MEMS惯性传感器优势解析:THELMA制程和低成本封装方法
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意法半导体公司推出一系列惯性传感器,极具诱惑力的价格配合卓越的产品性能,让意法半导体迅速扩大了在消费电子MEMS传感器市场的份额。公司在MEMS技术特性上实现了两全其美:更小尺寸、更低价格、更高性能、更多功能(技术推动)与更具创新力的设计方法(设计推动的创新) ,使最终的MEMS器件更适合消费电子市场的需求[1]。
这个战略已经取得巨大成功,意法半导体因此而迅速崛起,成为世界最大的MEMS器件制造商。目前意法半导体的MEMS产品被世界知名的消费电子产品选用,如任天堂的Wii游戏机、苹果的iPhone手机和iTouch播放器以及其它产品[2]。例如,任天堂的Wii游戏机的遥控器“魔棒”(图
(a) (b)
图 1:这两张图片中的产品采用意法半导体的惯性传感器技术,在消费电子产品中为客户提供全新的功能(来源:iSuppli市调公司)。 意法半导体的MEMS惯性传感器基于意法半导体的微致动器和加速计的厚外延层制程(THELMA),如图2 [3]所示。THELMA是一个非集成化的MEMS制造程,比多晶硅表面微加工制程略复杂,但是拥有独特的优点,准许实现较厚的结构,这对电容式惯性传感器极其有用。虽然THELMA制程用于实现电容式惯性传感器,但是这项技术非常灵活,还可以用于制造加速计、陀螺仪和其它的MEMS器件。 这个制程的第一个步骤是在晶圆上生成一层2.5μm厚的热二氧化硅(图 意法半导体率先投入量产的低成本封装方法是意法半导体惯性传感器的主要特色之一。如前文所述,MEMS器件的封装很可能是产品制程中最昂贵的环节。意法半导体的封装方法是使用一个玻璃粉低温晶圆级键合工艺,把惯性传感器封闭在两颗晶圆之间的密闭空腔内,然后再使用一个格栅阵列(LGA)封装平台技术封装芯片,意法半导体率先将这项封装技术用于最后的器件封装。在这个过程中,可以把单个的传感器裸片放在半导体裸片的旁边(并列结构)或把传感器裸片和半导体裸片相互堆叠放置(堆叠封装),如图3所。 在堆叠结构中,先用胶合膜将传感器裸片焊到一个表面积很大的基片上(图4)。半导体裸片和MEMS裸片堆叠放置可使封装变得很小(图5)。使用丝焊方法连接两颗裸片的电触点,然后,再用注塑封装技术封装裸片。这种封装方法可以在大面积的基片完成,因此成本相对较便宜。封装应力特别是粘接和注塑过程产生的应力曾经是这项封装技术的一大挑战,意法半导体成功地解决了这个难题。图6描述了意法半导体的超紧凑型线性加速计封装的进化历程,线性加速计广泛用于消费电子产品。
图 3:意法半导体的两种惯性传感器封装结构:(左) 并列封装;(右)芯片堆叠封装