【MEMS动向】向运动传感器渗透的TSV封装

智能手机及其他消费移动产品使用的传感器市场正在快速增长。这意味着MEMS封装业务发展迅速,也业务也许很快就会占到IC市场的5％。

       有关MEMS元件的需求集中在加速度传感器、陀螺仪（角速度传感器）、磁力传感器及麦克风，这些产品占MEMS元件总供货量和收益的50％左右。这将对一些MEMS封装技术起到重要作用。其原因是，厂商在竞争焦点从工艺技术转向功能和系统的形势下，将会努力缩小封装尺寸、降低成本。

       2012年MEMS封装市场的规模为16亿美元（2012年的出货量为70亿个）。估计今后将以20％的年均增长率（CAGR）增长，2016年之前将达到140亿个的规模。但是，因面临价格压力，而且主流为低价位消费产品，估计收益仅为26亿美元左右，CAGR最大为10％左右。MEMS封装市场的增长率会达到IC封装市场的两倍。

封装由定制品转向标准品

       按金额计算，OSAT（后工序代工厂商）最多获得了40％的MEMS封装业务。其原因是，IDM（垂直整合型元件厂商）为了使自己的产品实现差异化，采用了OSAT拥有的特殊封装技术。消费类产品用元件的出货量不断增加，将会促使IDM将封装和组装业务委托给外部企业，利用OSAT建立稳定的供应链。

       价格是最重要的关键点。成本可以通过缩小芯片尺寸来降低。业界领跑者目前使用的封装尺寸为长2mm×宽2mm×高1mm。以加速度传感器为例，封装占生产成本的35～45％。因此，定制封装正在被可通过再利用来加快新产品开发速度的标准品所取代。

       估计复合传感器将拉动惯性传感器的增长，并对封装、组装及测试产生新的要求。要经济地检查并相互校正6个、9个或10个传感器的轴，必须使用已经验证过的裸片来组装这种模块。

要缩短布线长度，需要层叠晶圆

       要处理日益增加的传感器数据量，必须从物理角度缩短部件之间的连接距离并提高速度。75％的MEMS元件在封装内以引线键合方式连接。然后，在标准的引线框架、BGA或LGA层叠基板上，以引线键合方式横向或沿着三维方向连接到控制用ASIC。

       20％的MEMS元件采用CMOS工艺与ASIC集成在同一芯片上来形成SoC。对于需要缩短连接线的元件来说，这是最合适的方法。比如，需要按每个像素来响应的微镜阵列、微辐射热测量计阵列，以及像振荡器一样非常小的元件。

       绝大部分MEMS系统都在封装级别上连接不同种类的部件。但是，如果需要更小的元件或更短的布线，就需要层叠晶圆的解决方案了。也就是凸块（Bumping）、金属接合、MEMS元件内的硅通孔与多晶硅通孔，以及转接板内的通孔等。

正在开发采用电镀的低成本TSV技术

       美国InvenSense拥有以Al或Ge金属接合方式在ASIC上对MEMS进行封装和布线的高效率低成本技术。因此，该公司在消费类产品用陀螺仪市场上占据着支配性地位。该公司目前正一同提供相关的工厂工艺、多项目晶圆技术以及该技术的授权，并认为这样可以开拓一些光靠自己单打独斗无法完成开发的用途。

       同样，瑞典Silex Microsystems已开始提供TSV（硅通孔）模块，加拿大Teledyne DALSA正以在晶圆级别上连接MEMS和ASIC为目标，开发以低成本镀铜液进行处理的TSV平台。

       DALSA从法国Alchimer手中获得了进行通孔绝缘和嵌入的电镀加工技术授权，以较高的成本效率实现了与原来相同的工艺模块。

意法半导体利用TSV缩小芯片面积并降低成本

       意法半导体在自主开发的MEMS芯片中制作了TSV，并将其安装在了主板上。由此，可节省焊垫所需要的面积。该公司使用了被蚀刻制成的气隙隔绝的多晶硅通孔。采用了该公司的MEMS工艺。MEMS以引线键合或倒装芯片方式安装在ASIC上，由此可将芯片尺寸缩小20～30％。该技术能够降低的成本大于TSV工艺增加的成本。

       意法半导体目前已开始量产加速度传感器，下一步将量产陀螺仪。这样一来，更小的多芯片模块便会问世，多个TSV MEMS芯片将以倒装芯片方式安装在ASIC上。

       德国博世利用传统型凸块技术连接了MEMS和ASIC。村田制作所则利用硅转接板（被蚀刻后以硼硅酸盐玻璃填充的通孔周围的矩阵）封装了该公司的惯性传感器。在薄型ASIC上进行了倒装芯片封装，并在其周围追加了大锡球。最后将层叠的元件安装在主板上。

       估计转接板由村田制作所的MEMS代工企业或德国PlanOptik那样的工业用基板供应商生产。凸块工艺可能由ASIC供应商或凸块承包商负责，芯片与晶圆的键合、打孔、底层填料（Underfilling）则由马来西亚友尼森（Unisem）公司负责。（特约撰稿人：Jean-Christophe Eloy，Yole Developpement总裁兼首席执行官）