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微纳系统 (MEMS) 集成化 技术

微纳系统 (MEMS) 集成化 技术. 黄庆安 东南大学. 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室. 报告背景. 传感器 : 能 感受 规定的被测量并按照一定规律转换成可用 信号 输出的器件或装置. 电路. 传感器. 能用集成电路的制造方式生产传感器么？. 能把传感器、电路和封装体一起集成制造么？. 传感器 多品种 小批量. 电路 低成本 高性能. 传感器制造. CMOS 电路制造. 这么大规模制造， 有市场需求么？. 能把传感器、电路、封装体、基板、电源一起集成制造么？. 传感器封装. 电路封装. 印刷电路板 + 电源.

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微纳系统 (MEMS) 集成化 技术

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Presentation Transcript

  1. 微纳系统(MEMS)集成化技术 黄庆安 东南大学 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  2. 报告背景 传感器:能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置 电路 传感器 能用集成电路的制造方式生产传感器么？ 能把传感器、电路和封装体一起集成制造么？ 传感器多品种 小批量 电路 低成本 高性能 传感器制造 CMOS电路制造 这么大规模制造， 有市场需求么？ 能把传感器、电路、封装体、基板、电源一起集成制造么？ 传感器封装 电路封装 印刷电路板+电源

  3. 报告提纲 • MEMS市场发展 (电子消费品，汽车，医疗，物联网) • MEMS技术发展 • MEMS集成化制造技术 (CMOS-MEMS，SiP及国外典型产品) • 我国863计划MEMS技术 (863，重大专项，物联网专项) • 总结 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  4. 一.MEMS市场发展 医疗传感器 消费类MEMS 汽车传感器 电信 医疗 工业 国防 消费 汽车 航空

  5. 消费类MEMS: 手机 加速度 陀螺 磁场 压力 图像 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室 麦克风

  6. 消费类MEMS: 手机 手机中的传感器 2012：20亿美元 2015：30亿美元 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  7. 汽车传感器(安全+节能+舒适)

  8. 汽车传感器 普通轿车>100只/车，豪华轿车>200只/车 汽车中的传感器 2012：8亿只 2014：10亿只

  9. 汽车传感器 中国汽车电子 2011：200亿美元 2015：300亿美元 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  10. 医疗与健康监护传感器 小型化与集成水平 时间 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  11. 医疗与健康监护传感器 健康监护传感器 2009：12亿美元 2015：45亿美元

  12. 物联网传感器（物联网：战略性新兴产业） 物联网 • 传感器网络 • 传感器 感知系统 通讯系统 计算系统 控制系统 数据海 中国43万公里(>220kV), 2010 TD 移动通信 中国7.41万公里(高速公路), 2010 中国43万公里(河流长度) 湖泊2800多个，面积8万平方公里 此传感器非彼传感器！ 成本？功耗？

  13. 物联网传感器（物联网：战略性新兴产业） The 10th Annual MEMS Technology Symposium May 23,2012, San Jose, USA KristoferPister, UC Berkeley JanuszBryzek, VP Fairchild Semiconductor Robert Haak, MANCEF Richard Friedrich, HP Labs Greg Galvin, CEO of Kionix Stephen Breit, Coventor Russell Shumway, Amkor Steve Nasiri, founder of InvenSense JérémieBouchaud, iSuppli Jean-Christophe Eloy, YoleDéveloppement Sensors: A Foundation for Accelerated MEMS Market Growth to $1 Trillion 传感器：加速MEMS产业链到1万亿美元的基础 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  14. 二.MEMS技术发展趋势 无线集成微系统 半导体材料 第一代微传感器 新的应用 复杂器件 集成敏感系统

  15. MEMS制造技术趋势：集成化 体微加工 表面微加工 厚SOI 薄SOI 三维集成 腔SOI CMOS集成

  16. 三.MEMS集成化制造技术 • MEMS制造方式 • （硅+并行制造） • MEMS集成制造方式 • （传感器+电路） • 微纳系统三维集成制造方式 • （传感器+电路+无源+封装体+基板+引线） 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  17. MEMS制造方式(硅+并行制造) 体微加工 表面微加工 键合 湿法1967 阳极键合1968 气相HF腐蚀1996 干法DRIE1995 硅直接键合1986 键合SOI+DRIE

  18. 目前状态 传感器制造(并行) ASIC制造(并行) 基板制造(并行) 集成化(串行)

  19. MEMS集成制造方式(传感器+电路) 传感器+CMOS=单片 电路 电路 传感器 电路 传感器 传感器 传感器 体微加工 Sensors beside CMOS 表面加工 Sensors beside CMOS Sensors on CMOS

  20. MEMS集成制造方式(传感器+电路) 传感器+CMOS=多片 ASIC制造 传感器制造 Sensors beside CMOS Sensors on CMOS

  21. MEMS集成 (传感器+电路)哪一种更好? • 研发成本 • 市场周期 • 生产成本 • 系统性能 单片：Sensors beside CMOS 单片：Sensors on CMOS 混合：Sensors beside CMOS

  22. 案例 体微机械加工技术 表面微机械加工技术 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  23. Analog Devices 惯性传感器 ST-microelectronics 惯性传感器 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  24. 电路 传感器 Infineon 压力传感器 传感器 电路 Honeywell 微辐射计 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  25. Bosch 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  26. 传感器 电路 Invensense

  27. ST-Microelectronics 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  28. 微纳系统三维集成制造方式（传感器+电路+无源+封装体+基板+引线）微纳系统三维集成制造方式（传感器+电路+无源+封装体+基板+引线） 前沿 无线集成微系统

  29. 案例：TPMS

  30. 无线集成微系统 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  31. 无源元件制造 IC制造 传感器制造 天线制造 电源制造 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  32. 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  33. 案例：Smart Dust 传感器 处理器 能量 收集 能量 存储 射频 天线 时钟 2mm3:敏感+电源+计算+通讯

  34. 《微纳系统》系列译丛，东南大学出版社（2005-2012）《微纳系统》系列译丛，东南大学出版社（2005-2012） 知识需要更新！ 技术需要更新！ 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  35. 四.我国863计划MEMS技术 2001-2005（2亿） 2006-2010（2亿） 2011-2015 • 共性技术 • 微纳传感器设计技术 • 微纳传感器制造技术 • 微纳传感器封装技术 • 微纳传感器集成化技术 • 微纳传感器测试技术 • 微纳传感器可靠性技术 • 微纳传感器 • 环境检测传感器 • 石油化工传感器 • 工业传感器 • 医疗传感器 • 汽车传感器 • 消费类传感器 •  工业传感器 医疗传感器及系统 环境(安全)检测传感器 汽车传感器 石油化工传感器  2011(0.6亿) 油气田监测压力传感器 汽车电子稳定惯性传感器 麦克风 交通安全传感器 电场传感器 血糖检测传感器 2012(0.5亿) 硅微纳传感器批量制造与封装 环境检测传感器 汽车传感器 医疗传感器 2013(0.5亿) 无线微纳传感器(机械行业) • 2013-2015（建议） • 前沿技术 • 阵列化微纳传感器 • (纳米)高性能微纳传感器 • 微能源制造技术 • 关键共性技术 • 单片集成技术 • 三维异质集成技术 • 微纳传感器重大产品 • 智能制造装备 • 工业过程控制 • 医疗与健康监护 • 汽车传感器

  36. 总结 • 过去传感器市场分散、种类多，长期处于多品种、小批量的制造方式； • 电子消费品、汽车、医疗、物联网等发展对传感器需求巨增，采用MEMS并行制造技术，才能满足这种需求； • 毫无疑问，这将会改变传统传感器的生产模式，给传感器产业带来革命性变化； • 国家863计划、重大科技专项、物联网行动计划等实施会强力推动这种制造技术发展； • 机遇与挑战并存！

  37. 报告完毕! 谢谢! 东南大学 · 南京 MEMS 教育部重点实验室

  38. 集成电路：高精度并行制造 • 以150mm生产线为例 • 芯片面积=3×3mm2；芯片数量1962个/园片 • 考虑成品率，1500只芯片/园片，10000园片/月，15×106只/月 • 芯片面积=3×3mm2，消费类成本 1元/只 • 工艺特征尺寸为0.25~0.5m • 高精度制造，使批量一致性得到保障，会大大降低测试成本。 • 高精度并行制造=低成本、大批量 • 硅材料=低成本

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