智慧型手機(jī)、平板電腦應(yīng)用市場(chǎng)持續(xù)增溫，使得MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)元件市場(chǎng)需求越來(lái)越高，MEMS元件在技術(shù)上仰賴晶片化制程與封裝技術(shù)進(jìn)行功能改善，透過(guò)新的整合技術(shù)讓元件在感測(cè)能力精度持續(xù)提升下，也能維持極佳的元件體積微縮表現(xiàn)，恰好符合行動(dòng)裝置追求的輕、薄、短、小設(shè)計(jì)趨勢(shì)...


消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，對(duì)于終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)，必須充分迎合市場(chǎng)喜好進(jìn)行整合，將產(chǎn)品越做越小、性能更好，一直是相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)技術(shù)突破點(diǎn)，就以本文討論的重點(diǎn)MEMS微機(jī)電元件產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，近年除了用量持續(xù)激增，元件廠商也愿意投入更多資源進(jìn)行MEMS元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。


行動(dòng)裝置、智慧型手機(jī)可搭載的微機(jī)電感測(cè)功能元件越來(lái)越多元。Bosch

   
圖為采取晶圓級(jí)晶片封裝的三軸加速度計(jì)，可導(dǎo)入助聽(tīng)器、行動(dòng)裝置等小巧設(shè)備開(kāi)發(fā)應(yīng)用。Bosch
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例如，使用系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)將不同感測(cè)應(yīng)用功能整合，以減少元件的使用量，對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能以套裝解決方案一次完成微機(jī)電感測(cè)相關(guān)設(shè)計(jì)線路，如此一來(lái)也能將電路載板進(jìn)一步簡(jiǎn)化、縮減使用面積，在各方面的成本、效能、開(kāi)發(fā)復(fù)雜度簡(jiǎn)化等效益均能浮現(xiàn)，而MEMS元件朝持續(xù)微縮、功能整合強(qiáng)化元件功效，亦成為MEMS不同業(yè)者展現(xiàn)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要關(guān)鍵。


行動(dòng)裝置整合MEMS元件已成設(shè)計(jì)趨勢(shì)

在市場(chǎng)應(yīng)用的氛圍下，幾乎只要是行動(dòng)裝置都會(huì)選擇搭載MEMS元件，以建構(gòu)如加速度、設(shè)備傾斜、地磁方位等感測(cè)能力，不只智慧型行動(dòng)電話大量整合MEMS發(fā)展更具互動(dòng)效果的人機(jī)介面、娛樂(lè)電玩應(yīng)用，就連平板電腦、筆記型電腦等中、大屏幕產(chǎn)品也開(kāi)始嘗試進(jìn)行MEMS感測(cè)元件的深度整合。

MEMS元件已儼然形成一波3C/IT產(chǎn)品業(yè)者不能忽視的發(fā)展方向，至于MEMS感測(cè)器已是消費(fèi)性電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用不可或缺的關(guān)鍵零組件。不只是行動(dòng)裝置大量使用MEMS元件，就連電視游戲主機(jī)的體感控制器、控制手把、筆記型電腦，甚至是白色家電產(chǎn)品，越來(lái)越多消費(fèi)電子產(chǎn)品導(dǎo)入加速計(jì)，實(shí)現(xiàn)搭配使用者介面整合設(shè)計(jì)應(yīng)用。


整合多項(xiàng)感測(cè)元件  強(qiáng)化微機(jī)電感測(cè)精準(zhǔn)度

而在終端產(chǎn)品應(yīng)用上，早期產(chǎn)品為了達(dá)到迎合市場(chǎng)需求增加動(dòng)態(tài)或動(dòng)作感應(yīng)設(shè)計(jì)，會(huì)選擇在產(chǎn)品中采行成本較低的加速度計(jì)MEMS整合設(shè)計(jì)，但單僅加速度計(jì)頂多僅能感應(yīng)單向的晃動(dòng)感測(cè)，若增加多軸加速度計(jì)則可略為改善感測(cè)資訊薄弱問(wèn)題，但僅加速度計(jì)難以辨識(shí)精細(xì)的操作動(dòng)作些微差異，較完善的作法是追加陀螺儀(Gyro sensor)感測(cè)器輔助，透過(guò)多元MEMS元件協(xié)同整合進(jìn)行感測(cè)現(xiàn)況訊息提供，可以讓動(dòng)態(tài)感測(cè)的資訊更精準(zhǔn)，呈現(xiàn)用戶的動(dòng)作細(xì)節(jié)。

尤其在人機(jī)介面應(yīng)用互動(dòng)設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)者還可以使用多軸MEMS的陀螺儀整合元件，或搭配地磁感應(yīng)計(jì)、大氣壓感測(cè)計(jì)…MEMS功能，建構(gòu)全面、高精度動(dòng)態(tài)感測(cè)設(shè)計(jì)方案。而整合方案中常見(jiàn)的慣性量測(cè)系統(tǒng)(Inertial Measurement Unit；IMU)元件，就是相當(dāng)常見(jiàn)的設(shè)計(jì)實(shí)例，IMU為將加速度計(jì)、陀螺儀等關(guān)鍵元件整合，讓需要?jiǎng)討B(tài)、慣性感測(cè)的開(kāi)發(fā)場(chǎng)合輕松完成設(shè)計(jì)需求。


利用系統(tǒng)封裝多種MEMS功能晶片  縮小離散元件占位面積

但現(xiàn)有電子電路設(shè)計(jì)可用的載板面積，受限于產(chǎn)品的構(gòu)型設(shè)計(jì)，可用面積越來(lái)越有限，對(duì)于早期MEMS元件IC尺寸多為標(biāo)準(zhǔn)料件，使用數(shù)量一多其實(shí)占據(jù)載板的面積也相對(duì)增加，這是分散式的零件排布無(wú)法避免的問(wèn)題，而現(xiàn)有MEMS元件業(yè)者為了迎合行動(dòng)裝置的整合需求，大多針對(duì)幾種特定感測(cè)器的組合應(yīng)用建構(gòu)系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)，將三至四組或更多數(shù)量的感測(cè)元件利用晶片整合封裝，大幅減少多元件可能產(chǎn)生的載板占位面積浪費(fèi)問(wèn)題。

加上不同的感測(cè)單元再利用晶片級(jí)的控制線路、控制單元與訊號(hào)位準(zhǔn)提升等功能單位整合，搭配系統(tǒng)級(jí)封裝打包形成整合型態(tài)的單一元件，對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)可省卻PCB載板的感測(cè)線路布線與減省主機(jī)板面積，實(shí)踐設(shè)計(jì)后也省卻了針對(duì)感測(cè)電路進(jìn)行的設(shè)計(jì)驗(yàn)證(因?yàn)橄到y(tǒng)級(jí)封裝已將信號(hào)處理、雜訊改善等線路整合，實(shí)際產(chǎn)品可以省掉這些開(kāi)發(fā)負(fù)荷)。


導(dǎo)入模組元件  可大幅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證負(fù)荷

運(yùn)用系統(tǒng)級(jí)封裝的整合設(shè)計(jì)具有相當(dāng)大的加值效益，由于系統(tǒng)所需的感測(cè)單元，除非該元件需特殊驅(qū)動(dòng)或封裝需求(如特殊的感測(cè)器)，否則都相當(dāng)適合整合成一組解決方案，元件整合后在量產(chǎn)程序也必須針對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能驗(yàn)證，只要通過(guò)驗(yàn)證，在導(dǎo)入電子電路設(shè)計(jì)后也可以直接認(rèn)為該模組相關(guān)功能已獲得測(cè)試驗(yàn)證，在產(chǎn)品后期開(kāi)發(fā)可將感測(cè)與控制模組視為已完成設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，可在開(kāi)發(fā)后期專注于核心功能開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證項(xiàng)目上，避免在一般性開(kāi)發(fā)工作耗費(fèi)過(guò)多研發(fā)資源。

而系統(tǒng)級(jí)封裝的好處也不僅如此，透過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝，可以在動(dòng)態(tài)感測(cè)模組上整合多軸加速度計(jì)、陀螺儀與所需的感測(cè)單元外，也有MEMS業(yè)者將行動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)節(jié)電管理機(jī)制導(dǎo)入MEMS整合元件中，例如在系統(tǒng)封裝內(nèi)加入MCU微控制器進(jìn)行功能單元的驅(qū)動(dòng)切換，當(dāng)系統(tǒng)閑置或關(guān)鍵應(yīng)用程式不需要感測(cè)資訊時(shí)，系統(tǒng)封裝的MEMS模組可以自行關(guān)閉整個(gè)元件驅(qū)動(dòng)或是部分模組耗能，達(dá)到極低的功耗表現(xiàn)。

此外，原本MEMS元件需要搭配訊號(hào)放大、訊號(hào)處理的離散元件，也都可以利用系統(tǒng)封裝的封裝體內(nèi)的空間余裕，進(jìn)行深度整合，將訊號(hào)處理與雜訊抑制等必要的關(guān)鍵元件一一整合，不只可讓終端設(shè)計(jì)的料件大幅縮減，也可減少這些離散元件占據(jù)寶貴的載板面積。


MEMS整合元件小巧  亦便于未來(lái)功能升級(jí)設(shè)計(jì)改版

以現(xiàn)有的功能型MEMS元件整合方式，采行SiP系統(tǒng)級(jí)封裝已相當(dāng)常見(jiàn)，而將多個(gè)MEMS元件整合在同一個(gè)封裝體料件中，進(jìn)而搭載加值的MEMS的微機(jī)電電氣信號(hào)預(yù)處理的ASIC電路，共同封裝在同一封裝體料件中，以這類整合型式制成的料件外型相當(dāng)小巧，常見(jiàn)的封裝面積僅有3 x 5 mm(或更小)以下，封裝體的料件厚度也可控制在1 mm以下。

使用整合性的元件取代原有的離散式元件布局與設(shè)計(jì)，除了可以讓料件表更少、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)外，也能將PCB載板面積縮減。但除了這些優(yōu)勢(shì)外，利用類似IMU這類整合性元件，可以將實(shí)踐的線路設(shè)計(jì)與元件整合，于IC或模組供應(yīng)商處即完成整合，這些微機(jī)電模組或元件的精度調(diào)?；蛘显O(shè)計(jì)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者可以省下這些繁復(fù)的設(shè)計(jì)處理，而線路大幅整合的狀態(tài)也可讓終端設(shè)計(jì)的線路更單純與更易于維護(hù)。[!--empirenews.page--]

至于未來(lái)相關(guān)設(shè)計(jì)若需升級(jí)感測(cè)特性效能，則可在原有的設(shè)計(jì)方案中直接選擇更進(jìn)階的整合元件方案，升級(jí)改善設(shè)計(jì)若在元件腳位、電氣準(zhǔn)位未改的前提下，甚至只要更換MEMS模組元件即可完成升級(jí)相關(guān)設(shè)計(jì)。