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MEMS:封装是难点 期待标准工艺

据预测,2007年全球MEMS(微机电系统)市场的销售额将达到190亿美元,2009年市场规模将增至260亿美元。
发布时间:2007-06-13 16:22        来源:        作者:安勇龙
【赛迪网讯】据预测,2007年全球MEMS(微机电系统)市场的销售额将达到190亿美元,2009年市场规模将增至260亿美元。2006年,全球MEMS市场继续保持增长,各主要市场都已经接受MEMS技术和产品,其中应用于通信产业的产品的复合年增长率超过60%。然而,与IC产业不同的是,由于应用面极广且定制化程度较高导致难以采用标准工艺,在MEMS产业的发展过程中,产品的封装成为阻碍产业发展的一大瓶颈,MEMS市场也呈现出诸侯割据、各霸一方的产业格局。未来随着MEMS产业与IC产业融合的加速,标准工艺的出现可能给MEMS产业带来更大的发展机遇。 价格下降促进应用增加 硅微型传声器应用于手机中,加速度计和陀螺仪被增加到全球定位系统以及手提电脑和手机的振动检测器中,上述应用由于MEMS产品的高成本一度令人望而却步。而如今,由于技术进步和产品应用领域扩展带来的成本下降已经使上述梦想变成了现实。 意法半导体公司(ST)MEMS市场工程师Brown Huang在接受《中国电子报》记者采访时打了个形象的比喻,他说:“原来的MEMS产品像珠宝一样珍贵。”不过,生产工艺的提升使得产品良率有很大提升,现在MEMS产品的价格已经下降了很多。这一点对于对价格极为敏感的消费电子市场非常重要。Gartner公司分析师Jim Walker表示,MEMS的未来将会由消费类需求推动。目前,全球硅麦克风市场保持80%的复合年增长率,去年已经占据全球手机麦克风市场20%的份额,MEMS业界专家李刚博士在接受《中国电子报》记者采访时更是预测,未来5年内这一份额将迅速提升至70%-80%。 硅麦克风代替传统麦克风、硅振荡器代替石英振荡器以及三轴加速度计的应用成为最近几年MEMS市场几个显著的进展。李刚博士认为未来微型燃料电池可能成为MEMS最有潜力的应用产品市场。目前就各细分市场而言,IT领域是MEMS产品应用最多的领域,喷墨打印头是最大的细分市场。汽车市场的应用也比较成熟,在压力传感器、加速度计、安全气囊、ESP和侧面防撞等领域有很多应用,将来陀螺仪和GPS辅助惯性导航也将成为MEMS大显身手的领域。在消费类市场,三轴加速度计已经被用于任天堂的游戏机和多家企业的笔记本硬盘保护。 在国内市场,成熟的MEMS应用产品主要是压力传感器和加速度计。而在IT市场,加速度计和陀螺仪都是目前清晰可见的不断增长的应用市场。MEMS专家、清华大学叶雄英教授在接受《中国电子报》记者采访时认为,虽然产品成熟周期比较长,但是生物领域将是未来MEMS产品应用的亮点,而MEMS能不能在RF标签市场有所作为也非常值得关注。 叶雄英教授和李刚博士不约而同地认为,MEMS市场的快速发展是技术本身成熟和成本下降双重作用的结果。Walker表示,汽车应用将更多地采用像无线胎压传感器这样的基于MEMS的传感器,但在未来几年增长最快的MEMS领域将是消费类器件。据预测,2009年MEMS产品在消费类市场的应用占MEMS总应用市场的比例将从2004年的6%增长到24%。能够在对价格极为敏感的消费类市场得到迅速应用在很大程度上要归功于MEMS产品价格的迅速下降。 就技术本身而言,MEMS技术也取得了一定进展。飞思卡尔半导体汽车和标准产品部下属的传感器部副总裁兼总经理Demetre Kondylis在接受《中国电子报》记者采访时表示,HARMEMS(高深宽比微电机系统)技术包含了最近几年取得的一些令人兴奋的技术进步成果。飞思卡尔正在采用HARMEMS技术开发具有超阻尼变频器的惯性传感器。这种传感器非常适合用于侧卫星应用和主要气囊电子控制单元(ECU)。HARMEMS设计提供超阻尼机械响应,使设备可免受任何高频震动的影响。为了实现进一步集成,飞思卡尔还在QFN 6mm×6mm封装中开发了Z轴惯性卫星解决方案。 封装成最大难点 MEMS产品早期的封装技术大多数是借用半导体IC领域中现成的封装工艺,不过,由于各类产品的使用范围和应用环境的差异,其封装也没有统一的形式,应根据具体的使用情况选择适当的封装形式。同时,在MEMS产品的制造过程中,封装只能单个进行而不能大批量同时进行。叶雄英教授估计,封装在MEMS产品总费用中占据70%-80%的比例,封装技术已成为MEMS生产中的瓶颈。她说:“由于标准工艺做不了,通常MEMS产品的量又比较小,代工厂就不愿意进行MEMS产品的封装和测试,就连国内MEMS行业的领军企业美新的一部分相关工作也要到美国完成。测试和封装很难外包,大部分要自己完成。” 虽然集成可以降低MEMS产品的价格并实现小型化,但是在技术实现上还是有难度。李刚博士认为,其中最难的是封装,其占总成本的很大部分。由于工艺都是非标准的工艺,虽然大多采用表面硅工艺和体硅工艺,但是实现的方法五花八门。因此,MEMS产品很难用CMOS工艺来实现,当然不排除与CMOS工艺的集成。 具体而言,MEMS产品的封装与传统IC封装不兼容,例如划片等都不兼容,零级封装到圆片级封装大都要企业自己完成。后端的测试也不是简单的电学测试,例如加速度计需要进行物理测试。 传统的MEMS封装主要有金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种形式。最近几年,MEMS封装技术取得了很大进展,出现了众多的MEMS封装技术,大多数研究都集中在特殊应用的不同封装工艺,但又开发了一些较通用、较完善的封装设计,通常可将其分为3个封装层次:芯片级封装、圆片级封装、系统级封装。 由于IC制造技术的发展,采用与标准的IC制造技术相兼容的MEMS结构将越来越多,同时,随着CMOS技术的不断成熟,使得将预放和A/D等信号调理电路和微传感器集成在一个芯片中成为可能,从而形成真正的SoC。德国Fraunhofer IZM提出了模块式MEMS(MOMEMS)的概念,MOMEMS使用标准化的外部接口,MEMS器件能够使用统一的、标准化的封装批量生产,将降低成本并缩短MEMS产品进入市场的时间,模块式MEMS封装设计的思路也许将是MEMS封装的一个重要突破口。 标准工艺将带来大发展 虽然MEMS产品的总体市场很大,但是由于产品的应用领域极其广泛以及工艺的不统一,各个细分市场的规模很小,每家公司即使占据1到2个产品线的领先地位,一般最多只能做到几亿美元的规模。例如,TI占据DLP市场,惠普占据打印机喷墨头市场,安华高科技占据滤波器市场,ADI、ST、飞思卡尔和美新占据加速度计市场,楼氏占据麦克风市场,这些企业在单个市场占据很大的市场份额。 根据Yole Développement公司的报告,2006年全球销售排行第一的MEMS制造商是德州仪器,其MEMS产品销售额仅仅8.83亿美元。不过,随着MEMS标准工艺的出现,MEMS市场将会迎来更大的发展,产业聚集度可能会有所提高。 几年前,霍尼韦尔公司研究员兼MEMS工业集团的执行理事Cleopatra Cabuz说:“技术上的各自为政成为一种无法抗拒的趋势,也造成了MEMS业界难于建立一种标准化工艺技术的局面。”不过,由于MEMS技术与IC技术的结合将会越来越紧密,正如叶雄英教授所言,国内外正致力于用标准工艺开发更多的产品,一些业界领袖公司还开发出了可完全用标准CMOS技术生产的MEMS产品。 例如,飞思卡尔公司自1996年以来一直采用CMOS工艺生产加速度计,并已经开发出新的CMOS压力传感器产品线。Demetre Kondylis表示,飞思卡尔利用分技术区开发惯性和压力传感器,进而实现更大的设计灵活性并最大限度地提高产品性能。飞思卡尔的多芯片(变频器+ASIC)方法可实现封装内集成并采用更小巧的组件,所使用的一些方法都是CMOS和MEMS技术的结合。 Akustica公司认为MEMS可以在一般的半导体代工厂中用标准CMOS工艺技术制造,公司首席执行官兼共同创始人Jim Rock透露公司现在拥有很多利用CMOS工艺制造MEMS产品的专利,公司的技术与半导体制造过程完全无关,任何人都可以向公司提交设计方案,由公司来完成器件的生产。Akustica利用CMOS制造设施和MEMS代工厂生产出了基于MEMS的麦克风芯片,该公司使用X-Fab半导体公司的工厂生产0.6微米CMOS晶片。 相关链接 全球主流MEMS厂商一览 美国:德州仪器公司(TI)、模拟器件公司(ADI)、飞思卡尔半导体公司(Freescale)、Kionix公司、Akustica公司、Knowles Acoustics公司、SiTime公司、惠普公司、IMT公司、Silicon Microstructures公司(SMI)、GE Infrastructure Sensing公司; 欧洲:Robert Bosch公司、意法半导体公司(ST)、VTI科技公司、声扬公司(Sonion MEMS A/S)、Measurement Specialties公司(MSI)、Colibrys公司、Memscap公司、Tronic’s Microsystems公司; 日本:丰田电装DENSO公司、欧姆龙公司(Omron)、Matsushita公司、OKI公司。 记者观点 消费电子及特种应用是我国MEMS突破口 久 乔 我们一方面欣喜于MEMS产品在中国市场的快速应用,另一方面当被问及中国的MEMS产品制造现状时,叶雄英教授表示中国自行生产的MEMS产品多数用于特殊应用领域,用于民用领域的产品极少。李刚博士也认为,目前中国自产的MEMS产品只是在工业级和军工中有少量应用。 那么,什么原因造成这种局面?是因为中国MEMS人才太少吗?叶雄英教授透露,我国高校培养了很多MEMS人才,但是这些人才大多数最终不会从事MEMS行业。原因何在? 国内的产业环境限制了MEMS产业的发展。由于MEMS产业需要很大的先期投入,现阶段很难实现标准工艺,代工厂不愿意进行小批量生产,大部分封装测试工作需要自行完成,因此,资金成为最关键的问题。中国没有成熟的风险投资机制,导致MEMS产业的初创企业很难获得初期的启动资金。而国内从事MEMS研究的高校囿于体制和生产能力,不可能大规模从事MEMS产品的生产。此外,目前国内产业链不完整也阻碍了MEMS产品的发展。 中国MEMS产业的突破口在哪里?国家扶持是重要的一环,需要国家引导逐步建立成熟的产业环境。就产品而言,消费类产品和特种应用产品应该成为突破口。中国半导体产业的优势之一是低成本制造,而消费类产品对价格极其敏感而且消耗量很大,适合中国MEMS产业发展。此外,在一些无法进口的高端和特种应用领域,例如航天和油田用高温、高压MEMS传感器领域,中国有一定的技术积累,虽然此类产品的需求量不大,但是产品的附加值较高。
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