MEMS慣性傳感器優(yōu)勢解析:THELMA制程和低成本封裝方法
意法半導(dǎo)體公司推出一系列慣性傳感器,極具誘惑力的價(jià)格配合卓越的產(chǎn)品性能,讓意法半導(dǎo)體迅速擴(kuò)大了在消費(fèi)電子MEMS傳感器市場的份額。公司在MEMS技術(shù)特性上實(shí)現(xiàn)了兩全其美:更小尺寸、更低價(jià)格、更高性能、更多功能(技術(shù)推動)與更具創(chuàng)新力的設(shè)計(jì)方法(設(shè)計(jì)推動的創(chuàng)新) ,使最終的MEMS器件更適合消費(fèi)電子市場的需求[1]。
這個戰(zhàn)略已經(jīng)取得巨大成功,意法半導(dǎo)體因此而迅速崛起,成為世界最大的MEMS器件制造商。目前意法半導(dǎo)體的MEMS產(chǎn)品被世界知名的消費(fèi)電子產(chǎn)品選用,如任天堂的Wii游戲機(jī)、蘋果的iPhone手機(jī)和iTouch播放器以及其它產(chǎn)品[2]。例如,任天堂的Wii游戲機(jī)的遙控器“魔棒”(圖
(a)(b)
圖 1:這兩張圖片中的產(chǎn)品采用意法半導(dǎo)體的慣性傳感器技術(shù),在消費(fèi)電子產(chǎn)品中為客戶提供全新的功能(來源:iSuppli市調(diào)公司)。 意法半導(dǎo)體的MEMS慣性傳感器基于意法半導(dǎo)體的微致動器和加速計(jì)的厚外延層制程(THELMA),如圖2 [3]所示。THELMA是一個非集成化的MEMS制造程,比多晶硅表面微加工制程略復(fù)雜,但是擁有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),準(zhǔn)許實(shí)現(xiàn)較厚的結(jié)構(gòu),這對電容式慣性傳感器極其有用。雖然THELMA制程用于實(shí)現(xiàn)電容式慣性傳感器,但是這項(xiàng)技術(shù)非常靈活,還可以用于制造加速計(jì)、陀螺儀和其它的MEMS器件。 這個制程的第一個步驟是在晶圓上生成一層2.5μm厚的熱二氧化硅(圖 意法半導(dǎo)體率先投入量產(chǎn)的低成本封裝方法是意法半導(dǎo)體慣性傳感器的主要特色之一。如前文所述,MEMS器件的封裝很可能是產(chǎn)品制程中最昂貴的環(huán)節(jié)。意法半導(dǎo)體的封裝方法是使用一個玻璃粉低溫晶圓級鍵合工藝,把慣性傳感器封閉在兩顆晶圓之間的密閉空腔內(nèi),然后再使用一個格柵陣列(LGA)封裝平臺技術(shù)封裝芯片,意法半導(dǎo)體率先將這項(xiàng)封裝技術(shù)用于最后的器件封裝。在這個過程中,可以把單個的傳感器裸片放在半導(dǎo)體裸片的旁邊(并列結(jié)構(gòu))或把傳感器裸片和半導(dǎo)體裸片相互堆疊放置(堆疊封裝),如圖3所。 在堆疊結(jié)構(gòu)中,先用膠合膜將傳感器裸片焊到一個表面積很大的基片上(圖4)。半導(dǎo)體裸片和MEMS裸片堆疊放置可使封裝變得很小(圖5)。使用絲焊方法連接兩顆裸片的電觸點(diǎn),然后,再用注塑封裝技術(shù)封裝裸片。這種封裝方法可以在大面積的基片完成,因此成本相對較便宜。封裝應(yīng)力特別是粘接和注塑過程產(chǎn)生的應(yīng)力曾經(jīng)是這項(xiàng)封裝技術(shù)的一大挑戰(zhàn),意法半導(dǎo)體成功地解決了這個難題。圖6描述了意法半導(dǎo)體的超緊湊型線性加速計(jì)封裝的進(jìn)化歷程,線性加速計(jì)廣泛用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。
圖 3:意法半導(dǎo)體的兩種慣性傳感器封裝結(jié)構(gòu):(左) 并列封裝;(右)芯片堆疊封裝
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