MEMS:改善成本和收益

MEMS器件的设计感到敬畏。在测试和生产方面,他们唤起一种不同的反应。

毕竟,这些都是机电工程的交叉连接的两个微型的世界的基础地球上一些最复杂的技术。但让这些设备产生足够,理解或不工作,什么和如何做的那种规模经济使半导体负担得起在MEMS世界呈现一些巨大的挑战。

有几个原因:

•微机电系统芯片就像黑盒。事实上,他们常常是密封的,因为许多这些设备需要在真空中工作。这使得测试更加困难。
•收益率取决于其他因素不仅仅是MEMS装置。经常与其他芯片包装这些芯片。一些热量和压力敏感,因为很难测试这些设备没有简单的方法来确定可靠性。
•这些设备的竞争对于许多太高,保证更多的投资,但创建这些芯片的过程可以是缓慢而昂贵的。断开限制创新的过程和MEMS设备本身。

流程一般是加速度计的发达,陀螺仪和电容式压力感应器惯性传感器,代表最高音量的MEMS市场。但这一过程是有限制的。因为ROI,制造商不愿意改变它一旦建立。即使这样,没有保证这些设备将工作当他们结合包与其他传感器。

图1:MEMS芯片。来源:应用材料

“产量是一个问题,特别是在一开始,“说Babak卷产品技术营销副主任新科金朋。“我们必须建立一个过程,为特定的包类型的一组规范。小客户可以定义一些全新的,所以可能会有收获损失。”

尤其是在MEMS的新应用领域,体积较低但利润可能更高。MEMS市场高度商品化的惯性传感器之间的分裂和其他类型的设备,依靠先进材料、压电基片和RF-SOI等。(见MEMS:一个故事的两个艰难的市场。)

说:“这是所有非常分散的卷。“但现在我们正在经历物联网的时代,哪里有需要多个传感器,每一个人。有体积的爆炸,这是一个投资乘数的能力。也有一种新趋势的设计开始的地方不是在IDM但专业公司。IDMs将继续开发芯片,但市场达到的程度,甚至建立球员开始外包的一些技术,这是开放更有利可图的芯片的能力。”

经济的包装
提高盈利能力的一个新兴解决方案涉及到新包装方案。今天,大多数的MEMS传感器封装在一个聚合物成型化合物,用于保护他们。还有其他选择,包括pre-molds和低成本的扁平无铅(QFN)包,提高MEMS装置的经济学,但有一些限制。

“今天的入口点的很低,我们可以使用设备我们今天测试市场,”克利斯朵夫Zinck说,高级应用工程经理日月光半导体。“我们看到芯片增加更多的功能,但pre-mold将限制多少功能可以添加到组件。通过使用QFN包可以保持相同的足迹,添加更多的功能,而不是缩小设备。”

扇出wafer-level包装(FO-WLP),提出另一种选择是增加功能在一个给定的足迹没有显著增加价格。“现在它成本更因为它是一个利基市场,“Zinck说。“但随着惯性传感器,你不能瘦MEMS尽可能多的你想要的。总包要走0.6毫米以下是非常困难的。”

不同的包装是可用于不同的应用程序。但由于MEMS市场非常分散,目前还不清楚哪些方法将成为主流或定价将如何了。

“扇出wafer-level包装或倒装芯片采取了后座因为碰撞,但你可以取代疙瘩,实现薄设备,“说数据卷。“你不会看到所有设备搬到FO-WLP。拿着麦克风,膜需要一个定制包。但惯性传感器可以使用过程为FO-WLP已经到位。”

图2:扇入(a)和(b)的扇出wafer-level包装。来源:新科金朋。

FO-WLP在传感器融合可以发挥重要作用,因为它允许多个设备连接就像乐高积木衬底。

测试策略
确保MEMS芯片将工作并不简单,然而,它变得更加困难,因为新的包装方法是利用。

“测试发生在两条战线上传感器,在密封wafer-level测量,“乔伊桶说,主要的市场开发经理国家仪器。“所以你可以测量电容如果MEMS装置是一个可变电容器。或者你可能有一个包在那里的一切,包括信号调节和当地的单片机。”

扇出wafer-level MEMS芯片包装需要测试以确保它是一个已知的好死之前打包。此外,晶片需要测试之前和之后他们是“重组。“这是至关重要的,因为在某些情况下,不同的供应商提供晶圆和MEMS设备。

面临的挑战是确保测试过程不会造成问题。太多的测试会损坏敏感部件。测试太少,特别是等影响的偏见温度不稳定,可以允许不可靠的地方逃入市场。发言的问题尤其严重,英国国际贸易局和消极是更糟。设备缩小,阈值电压和外加应力变化。在汽车应用程序的情况下,压力测试的形式,可以在温度高达300°C。

”汽车,大约40%的MEMS装置,测试需求的程度较高,“桶说。“这是最严酷的环境,测试需要更加密集。测试通常是对CMOS可靠性对于一个给定的流程节点在一个给定的一生中在正常操作条件。但随着收缩几何图形,一生不末端设备。”

测试也是不同的一个封闭的设备访问。在晶圆级别,例如,主要考虑的是产量。

“MEMS器件的质量和产量是在铸造使用wafer-level电气测试评估,”金萧Lim说,MEMS产品经理GlobalFoundries“新加坡工厂。“虽然预测收益率包装部分通过使用wafer-level测试是具有挑战性的,wafer-level测试已经开发出来,他们可以预测包访问的收益率非常高的程度的信心。可靠性评估进行MEMS器件的测试气密密封包级别。”

这是它的重要组成部分。但还有其他步骤。预测分析还被用在设计方面,而输出测试使用一次设备已经包装。

“你可以预测热行为的反应对温度波动,”斯蒂芬·布莱特说,负责工程的副总裁Coventor。所以可能会有不同的热膨胀系数的包。包可以变形,影响MEMS输出。你可以感觉到这些变化,通过测量传感器的输出。如果你已经做了很好的工作的设计和模拟,你可以测量输出没有实际看到的筹码。这一点尤其重要,因为这些设备不工作没有包。”

有时他们不使用包。迈克罗莎,技术营销主管应用材料,描述了一个案例是这样的,一个公司铝沉积在CMOS创建接触垫,和锗在MEMS设备,然后结合在一起。

“在债券真空密封,他们也使电接触MEMS和CMOS,”他说。“问题是,你有410°C的60多个kilo-newtons力在一个8英寸晶圆。死,你暂停了MEMS结构。如果你添加的机械应力,它改变了MEMS装置的机械动态范围。导致一个大问题。这不是包装本身。这些晶片是他们保税的方式。”

生产注意事项
MEMS芯片的生产增加了一套自己的问题。由于平均销售价格向下的压力,许多MEMS铸造厂使用老技术,在前期资本投资费用较低。但真正的规模经济来自于新的制造工艺和能力。铸造厂通常体重多少回报他们可以从这些投资,期望与其他CMOS芯片一样。

”同样的概念也适用于是否有意义将投资300毫米晶圆厂,“瞿Yan说,高级区域销售经理联华电子。“惯性传感器、麦克风和散装声波设备负责超过10亿美元的MEMS市场,据IHS,但它涉及到多少卷放下之前你可能得到的投资。”

在大多数情况下,今天在200毫米MEMS芯片制造使用扇入方法,主要是因为I / O连接的数量不是大与MEMS设备。使用这种方法,直接碰撞下的设备。这是明显不同于一个DSP,例如,这可能数以百计的I / o,应用材料的罗莎说。

变成有问题在哪里当设备减少,如电话薄,进而需要一个较小的足迹,以适应新形式的因素。

“过去,你会让你的晶片晶圆上,然后是另一个圆片,所有这些蛀牙,你会盖一个晶片,你会得到一个三明治,骰子,你,”他说。”,这个标准包装方式开始变得“高级”当智能手机或其他设备需要一个减少形式因素。然后你开始从1毫米高硅块降到200 - 250微米。然后磨晶圆和薄。MEMS的棘手的问题是,你可以降低CMOS足迹,但是MEMS不收缩。与陀螺仪和其他传感器,需要一定的质量意识运动。有很多先进的包装方案,涉及CMOS一薄片,MEMS在另一个,一些花哨的集成使用晶片键合的两个。然后,根据复杂性,在那里,你可能tsv。”

结论
对MEMS设备的需求预计将显著增长在未来的几年中,特别是随着越来越多的传感器所需的设备,在运动或用于运动感觉。这包括从汽车到机器人电子嗅探器和超声波指纹传感器。

生产这些设备的体积。有些是定制的。和一些有点的。但制造和测试挑战并不容易,尤其是在系统供应商需求更多的可靠性,更小的包,和更少的钱比他们在过去。这仍然是一个非常艰难的市场,只会变得更严格,因为创新要求,以满足这些目标成本钱,无论是前期投资和设备。

是否会导致更多的外包,更标准化,或利用替代,更便宜的方式感知物理世界仍有待观察。这个市场更是发生着巨大的变化。但是他们会是什么样子,它们什么时候会发生,谁最终将受益于这些变化是未知的。

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