[導讀]MEMS封裝技術正迅速朝標準化邁進。為滿足行動裝置、消費性電子對成本的要求，MEMS元件業(yè)者已開始舍棄過往客制化的封裝設計方式，積極與晶圓廠、封裝廠和基板供應商合作，發(fā)展標準封裝技術與方案，讓MEMS元件封裝的垂
MEMS封裝技術正迅速朝標準化邁進。為滿足行動裝置、消費性電子對成本的要求，MEMS元件業(yè)者已開始舍棄過往客制化的封裝設計方式，積極與晶圓廠、封裝廠和基板供應商合作，發(fā)展標準封裝技術與方案，讓MEMS元件封裝的垂直分工生態(tài)系統(tǒng)更趨成熟。
Yole Developpement共同創(chuàng)辦人Eric Mounier
隨著智慧型手機或其他消費性電子裝置大舉導入微機電系統(tǒng)(MEMS)感測器，MEMS封裝產值已顯著增長，在未來幾年內市場規(guī)模將達到整體IC產業(yè)的5%，比重大幅攀升。由于大量消費應用的快速成長和逐漸集中在某些裝置，將導致MEMS封裝技術成為市場決勝關鍵，相關業(yè)者必須投入發(fā)展標準封裝方案，方能持續(xù)壓低元件尺寸及量產成本。
MEMS出貨需求激增 半導體封裝廠迎新商機
MEMS封裝產業(yè)的規(guī)模在2012年已達16億美元，總共出貨七十多億顆晶片，且市場需求正快速增加，2010～2016年整個MEMS封裝產值的年復合成長率(CAGR)將達到20%，至2016年出貨量將上看一百四十億顆。不過，低成本消費性電子產品逐漸主導MEMS市場，也為相關業(yè)者帶來價格壓力，將使營收的CAGR僅有10%，至2016年將達到26億美元(圖1)。
無論哪一種計算方式，MEMS封裝市場的成長率仍比主流IC封裝多出約一倍的幅度，雖然MEMS包含各式各樣的產品，元件特性與封裝需求也天差地別，但近來MEMS市場已逐漸被特定裝置主導，如消費性應用目前占整體MEMS營收50%以上，四大主要裝置包括加速度計、陀螺儀、磁力計和麥克風，出貨占比已超過所有MEMS出貨量的一半。
圖1 2010～2016年MEMS封裝產值成長預測
因應消費性電子的大量需求，未來MEMS封裝技術將朝標準化演進，為產業(yè)帶來許多改變的空間。盡管目前封測代工廠至今只占40%的MEMS封裝業(yè)務(以金額計)，而整合元件制造商(IDM)則主導大半市場，后者依靠專業(yè)封裝技術達成產品區(qū)隔；但是，隨著MEMS在消費性應用領域的出貨量遽增，將驅動更多制造商外包封裝及裝配業(yè)務，建立垂直分工的供應鏈，為半導體封測廠引來更多商機。
價格在這些消費市場當然也很重要，而制造商藉由不斷減少晶片大小，已大幅降低制造成本。現(xiàn)階段，消費性應用的MEMS封裝尺寸大多為2毫米(mm)×2毫米，高度上限則為1毫米，且還會持續(xù)縮小。以應用廣泛的MEMS加速度計為例，由于封裝占制造成本約35～45%，促使業(yè)界揚棄對每個裝置做客制化封裝服務，而迎向更標準的封裝類別，因此在類似裝置上大多可重復使用，加速新世代的發(fā)展。
另一方面，行動裝置或消費性電子的成本及功能設計需求，也驅動慣性感測器由分離式封裝轉向多晶片整合模組。主要原因系系統(tǒng)廠要求能有效管理感測器資料，以減少感測誤差，因此MEMS供應商須提供更短、更快的各種MEMS元件連接方案。
這些新興組合元件未來將是慣性感測器市場主要成長動力，因而產生新的封裝、裝配及測試需求，如模組須以高良率的裸晶裝配才能符合經濟效益，而測試及交叉校正則須提高至六個、九個或十個感測器所有標軸；至于制造商更須要想出保障這些復雜多重零組件系統(tǒng)的方式。
強攻3D WLP封裝 MEMS廠商花招百出
絕大多數(shù)MEMS裝置(約總數(shù)的75%)為封裝中的打線接合系統(tǒng)(Wire-bonded System)，然后是Side by Side接合方案，或是和控制用的特定應用積體電路(ASIC)堆疊在標準導線架、球閘陣列(BGA)/平面柵格陣列(LGA)壓合基板。長期而言，前兩項方式仍會是主要封裝技術，但約有兩成MEMS元件將直接與基于互補式金屬氧化物半導體(CMOS)的ASIC整合成系統(tǒng)單晶片(SoC)。
業(yè)界一度以為大部分MEMS都將采用SoC方式，但目前此類元件只適用在須非常短距離連結的特殊裝置，如每個畫素單位都要有直接反應的MEMS微透鏡(Micromirror)、熱像感測器(Microbolometer)或振蕩器。大多數(shù)MEMS系統(tǒng)在封裝層級，連結不同的零組件上最有效率，但對更小的裝置及以更短距離相互連接的需求，正轉移至MEMS、ASIC和主機板間的接合、晶圓凸塊連結或3D堆疊架構。
目前許多MEMS制造商具備獨特的晶圓堆疊方案，并已導入生產慣性感測器，包括晶圓凸塊到金屬對金屬接合、MEMS內矽晶、多晶矽填充導孔到中介層導孔等方式；然而，在MEMS制造技術的競爭逐漸轉向功能性競爭的情況下，將有更多業(yè)者采納標準封裝方案，以拉低成本并加快開發(fā)時程。
舉例來說，無晶圓廠的應美盛(InvenSense)即與臺積電、格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)等晶圓代工廠合作，以高效率、低成本的鋁鍺共晶金屬對金屬接合覆蓋制作方法，將MEMS與ASIC結合，在消費性陀螺儀市場大有斬獲。值得注意的是，該公司目前公開授權此相互連結技術，透過與其他晶圓廠認證制程，與多專案晶圓(Multi Project Wafer)結合，相較獨立研發(fā)而言，可發(fā)展出更多應用與技術。
目前兩家主要MEMS晶圓代工業(yè)者都將目標放在客戶尋求的矽穿孔(TSV)平臺上，以滿足MEMS業(yè)者對小尺寸封裝的殷切需求。Silex Microsystems長期以來提供TSV模組給客戶，而Teledyne DALSA為MEMS晶圓廠客戶，也在晶圓層級MEMS連結ASIC方面，開發(fā)低成本Wet-plated Copper TSV平臺。Teledyne DALSA使用授權的Alchimer電鍍制程技術，在同一個制程模組整合導孔隔離(Via Isolation)及填充，以達到更佳的成本效率，并與該公司合作開發(fā)量產。
意法半導體(ST)則以更獨特的方式，自行在MEMS晶片上制造TSV，并將晶片附著在主機板上。此方法藉由蝕刻空氣間隙，消除接合焊盤所需的空間，以隔離的多晶矽導孔取代，雖用基本MEMS制程，但必須在大約十倍的尺寸上進行，才能以打線接合或覆晶方式附著于ASIC。如此一來，晶片尺寸可較溫和增加成本的TSV制程減少20～30%，總成本較低。該公司目前以此技術量產加速度計，并表示接下來將導入陀螺儀，甚至用于更小的多晶片模組。
同時，Bosch Sensortec及Murata/VTI也運用自己的技術，但封裝基礎架構則利用外包形式。Bosch Sensortec采取相對傳統(tǒng)的焊接凸塊方式連接MEMS和ASIC。Murata以矽晶中介層、蝕刻導孔周圍的矩陣覆蓋MEMS慣性感測器，并以硼矽玻璃填充，然后覆晶于打薄的ASIC上，在其四周加上較大的焊接球，將整層裝上主機板。[!--empirenews.page--]
至于中介層部分則可由其MEMS晶圓廠或工程基板供應商如PlanOptik制造，凸塊則由ASIC供應廠或凸塊轉包商負責，而最后可能在馬來西亞的Unisem將晶片接合到晶圓、進行裝球及底部填充。
顯而易見，MEMS標準封裝技術，以及垂直分工的生態(tài)系統(tǒng)正快速崛起，將為往后的MEMS產業(yè)帶來全新的樣貌。
Yole Developpement共同創(chuàng)辦人Eric Mounier
隨著智慧型手機或其他消費性電子裝置大舉導入微機電系統(tǒng)(MEMS)感測器，MEMS封裝產值已顯著增長，在未來幾年內市場規(guī)模將達到整體IC產業(yè)的5%，比重大幅攀升。由于大量消費應用的快速成長和逐漸集中在某些裝置，將導致MEMS封裝技術成為市場決勝關鍵，相關業(yè)者必須投入發(fā)展標準封裝方案，方能持續(xù)壓低元件尺寸及量產成本。
MEMS出貨需求激增 半導體封裝廠迎新商機
MEMS封裝產業(yè)的規(guī)模在2012年已達16億美元，總共出貨七十多億顆晶片，且市場需求正快速增加，2010～2016年整個MEMS封裝產值的年復合成長率(CAGR)將達到20%，至2016年出貨量將上看一百四十億顆。不過，低成本消費性電子產品逐漸主導MEMS市場，也為相關業(yè)者帶來價格壓力，將使營收的CAGR僅有10%，至2016年將達到26億美元(圖1)。
無論哪一種計算方式，MEMS封裝市場的成長率仍比主流IC封裝多出約一倍的幅度，雖然MEMS包含各式各樣的產品，元件特性與封裝需求也天差地別，但近來MEMS市場已逐漸被特定裝置主導，如消費性應用目前占整體MEMS營收50%以上，四大主要裝置包括加速度計、陀螺儀、磁力計和麥克風，出貨占比已超過所有MEMS出貨量的一半。
圖1 2010～2016年MEMS封裝產值成長預測
因應消費性電子的大量需求，未來MEMS封裝技術將朝標準化演進，為產業(yè)帶來許多改變的空間。盡管目前封測代工廠至今只占40%的MEMS封裝業(yè)務(以金額計)，而整合元件制造商(IDM)則主導大半市場，后者依靠專業(yè)封裝技術達成產品區(qū)隔；但是，隨著MEMS在消費性應用領域的出貨量遽增，將驅動更多制造商外包封裝及裝配業(yè)務，建立垂直分工的供應鏈，為半導體封測廠引來更多商機。
價格在這些消費市場當然也很重要，而制造商藉由不斷減少晶片大小，已大幅降低制造成本。現(xiàn)階段，消費性應用的MEMS封裝尺寸大多為2毫米(mm)×2毫米，高度上限則為1毫米，且還會持續(xù)縮小。以應用廣泛的MEMS加速度計為例，由于封裝占制造成本約35～45%，促使業(yè)界揚棄對每個裝置做客制化封裝服務，而迎向更標準的封裝類別，因此在類似裝置上大多可重復使用，加速新世代的發(fā)展。
另一方面，行動裝置或消費性電子的成本及功能設計需求，也驅動慣性感測器由分離式封裝轉向多晶片整合模組。主要原因系系統(tǒng)廠要求能有效管理感測器資料，以減少感測誤差，因此MEMS供應商須提供更短、更快的各種MEMS元件連接方案。
這些新興組合元件未來將是慣性感測器市場主要成長動力，因而產生新的封裝、裝配及測試需求，如模組須以高良率的裸晶裝配才能符合經濟效益，而測試及交叉校正則須提高至六個、九個或十個感測器所有標軸；至于制造商更須要想出保障這些復雜多重零組件系統(tǒng)的方式。
強攻3D WLP封裝 MEMS廠商花招百出
絕大多數(shù)MEMS裝置(約總數(shù)的75%)為封裝中的打線接合系統(tǒng)(Wire-bonded System)，然后是Side by Side接合方案，或是和控制用的特定應用積體電路(ASIC)堆疊在標準導線架、球閘陣列(BGA)/平面柵格陣列(LGA)壓合基板。長期而言，前兩項方式仍會是主要封裝技術，但約有兩成MEMS元件將直接與基于互補式金屬氧化物半導體(CMOS)的ASIC整合成系統(tǒng)單晶片(SoC)。
業(yè)界一度以為大部分MEMS都將采用SoC方式，但目前此類元件只適用在須非常短距離連結的特殊裝置，如每個畫素單位都要有直接反應的MEMS微透鏡(Micromirror)、熱像感測器(Microbolometer)或振蕩器。大多數(shù)MEMS系統(tǒng)在封裝層級，連結不同的零組件上最有效率，但對更小的裝置及以更短距離相互連接的需求，正轉移至MEMS、ASIC和主機板間的接合、晶圓凸塊連結或3D堆疊架構。
目前許多MEMS制造商具備獨特的晶圓堆疊方案，并已導入生產慣性感測器，包括晶圓凸塊到金屬對金屬接合、MEMS內矽晶、多晶矽填充導孔到中介層導孔等方式；然而，在MEMS制造技術的競爭逐漸轉向功能性競爭的情況下，將有更多業(yè)者采納標準封裝方案，以拉低成本并加快開發(fā)時程。
舉例來說，無晶圓廠的應美盛(InvenSense)即與臺積電、格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)等晶圓代工廠合作，以高效率、低成本的鋁鍺共晶金屬對金屬接合覆蓋制作方法，將MEMS與ASIC結合，在消費性陀螺儀市場大有斬獲。值得注意的是，該公司目前公開授權此相互連結技術，透過與其他晶圓廠認證制程，與多專案晶圓(Multi Project Wafer)結合，相較獨立研發(fā)而言，可發(fā)展出更多應用與技術。
目前兩家主要MEMS晶圓代工業(yè)者都將目標放在客戶尋求的矽穿孔(TSV)平臺上，以滿足MEMS業(yè)者對小尺寸封裝的殷切需求。Silex Microsystems長期以來提供TSV模組給客戶，而Teledyne DALSA為MEMS晶圓廠客戶，也在晶圓層級MEMS連結ASIC方面，開發(fā)低成本Wet-plated Copper TSV平臺。Teledyne DALSA使用授權的Alchimer電鍍制程技術，在同一個制程模組整合導孔隔離(Via Isolation)及填充，以達到更佳的成本效率，并與該公司合作開發(fā)量產。
意法半導體(ST)則以更獨特的方式，自行在MEMS晶片上制造TSV，并將晶片附著在主機板上。此方法藉由蝕刻空氣間隙，消除接合焊盤所需的空間，以隔離的多晶矽導孔取代，雖用基本MEMS制程，但必須在大約十倍的尺寸上進行，才能以打線接合或覆晶方式附著于ASIC。如此一來，晶片尺寸可較溫和增加成本的TSV制程減少20～30%，總成本較低。該公司目前以此技術量產加速度計，并表示接下來將導入陀螺儀，甚至用于更小的多晶片模組。
同時，Bosch Sensortec及Murata/VTI也運用自己的技術，但封裝基礎架構則利用外包形式。Bosch Sensortec采取相對傳統(tǒng)的焊接凸塊方式連接MEMS和ASIC。Murata以矽晶中介層、蝕刻導孔周圍的矩陣覆蓋MEMS慣性感測器，并以硼矽玻璃填充，然后覆晶于打薄的ASIC上，在其四周加上較大的焊接球，將整層裝上主機板。[!--empirenews.page--]
至于中介層部分則可由其MEMS晶圓廠或工程基板供應商如PlanOptik制造，凸塊則由ASIC供應廠或凸塊轉包商負責，而最后可能在馬來西亞的Unisem將晶片接合到晶圓、進行裝球及底部填充。
顯而易見，MEMS標準封裝技術，以及垂直分工的生態(tài)系統(tǒng)正快速崛起，將為往后的MEMS產業(yè)帶來全新的樣貌。
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