MEMS元件善用系统封装技术强化应用功效

智慧型手机、平板电脑应用市场持续增温，使得MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)元件市场需求越来越高，MEMS元件在技术上仰赖晶片化制程与封装技术进行功能改善，透过新的整合技术让元件在感测能力精度持续提升下，也能维持极佳的元件体积微缩表现，恰好符合行动装置追求的轻、薄、短、小设计趋势...


消费性电子产品市场竞争激烈，对于终端产品设计、开发，必须充分迎合市场喜好进行整合，将产品越做越小、性能更好，一直是相关产品的开发技术突破点，就以本文讨论的重点MEMS微机电元件产品来说，近年除了用量持续激增，元件厂商也愿意投入更多资源进行MEMS元件的优化设计。


行动装置、智慧型手机可搭载的微机电感测功能元件越来越多元。Bosch

   
图为采取晶圆级晶片封装的三轴加速度计，可导入助听器、行动装置等小巧设备开发应用。Bosch
更多>
例如，使用系统级封装技术将不同感测应用功能整合，以减少元件的使用量，对于产品的设计开发能以套装解决方案一次完成微机电感测相关设计线路，如此一来也能将电路载板进一步简化、缩减使用面积，在各方面的成本、效能、开发复杂度简化等效益均能浮现，而MEMS元件朝持续微缩、功能整合强化元件功效，亦成为MEMS不同业者展现产品竞争力的重要关键。


行动装置整合MEMS元件已成设计趋势

在市场应用的氛围下，几乎只要是行动装置都会选择搭载MEMS元件，以建构如加速度、设备倾斜、地磁方位等感测能力，不只智慧型行动电话大量整合MEMS发展更具互动效果的人机介面、娱乐电玩应用，就连平板电脑、笔记型电脑等中、大屏幕产品也开始尝试进行MEMS感测元件的深度整合。

MEMS元件已俨然形成一波3C/IT产品业者不能忽视的发展方向，至于MEMS感测器已是消费性电子产品实现创新应用不可或缺的关键零组件。不只是行动装置大量使用MEMS元件，就连电视游戏主机的体感控制器、控制手把、笔记型电脑，甚至是白色家电产品，越来越多消费电子产品导入加速计，实现搭配使用者介面整合设计应用。


整合多项感测元件  强化微机电感测精准度

而在终端产品应用上，早期产品为了达到迎合市场需求增加动态或动作感应设计，会选择在产品中采行成本较低的加速度计MEMS整合设计，但单仅加速度计顶多仅能感应单向的晃动感测，若增加多轴加速度计则可略为改善感测资讯薄弱问题，但仅加速度计难以辨识精细的操作动作些微差异，较完善的作法是追加陀螺仪(Gyro sensor)感测器辅助，透过多元MEMS元件协同整合进行感测现况讯息提供，可以让动态感测的资讯更精准，呈现用户的动作细节。

尤其在人机介面应用互动设计方案，开发者还可以使用多轴MEMS的陀螺仪整合元件，或搭配地磁感应计、大气压感测计…MEMS功能，建构全面、高精度动态感测设计方案。而整合方案中常见的惯性量测系统(Inertial Measurement Unit；IMU)元件，就是相当常见的设计实例，IMU为将加速度计、陀螺仪等关键元件整合，让需要动态、惯性感测的开发场合轻松完成设计需求。


利用系统封装多种MEMS功能晶片  缩小离散元件占位面积

但现有电子电路设计可用的载板面积，受限于产品的构型设计，可用面积越来越有限，对于早期MEMS元件IC尺寸多为标准料件，使用数量一多其实占据载板的面积也相对增加，这是分散式的零件排布无法避免的问题，而现有MEMS元件业者为了迎合行动装置的整合需求，大多针对几种特定感测器的组合应用建构系统级封装设计，将三至四组或更多数量的感测元件利用晶片整合封装，大幅减少多元件可能产生的载板占位面积浪费问题。

加上不同的感测单元再利用晶片级的控制线路、控制单元与讯号位准提升等功能单位整合，搭配系统级封装打包形成整合型态的单一元件，对于开发者来说可省却PCB载板的感测线路布线与减省主机板面积，实践设计后也省却了针对感测电路进行的设计验证(因为系统级封装已将信号处理、杂讯改善等线路整合，实际产品可以省掉这些开发负荷)。


导入模组元件  可大幅简化设计与验证负荷

运用系统级封装的整合设计具有相当大的加值效益，由于系统所需的感测单元，除非该元件需特殊驱动或封装需求(如特殊的感测器)，否则都相当适合整合成一组解决方案，元件整合后在量产程序也必须针对设计进行功能验证，只要通过验证，在导入电子电路设计后也可以直接认为该模组相关功能已获得测试验证，在产品后期开发可将感测与控制模组视为已完成设计与验证，可在开发后期专注于核心功能开发与验证项目上，避免在一般性开发工作耗费过多研发资源。

而系统级封装的好处也不仅如此，透过系统级封装，可以在动态感测模组上整合多轴加速度计、陀螺仪与所需的感测单元外，也有MEMS业者将行动装置的动态节电管理机制导入MEMS整合元件中，例如在系统封装内加入MCU微控制器进行功能单元的驱动切换，当系统闲置或关键应用程式不需要感测资讯时，系统封装的MEMS模组可以自行关闭整个元件驱动或是部分模组耗能，达到极低的功耗表现。

此外，原本MEMS元件需要搭配讯号放大、讯号处理的离散元件，也都可以利用系统封装的封装体内的空间余裕，进行深度整合，将讯号处理与杂讯抑制等必要的关键元件一一整合，不只可让终端设计的料件大幅缩减，也可减少这些离散元件占据宝贵的载板面积。


MEMS整合元件小巧  亦便于未来功能升级设计改版

以现有的功能型MEMS元件整合方式，采行SiP系统级封装已相当常见，而将多个MEMS元件整合在同一个封装体料件中，进而搭载加值的MEMS的微机电电气信号预处理的ASIC电路，共同封装在同一封装体料件中，以这类整合型式制成的料件外型相当小巧，常见的封装面积仅有3 x 5 mm(或更小)以下，封装体的料件厚度也可控制在1 mm以下。

使用整合性的元件取代原有的离散式元件布局与设计，除了可以让料件表更少、简化设计外，也能将PCB载板面积缩减。但除了这些优势外，利用类似IMU这类整合性元件，可以将实践的线路设计与元件整合，于IC或模组供应商处即完成整合，这些微机电模组或元件的精度调校或整合设计，产品开发者可以省下这些繁复的设计处理，而线路大幅整合的状态也可让终端设计的线路更单纯与更易于维护。[!--empirenews.page--]

至于未来相关设计若需升级感测特性效能，则可在原有的设计方案中直接选择更进阶的整合元件方案，升级改善设计若在元件脚位、电气准位未改的前提下，甚至只要更换MEMS模组元件即可完成升级相关设计。