新的封装选择可以帮助提高利润,但是测试和热管理仍是问题。
MEMS器件在设计端总能令人惊叹,而在测试和制造端,则激起完全不同的反应。
归根结底,MEMS技术是机械和电子工程的交叉学科,是两个微观世界的交汇,这两个学科可以说是这个星球上那些最复杂技术的基础。但是,充分提高这些器件的产能,了解哪些能够正常运行,并搞清楚如何通过规模经济使半导体器件变得更加经济,是MEMS产业所要面临的巨大挑战。
原因主要包括:
- MEMS芯片就像黑盒子。事实上,它们通常都是密封的,因为许多器件需要在真空环节下工作。这使得测试变得更加困难;
- 除了MEMS器件本身,良率还依赖其它因素。很多情况下,这些MEMS芯片会和其它芯片封装在一起。某些器件对热或压力很敏感,由于很难测试这些器件,所以没有简单的方法来确定其可靠性;
- 对于许多MEMS器件来说竞争太激烈了,以至于无法保证获得进一步的投入,而制造这些芯片的工艺往往进展较慢且成本高昂。这会打击工艺和器件原本已经有限的创新。
加速度计、陀螺仪、压力传感器、MEMS麦克风等传感器占据着MEMS较大的市场份额,它们的工艺开发已经很成熟。但是这也带来了局限的一面。考虑到投资回报,一旦工艺成熟了,制造商往往不愿意再去投入改变。即使其工艺已经很成熟,也不能保证这些器件和其它传感器集成在一个封装内,能够正常工作。
MEMS芯片(来源:Applied Materials 公司)
“良率很重要,尤其在刚开始的时候,” STATS ChipPAC(星科金朋)产品技术市场执行总监Babak Jamshidi说,“我们需要为一种封装类型建立一条工艺及一系列规程。而小规模客户可能会开发一些全新的东西,这或许便会造成一些良率损失。”
在一些MEMS新应用领域,情况确实如此,量少但利润率高。MEMS市场由此可以分为高度商业化的惯性传感器和其它依赖各种先进材料的其它器件,例如压电基底和RF-SOI(射频绝缘体上硅)(参见《MEMS市场量增价跌,敢问路在何方?》)。
“MEMS市场非常碎片化,” Jamshidi说,“但是现在我们来到了物联网时代,每个人都需要各种大量的传感器。对MEMS器件的需求量将爆发式增长,将达到产能投入的数倍。而且,新的趋势是设计将源于无晶圆厂(Fablesss)厂商,而并非IDM厂商。IDM厂商将继续开发芯片,但是市场已经发展到即使是成熟的厂商也开始进行部分技术的外包,为利润更高的芯片开放产能。”
封装经济
为提高利润率,新兴的解决方案之一便是采用新的封装形式。如今,多数MEMS传感器都是封装在聚合物模塑材料中,利用这种封装材料来保护芯片。也有其它一些选择,包括预制模和低成本矩形平面无引脚(quad flat no-lead, QFN)封装,能够提高MEMS器件的经济性,不过也会有一些限制。
“现在的准入门槛变得越来越低,我们可以利用现有的设备应对测试市场,” ASE(日月光)高级应用工程经理Christophe Zinck说,“我们看到芯片的功能越来越多,但是预制模会限制组件的功能增加。但是利用QFN封装,就可以保持相同的尺寸,加入更多的功能,并且不会缩小器件尺寸。”
扇出型晶圆级封装(Fan-out wafer-level packaging, FO-WLP)是另一种在给定尺寸下增加器件功能,而又不会显著提高成本的封装形式。“现在它的成本较高是因为它现在还是一个利基市场,” Zinck说,“但是对于惯性传感器,你无法把MEMS芯片做的想多薄就多薄。把整个封装做到0.6mm以下是非常困难的。”
先进封装技术
不同的封装可以应对不同的应用,但是由于MEMS市场过于碎片化,因此,无法确定哪种封装将成为市场主流或如何定价。
“扇出型晶圆级封装或倒装芯片因为凸点(bumping)而被置之一边,但是你可以取代凸点并获得更薄的器件,”星科金朋的Jamshidi说,“你不会看到所有的器件都转用扇出型封装。对于MEMS麦克风来说,其振膜需要定制化很高的封装。但是对于惯性传感器,则可以使用已经适合扇出型晶圆级封装的工艺。”
扇入型(a)和扇出型(b)晶圆级封装
扇出型晶圆级封装由于可以使多个器件像LEGO(乐高玩具)积木一样在基底上互联堆叠,因此将在传感器融合方面扮演重要角色。
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