MEMS產業出路在哪裡？優化成本、提高良率

新的封裝選擇可以幫助提高利潤，但是測試和熱管理仍是問題。

MEMS器件在設計端總能令人驚嘆，而在測試和製造端，則激起完全不同的反應。

歸根結底，MEMS技術是機械和電子工程的交叉學科，是兩個微觀世界的交匯，這兩個學科可以說是這個星球上那些最複雜技術的基礎。

但是，充分提高這些器件的產能，了解哪些能夠正常運行，並搞清楚如何通過規模經濟使半導體器件變得更加經濟，是MEMS產業所要面臨的巨大挑戰。

原因主要包括：

- MEMS晶片就像黑盒子。

事實上，它們通常都是密封的，因為許多器件需要在真空環節下工作。

這使得測試變得更加困難；

- 除了MEMS器件本身，良率還依賴其它因素。

很多情況下，這些MEMS晶片會和其它晶片封裝在一起。

某些器件對熱或壓力很敏感，由於很難測試這些器件，所以沒有簡單的方法來確定其可靠性；

- 對於許多MEMS器件來說競爭太激烈了，以至於無法保證獲得進一步的投入，而製造這些晶片的工藝往往進展較慢且成本高昂。

這會打擊工藝和器件原本已經有限的創新。

加速度計、陀螺儀、壓力傳感器、MEMS麥克風等傳感器占據著MEMS較大的市場份額，它們的工藝開發已經很成熟。

但是這也帶來了局限的一面。

考慮到投資回報，一旦工藝成熟了，製造商往往不願意再去投入改變。

即使其工藝已經很成熟，也不能保證這些器件和其它傳感器集成在一個封裝內，能夠正常工作。

MEMS晶片（來源：Applied Materials 公司）

「良率很重要，尤其在剛開始的時候，」 STATS ChipPAC（星科金朋）產品技術市場執行總監Babak Jamshidi說，「我們需要為一種封裝類型建立一條工藝及一系列規程。

而小規模客戶可能會開發一些全新的東西，這或許便會造成一些良率損失。

」

在一些MEMS新應用領域，情況確實如此，量少但利潤率高。

MEMS市場由此可以分為高度商業化的慣性傳感器和其它依賴各種先進材料的其它器件，例如壓電基底和RF-SOI（射頻絕緣體上矽）（參見《MEMS市場量增價跌，敢問路在何方？》）。

「MEMS市場非常碎片化，」 Jamshidi說，「但是現在我們來到了物聯網時代，每個人都需要各種大量的傳感器。

對MEMS器件的需求量將爆髮式增長，將達到產能投入的數倍。

而且，新的趨勢是設計將源於無晶圓廠（Fablesss）廠商，而並非IDM廠商。

IDM廠商將繼續開發晶片，但是市場已經發展到即使是成熟的廠商也開始進行部分技術的外包，為利潤更高的晶片開放產能。

」

封裝經濟

為提高利潤率，新興的解決方案之一便是採用新的封裝形式。

如今，多數MEMS傳感器都是封裝在聚合物模塑材料中，利用這種封裝材料來保護晶片。

也有其它一些選擇，包括預製模和低成本矩形平面無引腳（quad flat no-lead, QFN）封裝，能夠提高MEMS器件的經濟性，不過也會有一些限制。

「現在的准入門檻變得越來越低，我們可以利用現有的設備應對測試市場，」 ASE（日月光）高級應用工程經理Christophe Zinck說，「我們看到晶片的功能越來越多，但是預製模會限制組件的功能增加。

但是利用QFN封裝，就可以保持相同的尺寸，加入更多的功能，並且不會縮小器件尺寸。

」

扇出型晶圓級封裝（Fan-out wafer-level packaging, FO-WLP）是另一種在給定尺寸下增加器件功能，而又不會顯著提高成本的封裝形式。

「現在它的成本較高是因為它現在還是一個利基市場，」 Zinck說，「但是對於慣性傳感器，你無法把MEMS晶片做的想多薄就多薄。

把整個封裝做到0.6mm以下是非常困難的。

」

先進封裝技術

不同的封裝可以應對不同的應用，但是由於MEMS市場過於碎片化，因此，無法確定哪種封裝將成為市場主流或如何定價。

「扇出型晶圓級封裝或倒裝晶片因為凸點（bumping）而被置之一邊，但是你可以取代凸點並獲得更薄的器件，」星科金朋的Jamshidi說，「你不會看到所有的器件都轉用扇出型封裝。

對於MEMS麥克風來說，其振膜需要定製化很高的封裝。

但是對於慣性傳感器，則可以使用已經適合扇出型晶圓級封裝的工藝。

」

扇入型（a）和扇出型（b）晶圓級封裝

扇出型晶圓級封裝由於可以使多個器件像LEGO（樂高玩具）積木一樣在基底上互聯堆疊，因此將在傳感器融合方面扮演重要角色。

扇出型封裝技術的發展歷史

據麥姆斯諮詢分析，2016年是扇出型封裝市場的轉折點，蘋果和台積電的加入改變了該技術的應用狀況，可能將使市場開始逐漸接受扇出型封裝技術。

扇出型封裝市場將分化發展成兩種類型：

- 扇出型封裝「核心」市場，包括基帶、電源管理及射頻收發器等單晶片應用。

該市場是扇出型晶圓級封裝解決方案的主要應用領域，並將保持穩定的增長趨勢。

- 扇出型封裝「高密度」市場，始於蘋果公司APE，包括處理器、存儲器等輸入輸出數據量更大的應用。

該市場具有較大的不確定性，需要新的集成解決方案和高性能扇出型封裝解決方案。

但是，該市場具有很大的市場潛力。

測試策略

確保MEMS晶片能夠正常運行並不簡單，採用新的封裝方法會使之變得更加困難。

「測試通常在傳感器開發的兩個階段進行，即密封前和晶圓級測試，」 National Instruments（美國國家儀器有限公司）主要市場開發經理Joey Tun說，「因此，如果MEMS器件是可變電容，那便會測量其電容。

亦或是包括所有元件的封裝，例如包括信號調節單元和MCU（微控制單元）等。

」

扇出型晶圓級封裝要求對MEMS晶片進行測試，以確保在封裝前能夠正常運行。

此外，晶圓也需要在「重構」前後進行測試。

這很關鍵，因為在某些情況下，會由不同的供應商供應晶圓和MEMS器件。

挑戰在於確保測試過程不會產生其它問題。

太多的測試，可能會損傷敏感元件。

測試不夠，尤其對於偏置溫度不穩定性（bias temperature instability, BTI）等效應，可能會使不可靠的器件流入市場。

BTI特別成問題，而負性BTI則更嚴重。

隨著器件的尺寸縮小，閾值電壓會在施加應力下發生漂移。

對於汽車應用，這種應力會通過測試施加，並有可能會在高達300度的高溫下進行測試。

「對於汽車應用，40%的MEMS器件大多應用於此，其測試要求的溫度會更高，」Tun說，「對於MEMS器件，汽車是最惡劣的應用環境之一，其測試需要更加嚴格。

測試通常是在給定的過程節點，在正常運行條件下的假定壽命內測試CMOS的可靠性。

但是隨著器件尺寸的縮小，其壽命不可避免的需要接近終端設備的使用壽命。

」

測試對於封閉器件和開放器件也完全不同。

例如在晶圓級，主要考量的是良率。

「在Foundry利用晶圓級電學測試來評估MEMS器件的品質和良率，」 GlobalFoundry（格羅方德）新加坡工廠 MEMS產品經理Jin Siew Lim說，「儘管利用晶圓級測試來預測已封裝器件的良率挑戰很大，但是晶圓級測試已經通過不斷開發，獲得了非常高的可信度。

可靠性評估則測試封裝階段MEMS器件的氣密密封性。

」

這些是測試很重要的一環，當然，還有其它步驟。

在設計端還會使用預測分析，而當器件完成封裝後，則會使用輸出測試。

「你可以預測響應溫度波動的熱行為，」美國 Coventor公司工程副總裁Stephen Breit說，「因此，對於不同的封裝，其熱膨脹係數也可能並不相同。

封裝會產生翹曲，而這會影響MEMS器件的輸出。

你可以通過測量傳感器的輸出來感知這些變化。

如果設計和仿真工作做的好，甚至可以無需拿到實物晶片就能測量其輸出。

這對於那些沒有封裝就無法工作的器件尤為重要。

」

而有時，也會出現封裝以後器件無法運行的狀況。

Applied Materials公司技術營銷總監Mike Rosa介紹了一個案例，有家公司在CMOS上沉積鋁來製作接觸墊，然後將鍺沉積在MEMS器件上，然後再把它們鍵合在一起。

「在鍵合過程中他們採用了真空封接，也做了MEMS和CMOS之間的電接觸，」 Rosa說，「問題在於他們在8英寸晶圓上加熱至410度，並施加了超過60千牛頓的力。

在晶片端，他們得到了懸浮MEMS結構。

但如果施加了額外的機械應力，會改變MEMS器件的可動範圍。

這引起了大問題。

這不是封裝本身的問題，而是他們鍵合晶圓的方法問題。

」

製造考量

MEMS晶片製造本身也為自己帶來了一系列問題。

由於MEMS器件平均銷售價格的下行壓力，許多MEMS代工廠傾向採用較老的技術，因為其前期資本投入較低。

但是，真實的規模經濟往往來自新製造工藝和產能。

代工廠通常會衡量它們的投入能獲得多少回報，恰如它們如何應對其它CMOS晶片。

「相同的觀點也適用於是否值得投入300mm產線，」 UMC（台灣聯華電子）高級區域營銷經理Yan Qu說，「據IHS數據顯示，慣性傳感器、MEMS麥克風和體聲波器件占整個MEMS市場的營收超過了10億美元，但是，在你決定投入巨資之前，先要弄清楚自己能拿到多少潛在訂單。

」

目前，大多數MEMS晶片是利用扇入型封裝技術在200mm產線上製造的，主要因為MEMS器件的I/O連接數量還沒有那麼大。

採用扇入型封裝方法，凸點在器件正下方。

這和DSP（數位訊號處理）具有顯著差異，後者則有數百個I/O連接，Applied Materials公司的Rosa說。

當器件需要進一步縮小尺寸時，這種封裝形式才會產生問題，例如更薄的手機，需要尺寸更小的器件來適應新的手機外形。

「過去，你會在一塊晶圓上製作你的晶片，以及另一塊有空腔蓋帽的晶圓，然後你會用它來封蓋另一塊晶圓獲得三明治結構，然後切割就完成了晶片製造，」 Rosa說，「當智慧型手機或其它設備要求縮小晶片尺寸時，原來的標準封裝方法便開始需要逐漸變得『先進』起來。

然後開始從原本1mm厚的矽晶圓逐漸降低至200~250um，不斷減薄晶圓。

對於MEMS，可以取巧的是，你可以減小CMOS尺寸，而無需縮小MEMS尺寸。

對於陀螺儀等其它傳感器，需要一定的質量塊來感知運動。

目前有許多『先進封裝方法』，包含在一塊晶圓上製作的CMOS晶片，和另一塊晶圓上製作的MEMS晶片，再利用晶圓鍵合將兩者完美的鍵合集成在一起。

然後，根據複雜程度，你還可以使用TSV（矽通孔技術）。

」

總結

未來數年，預計MEMS器件的需求將顯著增長，尤其是那些運動或用於感知運動的設備，包括從汽車到機器人，再到電子嗅探器及超聲波指紋傳感器的所有的一切。

部分MEMS器件會實現大規模生產，而另一些則是定製化生產，當然還有一些則是兩者皆有。

但是製造和測試挑戰並不會變得簡單，尤其是對於那些要求更高可靠性、更小封裝以及更低成本的系統級供應商。

MEMS市場仍將競爭激烈，而且只會變得更加殘酷，因為滿足製造和測試目標所需的創新需要成本，無論是在前期投資還是設備方面。

無論最終結果是更多的外包，更加標準化，或是兩者擇一，感知物理世界的低成本方法還有待觀察。

市場正在變革，但是將變成什麼樣，什麼時候改變，以及誰將最終獲益，目前還不得而知。

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延伸閱讀：

《MEMS市場量增價跌，敢問路在何方？》

《MEMS產業現狀-2016版》

《嵌入式晶片封裝技術及市場趨勢-2016版》

《扇入型封裝技術及市場趨勢-2016版》

《先進封裝：3D IC和2.5D矽通孔互連技術-2016版》

《扇出型封裝技術及市場趨勢-2016版》