Состояние и перспективы развития рынка мэмс и технологии их корпусирования

Торгашин С.И.

ОАО «НИИФИ» г. Пенза

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РЫНКА МЭМС И ТЕХНОЛОГИИ ИХ КОРПУСИРОВАНИЯ

Современнаямикроэлектромеханическая система (МЭМС), фактически, представляет собой результат трёхмерной системной интеграции на одном общем носителе микроэлектронных схем и неэлектронных структурных элементов микро-устройств/системных компонентов доменов, выполняющих сенсорные (измерительные), сигналообрабатывающие, актюаторные (исполнительные), дисплейные и управляющие функции, что достигается посредством применения технологий микропроизводства и корпусирования.

Термин МЭМС стал использоваться многими авторитетными исследователями в 1989 году для обозначения вновь возникающей в то время области науки и техники, объединяющей микроразмерные механические элементы, подобные балкам-кантилеверам, мембранам, которые производились по технологии микроэлектронных схем.

Сейчас термин МЭМС широко используется для обозначения технологии микропроизводства, использующей процессы, сходные с теми, что применяются при производстве полупроводников и интегральных схем, для создания дискретных или интегрированных микро-устройств, примерами которых являются механические структуры, микродатчики, микроактюаторы и схемы на материалах подложки, включая кремний, стекло или керамику.

Достигнутые успехи во внедрении технологии полупроводниковой микроэлектроники в разработку и производство датчиков давления не означают, что все проблемы в этой области решены. Датчики давления, изготовленные с применением полупроводниковой технологии, занимают ведущее место в мире по объему производства, однако тонкопленочные датчики не сдают своих позиций, особенно в тех областях техники, куда доступ полупроводниковым датчикам пока закрыт. Это ракетно-космическая техника (РКТ), авиация, атомная энергетика, области специального применения (например, военная техника).

Анализ современного состояния измерительной техники позволяет сделать заключение о том, что с конца 80-х годов XX века наиболее динамично развивающимся научно-техническим направлением является разработка и применение МЭМС, в том числе МЭМС-датчиков и как их разновидности тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления (ТТДД). В рамках данного направления созданы миниатюрные чувствительные элементы датчиков, в основе функционирования которых лежит активное использование классических принципов механики, электротехники, электроники твердого тела, интегрируемых в конструктивные решения на микроуровне с широким использованием материаловедческой и технологической баз микроэлектроники, в том числе технологии тонких пленок.

Как и в случае возникновения микроэлектроники, воплотившей свой теоретический задел в первых интегральных микросхемах, созданных в рамках реализации целевой функции: массогабаритные показатели, надежность, быстродействие, отношение функциональной сложности к стоимости, основным заказчиком и финансистом первых тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления являлся авиационнокосмический комплекс. Следует отметить, что именно потребность в ранее указанных видах сенсорных элементов и ясная концепция их возможного развития и интеграции с исполнительными устройствами послужили в дальнейшем стимулирующими факторами для расширения исследований в этой области.

Обобщая современное состояние в области стимулов и факторов, способствующих развитию тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления и силы, выделим:

— наличие научной и технологической культуры, сформировавшейся в период становления и развития микроэлектроники;

— наличие базового оборудования, производственных мощностей и организационной инфраструктуры микроэлектронного производства, пригодных для реализации на них технологии изготовления тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления и силы;

— активный рынок измерительных систем на базе тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления и силы различного функционального назначения и конструктивного исполнения.

В настоящее время МЭМС-датчикистановятсяосновнымиэлементами,

определяющимитехническийуровеньистоимостьинформационно - измерительныхиуправляющихсистем. Длясов-ременного этапаразвитияэтойобластитехникихарактерныследующиестоимостныеданные:

- датчики-40%общейстоимости;

- устройстваобработкиинформации- 20%;

- устройстварегистрации и отображения информации- 40%.

Независимоотситуации, складывающейсяв мировой экономике, спросна МЭМС как на средства измерения, контроляиуправлениянеизменнорастетисоставляет ежегодноот20до30 % в зависимости от экономической ситуации.На рисунке 1представленанализмировойдинамикиразвитияобъёма производства МЭМСпообла-стямприменения с 2006 года до 2012 года (прогноз), втомчиследлябытовой техники, медицины и здравоохранения, телекоммуникаций, промышленного оборудования, автомобилестроения, вооружений, военной и специальной техники (ВВСТ) идля РКТ и авиастроения (поданным европейских аналитических фирм[1 - 8]).

Приведенныетемпыростапозволяютсделатьвывод, чтосвободныйрынокМЭМС общегопримененияувеличит-сяс6,394млрд. долл.в 2006 годудо 15,453 млрд. долл. в2012 году (прогноз), то есть в 2,4 раза.

Согласно данным исследовательской фирмы WTC (Германия) мировым лидером в производстве бытовых и промышленных МЭМС является фирма Texas Instruments, благодаря поставкам оптоэлектронных устройств. В 2009 году этой фирмой был установлен новый рекорд в поставках, которые составили сумму 1100,0 млн. долларов. За фирмой Texas Instruments следует фирма Hewlett-Packard. На значительном рынке МЭМС устройств для головок струйной печати лидерами являются: Hewlett-Packard, Canon,

Lexmark, Seiko со своим производством, STMicroelectronics, как главный производственный партнер для Hewlett-Packard. На следующем по величине рынка - автомобильном секторе лидерами являются фирма Robert Bosch GmbH (374 млн. долларов), Freescale (200 млн. долларов), Honeywell (122 млн. долларов). Десять заводов, специализирующихся в производстве МЭМС, выпустили по контрактам в 2006 году продукцию на сумму 131 млн. долларов, в 2010 году уже на 149,0 млн. долларов и по прогнозу на 2012 год предполагается рост до 160 млн. долларов.

В области производства МЭМС для ВВСТ и изделий РКТ цифры не столь значительны (см рис. 2), но ответственность за качество и надежность этой техники значительно выше. По данным аналитической компании YOLEDEVELOPPEMENT (Франция) объём производства МЭМС для ВВСТ и изделий РКТ с 2006 по 2010 год возрос на 115%, по прогнозу на 2012 год рост должен составить 61% по отношению к 2010 году, причем основной прирост произойдет за счет МЭМС для ВВСТ (65,5%), рост производства МЭМС для изделий РКТ составит не более 28%.

Объём производства, млн. долл. США Q Объём производства в млн. долл. США

Рост объемов производства МЭМС

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Год

Телекоммуникации  Медицина; здравоохранение  Промышленность

Вооружение и военная техника  Бытовая техника  Ракетно-космическая техника и авиация

Автомобили

к 1

Рост производства МЭМС класса "милитари"

2009

Год

Вооружение и военная техника  Ракетно-космическая техника и авиация

2006

2007

2008

2010

2011

2012

Рисунок 2

Распределение общемирового объёма производства МЭМС по отраслям применяемости, млн. долл. США 2006 год

Автомобили;1278

Телекоммуникации; 380

' 3 '

Ракетно-космическая техника и авиация; 30

Бытовая техника; 2962

Медицина; здравоохранение; 768

Промышленность; 717

Вооружение и военная техника; 259

Рисунок 3

Распределение общемирового объёма производства МЭМС по отраслям применяемости, млн. долл. США, прогноз на 2012 г.

Автомобили; 1572І

Ракетно-косми ческая техника и авиация; 78

(Телекоммуникации; 1627

Медицина;

здравоохранение; 2206

Промышленность; 1756І

Вооружение и военная техника; 925

Рисунок 4

Необходимо отметит, что стоимостные параметры МЭМС-датчиков для ВВСТ и изделий РКТ, которые относятся к классу «милитари», значительно (в разы) превосходят стоимостные параметры МЭМС-датчиков для всех других отраслей. Поэтому объём производства МЭМС-датчиков для ВВСТ и изделий РКТ в натуральном выражении (это тысячи шт.) значительно меньше, чем, например, для бытовых приборов (это миллионы шт.).

Структура рынка МЭМС-датчиков также меняется. Если в 2006 году объемы производства МЭМС для автомобильной промышленности превышали объёмы производства МЭМС для телекоммуникаций в 3 раза, для промышленных целей, медицины и здравоохранения в 2 раза (см. рис. 3), то по прогнозу на 2012 год эти отрасли применения МЭМС превысят по объёму рынок МЭМС для автомобильной промышленности (см. рисунок 4).

Технология МЭМС стремительно развивается в настоящее время. В группу этих устройств входят датчики движения (акселерометры, гироскопы, блоки инерциальных измерений IMU), давления, микрозеркала, микрофоны, ВЧ переключатели. Многие из этих устройств присутствуют, например, в повседневности, в таком, например, устройстве, как сотовом телефон. Развитие технологий позволяет расширять концепцию МЭМС. МЭМС может включать и память, процессоры/контроллеры, осцилляторы, трансмиттеры, дисплеи, а также и наноразмерные или изготавливаемые посредством нанотехнологий устройства .

В итоге, ключевым признаком классификационной принадлежности микроэлектронного устройства к МЭМС можно считать только наличие механических, или, ещё более обобщённо, неэлектронных элементов .

Это обстоятельство имеет прямое отношение к обособлению технологий производства МЭМС, и это несмотря на то, что в большинстве своём МЭМС также построены на кремнии, как и микросхемы, и долгое время использовали те же операции фотолитографии и травления.

Так, при производстве МЭМС требуется осаждение более толстых слоёв, более глубокое травление, введение специальных этапов травления для освобождения подвижных микромеханических структур. Многие МЭМС используют не только кремний как базовый субстрат, МЭМС изготавливаются на стеклянной, кварцевой, полимерной основе, в качестве материала-основы может использоваться материал, представляющий собой соединение, например, SiC, и даже металл.

Конечно, требования защиты и цена корпусирования значительно варьируются с учётом условий эксплуатации, но для всех без исключения МЭМС требуется особое корпусирование, обеспечивающее защиту структуры от внешних воздействий.

В итоге технологии производства МЭМС в корпусе осуществляются более комплексно, чем помещение в пластиковый корпус с выводами, принятое для ИС. Большинство МЭМС для создания корпуса первого уровня используют присоединение кремниевой пластины колпачка - к кремнию или стеклянно подложке-основанию. Это общепринятый метод для защиты устройства от механических разрушений, микрозагрязнений и герметизации, что необходимо не только на стадиях эксплуатации устройства, но и на стадиях их последующего уплотнения и корпусирования в корпуса, аналогичные корпусам ИС, то есть допускающие их монтаж на печатную плату в составе макро-устройств.

Корпусирование на уровне пластины Wafer-LevelPackaging (WLP) - это технология корпусирования ИС или МЭМС, противопоставленная традиционному корпусированию устройства после разделения на кристаллы. WLP осуществляет межсоединения и защиту на уровне пластины, и включает процессы создания слоя перераспределения межсоединений, проводящих участков, изолированных металлических проводников или присоединения проводов, соединений through-silicon-via, соединения пластин. WLP для МЭМС обладает потенциалом снижения цены, размера и повышения характеристик.

Выделив эти особенности, отличающие МЭМС от ИС, несколько лет назад можно было бы на этом обсуждение сходств и отличий на этом и закончить. Но сегодня для МЭМС открыты новые возможности использования преимуществ 3D корпусирования, одновременно, является актуальным переход к 3DIC (3D ИС) (рисунокБ).

РисунокБ - Эволюция корпусирования

Тема 3D корпусирования широко обсуждается и в научных, и в промышленных кругах [9].3D корпусирование - такой тип корпусирования МЭМС, который включает два или более компонентов, стекирован-ных (штабелированных с применением электрических соединений) вертикально в корпусе. Основной целью 3D корпусирования является повышение уровня интеграции с использованием минимальных коммутационных плат. Интегрированные компоненты могут быть созданы с помощью соединения между корпусами, либо стекированием кристаллов внутри единого корпуса. Кристаллы могут соединяться проводами по их краям или соединяться посредством технологии сквозных соединений через кремний методом Through-SiliconVias (TSVs).

В эволюции корпусирования МЭМС важную роль сыграли несколько разновидностей этого метода (см. рисунок 6).

Согласно одной из самых первых концепций корпус-на-корпусе (РоР - PackageonPackage) , уменьшение габаритов ИС достигалось за счёт применения межсоединений и слоёв, размещённых на корпусах (конструкция типа «этажерка»).

Параллельно развивалась и концепция непосредственного соединения самих кристаллов CoC, 3Dstacking, stackeddie (стекированные, или штабелированные чипы С2С).

Межсоединения можно было осуществлять методом разварки проволочных выводов, но в соответствии с большинством новых вариантов технологии 3D корпусирования в чипах создаются металлизированные сквозные отверстия в кремнии TSVs. Затем чипы совмещаются и соединяются в одно целое, образуя надёжные электрические соединения. В завершение в сборке формируются выводные контакты.

Through-SiliconVia (TSV) - это вертикальные электрические соединения, передающиеся законченно через кремниевую пластину или кристалл. TSV технология актуальна для создания 3D корпусов и 3D ИС и включает процессы формирования соединений, осаждения, заполнения, удаления металла с поверхности, утонения пластин, соединения/стекирования, инспектирования, тестирования. Одним из новых на рынке, основанных на TSV, продуктов является CMOS датчик изображения. Другие TSV устройства включают в себя память.

Параллельно широко распространились концепции 3D MEMS и 3-D WLP MEMS. Важно подчеркнуть, что эти концепции родились как самостоятельные направления, и названия опираются во многом именно на 3D природу МЭМС, и только после этого на объединение вместе с МЭМС, например, стекированной ASIC микросхемы.

Природа МЭМС, по сути, позволяла назвать их 3-D устройствами гораздо ранее появления термина 3D корпусирования. Топология кристалла МЭМС состоит из структур, которые включают балки-кантилеверы, комбинированные гетероструктуры или другие элементы, известные из макромира, которые обладают способностью перемещения по одной или трём осям (3D), в направлении 6 степеней свободы (6D). Как известно, функционирование МЭМС основывается на моделировании подобия поведения макросистемы посредством данных перемещений. МЭМС устройства могут включать целостные 3-D структуры датчиков, насосов, клапанов, реакторов и т. п.

Микросистемы создаются посредством применения химических и физических методов к подложке групповым методом, но устройства с внутренними полостями и каналами создаются и при соединении кристаллов, то есть в методах производства также имеет место трёхмерная обработка.

Как и в случае, когда МЭМС включает ИС для обработки сигналов, но ИС не обязательно МЭМС, 3DMEMS может включать 3DIC, но 3DIC не обязательно включает 3DMEMS.

Поэтому 3-D MEMS, 3-D WLP MEMS могут интерпретироваться как стекирование на уровне пластин кристаллов МЭМС и других, с использованием сквозных соединений через кремний TSVs. Но 3-D WLP MEMS могут пониматься и как продукты, которые включают МЭМС - устройства, характеризующиеся своей 3D природой независимо от метода их производства и корпусирования, и контрольную электронику ASIC, причём сборка, межсоединения и тестирование выполняются на уровне пластины.

Сегодня развиваются многие альтернативные концепции корпусирования и монтажа МЭМС.Если говорить об однокристальной интеграции МЭМС с ИС, то корпусом может служить не только привычный за последние годы корпус интегральной микросхемы, созданный на основе стратегии, известной как Chip Scale Package (CSP).

Согласно стандарту IPC/JDEC J-STD-012 CSP представляет собой однокристальный корпус поверхностного монтажа с площадью не более чем 1,2 от оригинальной площади кристалла. CSP конструируются на основе индивидуальных кристаллов с коммутирующей подложкой,а также производятся на уровне пластин. CSPs имеют преимущества малого размера, низкой массы, сниженных электрических паразитных эффектов, и они могут быть полностью протестированы в процессе производства.

Корпусом может служить также защитный колпачок- кристалл, полученный при корпусировании на уровне пластин WLP, флип-чип (FC) ASIC микросхема или корпус следующего уровня с законченным набором функций.

Корпуса, созданные на уровне пластины в масштабе кристалла Wafer-Level Chip-Scale Package (WLCSP), представляют собой корпуса CSP, для которых на уровне пластины сформирован формат ввода-вывода с точным шагом, и которые затем могут быть протестированы и поверхностно закреплены на печатной плате. Согласно одному из методов, диэлектрически изолированный слой перераспределения, присоединённый к соединительным площадкам кристалла, создаётся на пластине, затем формируются паяные шариковые соединительные площадки, что даёт вместе корпус, близкий по размерам к кремниевому кристаллу.

WaferLevelChipScalePackaging (WLCSP) как метод прямого соединения на печатной плате бампиро-ванных интегральных схем, является одной из самых быстрорастущих стратегий WLP в промышленности. Yole прогнозирует, что в 2012 производство этих типов корпусов будет производиться порядка 10 млн. единиц за год в 2012 году, со средним CAGR, в следующие годы превышающим 20% [2, 8].

Следующим уровням корпусирования МЭМС сопутствуют ещё два ключевых понятия, а именно система на кристалле и система в корпусе [9].

От ИС к МЭМС пришло определение система на кристалле или System-on-Chip (SoC) - это большая, сложная кремниевая ИС с высокими функциональностью и рабочими характеристиками, характеризующаяся присутствием процессоров, памяти и большого числа других компонентов, в число которых могут входить и МЭМС.

Тем не менее, сложилось так, что размещение МЭМС на другом кристалле более обосновано многими экономическими, техническими и технологическими факторами. В этом случае, говоря о МЭМС, можно сказать, что это микроэлектромеханическая система в корпусе SiP (System-in-Package), или MEMS SoP (System-on-Package).

Система в корпусе SoP (System-on-Package) для достижения системного уровня допускает интеграцию большого числа типов компонентов (RF, цифровых, аналоговых, оптических, МЭМС) в одном корпусе. Технологии производства включают изготовление тонкоплёночных компонентов, обычно используется многослойный корпусной субстрат. Существует два основных вида пространственной интеграции - горизонтальная и вертикальная.

Данное определение по отношению к другому не менее известному термину System-in-Package (SiP) является расширенным, так как предполагает объединение мульти-доменных компонентов, основанных на различных материалах, помимо кремния, и представляющих собой различные домены (датчики, оптоэлектронику, RF, все типы MEMS, включая биоМЭМС, микрофлюиды МЭМС). SoP может включать системы на кристалле SoC, SiP, мульти-кристальные модули multi-chipmodule (MCM) и допускает 3D стекирование кристаллов на уровне интеграции ИС и корпуса, а также объединение устройств, представляющих собой различные домены.

Другая интерпретация термина SoP соответствует буквальному переводу System-on-Package, то есть система на корпусе представляет собой кристаллов, монтируемых в так называемые модули с небольшим количеством чипов FCM. Корпус FCM, включающий держатель органической или керамической подложки собирается и тестируется по отдельности, а затем монтируется на печатную плату. Это позволяет экономить стоимость сборки конечного устройства, так как проектирование и производство печатных плат, включающих разнообразные технологии корпусов, является сложным, долговременным и дорогостоящим .

Напротив, стоимость сборки уменьшается, если применяется системный или модульный подход к кор-пусированию и тестированию. Благодаря близкому расположению компонентов в SoP сигналы становятся менее зашумлёнными, а неодинаковые тепловое расширение и механические напряжения в компонентах, хотя и создают проблемы, но могут быть проконтролированы до монтажа модуля на плату.

Поскольку система в корпусе SoP для достижения системного уровня допускает интеграцию большого числа типов компонентов, включая МЭМС, в одном корпусе, то МЭМС по отношению к системе, в которую они входят (SoP, SiP а также SoC) - это системы в системе, системный характер которых, таким образом, подчёркнут дважды.

Важными системными характеристиками МЭМС устройств являются системная декомпозиция, корпусиро-вание, калибровка, чувствительность, разрешение, SNR, стабильность, надёжность и т. д.

Причём независимо от того, идёт ли речь о системах в корпусе или на одном кристалле, МЭМС устройства обеспечивают более высокую надёжность, сниженную цену сборки, чем не МЭМС аналоги, расширяют сферы применений.

Актуальность технологий МЭМС основывается на их ключевых преимуществах, а именно возможности получения миниатюрных, функциональных, надёжных и точных устройств, допускающих их лёгкую интеграцию, низкую цену, малое энергопотребление.

Эти преимущества взаимно коррелированны. Миниатюризация снижает цену, поскольку снижается потребление материалов, реактивов, допускается пакетное производство и расширяется применимость технологий МЭМС .

Миниатюризация обеспечивает следующие преимущества:

микроминиатюризация существующих устройств (датчиков, передач);

разработка новых устройств, основанных на принципах, не работающих в большем масштабе (пример - биоМЭМС на основе электроосмотического эффекта; данный эффект, состоящий в направленном движении жидкости под действием электрического поля, наблюдается только в каналах размерами в доли мм);

разработка новых средств взаимодействия с микромиром (сканирующие туннельные микроскопы, микрозажимы для анализа клеток).

Миниатюрные системы применяются там, где макроустройство помещено быть не может, а достигнутое благодаря развитости технологий снижение цены рождает массовый спрос, а это в свою очередь окупает инвестиции по усовершенствованию характеристик, добавлению функциональных признаков.

Надёжность и расширенные функциональные признаки позволили МЭМС устройствам вытеснить другие, не МЭМС аналоги из многих областей применения. Так, в акселерометрах типа ball-in-tube контакт может загрязниться, элементарный датчик контактного типа может не сработать при детектировании или, напротив, сработать при детектировании сильного торможения, которое на самом деле отказом датчика не является. МЭМС устройства позволяют включать в анализ более информативную аналоговую или цифровую передаточную кривую ускорения, включают встроенную функциональность самотестирования, благодаря которой электронная система оповещается о состоянии датчика (самодиагностика).

ЛИТЕРАТУРА

1. A-F. Pele. Firm predict MEMS growth.www.eetimes.com/showArticle.j html?articleID=1999016 94

2. Yole's new MEMS foundry ranking reveals dramatic growth, key differences. www.smalltimes.com/articles/article display.cfm?ARTICLE ID=2948298&p=109

3. J. Walko. Huge growth seen for MEMS sensors, actuators.

www.mobilehandsetdesignline.com/207000688

4. D. Lammers. Strong Sensor, Actuator Market Driven By MEMS Technologies. Semiconductor International, 3/27/2008.

5. R.C. Johnson. MEMS market could

explode.www.eetimes.com/showArticle.j html?articleID=2 0710 0311

6. J.C. Eloy. Yole Ranks Top 30 MEMS Suppliers; Sees Rapid Growth in Consumer, Medical Semiconductor International, 1/31/2008.

7. P. Doe. MEMS at SEMICON WEST www.solid-state.com/articles/print.html?id=333137\

8. Yole Updates 2007 MEMS Ranking. Semiconductor International - 7/2/2008.

9. Данилин Н.С., Дмитров Д.М., Сабиров И.Х. Инновационные космические микросистемы в корпусе / М., изд. Дом «Спектр», 2011, 72 с