努力将接合束(Bonding Beam)由厚变薄来缩小接合面积,并开发出晶圆与晶圆、芯片与晶圆,以及芯片与电路板互连的接合技术外,同时设法改善接合制程与检测的效率,以提高整体产出率(Throughput)。

  深蚀刻技术方面,则须针对不同的加工对象,开发合适的蚀刻技术。如结构可动的对象通常采用线形蚀刻技术,而不会动的精密结构体则可用表面与点蚀刻。至于标准组件则须包含感测与致动两类,前者主要是利用电阻和电容方式设计而成;后者则有静电式(Electro-static)、电磁式(Electro-magnetic)与电热式(Electro-thermal)三种类型。

  藉由上述三种基础技术与不同封装形式的搭配组合,CMOS与MEMS整合技术不仅可用于感测、显示与硅光学平台(SiOB)等组件的制作,还可用于整合型被动组件(IPD)开发,进一步满足各种不同应用的需求。

  林弘毅强调,利用晶圆级封装(Wafer Level Package, WLP)与晶圆接合技术所达成的单芯片整合,可将CMOS与MEMS晶圆分开在不同晶圆厂制造,并导入批次封装、测试制程,有助加快开发速度及降低开发成本。

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