微系统的发展与应用

微系统的发展与应用

1产品生产及应用微系统是“扩大摩尔定规律”（更多莫尔定规律）和“扩大摩尔定规律”（更多u3000mau3000moore）的一个结合体，集成了材料、因素、系统模块和软算法等方面的技术。一个完整的微系统应具有感知、处理、控制、通信、执行等五大功能,因此系统中可包括感知、通信、信号调理、信号处理、数据储存、嵌入智能、互连、能量发生、能量储存、能量转换、照明等软硬件结构。微系统产品在航空航天、国防、通信信息技术、生物医学、汽车、消费、便携、环境、能源等领域有着广泛的应用,可包含高性能、智能化、低功耗、低噪声、小型化、无线、自主、生物兼容、高电压、耐辐照、耐高温、低成本、高可靠等属性。根据行业协会SEMI和市场调研机构Yole提供的分析数据,微系统技术市场在2011年达到72亿美元微系统技术的核心关键词是“集成”,集成电、光、MEMS、流体等多种能量域,集成传感、调理、转换、功率、通信、嵌入软件等多种功能,如图1所示。提高系统性能和可靠性、使系统微小型化是集成的目的,需要有重点地发展不同材料、不同结构、不同功能的异质集成新技术。目前通用的混合集成可作为初级集成方法使用,3D集成和单片集成的异质集成是目前研究的两大热点技术。微系统技术与微电子产业关联度高、技术的可伸缩性(可度量性)好、潜在应用领域广,因而具有良好的产业化发展前景。半导体技术领先国家及地区(如美国、德国、日本、韩国以及我国台湾地区等)都竞相发展微系统技术。在发展能够提供信号处理、计算、数据储存等重要功能的CMOS技术的同时,通过发展将现有IC工艺与光学、MEMS、微流体和纳米工艺等多学科结合的技术,和CMOS、双极、化合物、高压以及其他技术集成到系统封装里,实现多个功能甚至整系统集成,达到提升专用或通用系统性能的目的。单片系统集成(含单片2.5DIC,3DIC)也进入研发期。总体来说,微系统尚处于技术探索和研发初期,各种技术处于自由竞争、优胜劣汰的选择期,还没有像CMOS那样的集成电路主流技术出现,成熟产品较少。2u3000微系统的关键技术2.1微/纳系统的中心地位及发展现状迄今为止,微系统还没有形成主流的工艺制造技术。可以从以下几个方面描述目前国外重点发展的内容:1)核心的微系统硬件使能技术;2)集成信号处理、调理、数据储存和计算等功能的CMOS技术;3)CMOS与光学、MEMS、微流体和纳米工艺等多种学科的结合,包括混合系统集成技术、3D集成和单片异质集成技术,其中3D集成技术尤为引人注目;4)化合物半导体、高压、成像技术开发所需工艺技术。具有这些技术共同特征的异质集成技术处于所有微/纳电子系统的中心地位。异质集成技术重点包括单片和封装内的异质集成。这两种集成方式的技术和经济可实现的对应物就是片上系统(SoC)和系统封装(SiP或SoP)。不同的应用要求不仅需要发展针对特定产品的专用集成技术,也需要发展能够灵活集成具有数字和纳电子单元的高度复杂的技术。未来电子系统将以“延续摩尔定律的按比例缩小”和“拓展摩尔定律的多功能集成”两种方式发展,后者更强调多样化异质集成。多芯片集成的SiP可作为最终封装使用,这一概念意味着可以将预先集成形成的SoC与传感器、执行器、功率管理、RF接口等用多芯片集成技术再集成到一个SiP中,如图2所示。2.1.1tsv法提供支撑3D集成是器件层在垂直方向上堆叠和互连的制造技术,它很可能是具有最大发展潜力的微系统工艺技术,因为微系统平台在3D集成平台上才能进行多样化集成优化研究表明,在3D集成中,穿透通孔(TSV)互连对IC性能提升最大,是最具产业化发展前景的技术。Stromberg公司估计,2013年全球采用TSV技术的芯片市场规模将达到140亿~170亿美元,占全球半导体市场的比重约为5%~6%;而Yole公司估计,2017年TSV晶片将占到半导体总市场的9%,达到280亿美元。2.1.2cd成像传感器通常,传感器和执行器(S&A)采用专用MEMS技术制造,而计算和存储元件采用CMOS技术制造,整合两种技术是发展方向,并已衍生出多种技术:第一种,适应传感器和执行器制造要求的定制(专用)CMOS技术,适合应用于量产大和对成本敏感的产品,CCD成像传感器就是采用定制CMOSS&A制造的;第二种,在CMOS工艺基础之上增加专用工艺所形成的技术;第三种,采用后CMOS集成技术进行芯片级或晶圆级3D集成,形成所谓3D片上系统(3DSoC);第四种,在封装级别上集成CMOS芯片和S&A芯片形成封装上系统(SoP),例如应用于制造消费陀螺仪的技术,适用于模块化和短开发时间应用、成本考虑在其次的产品。目前使用较多的技术是第一种和第四种,从这两种传统模型可发展出更先进的集成制造技术。2.2开发可制造性小系统微系统设计是在可用技术的基本限制范围内开发高级系统和结构,包含系统产品开发的全部方面,即数字、模拟/混合信号、功率电子和嵌入软件以及MEMS和NEMS等技术。这就需要从多种学科中发展出系统级设计、硬件和软件协同设计、IC封装系统协同设计、产品/工艺和设备协同设计、验证,以及在测试、可靠性和可制造性限制下的物理实现等专门知识。异质系统的设计和制造向3D互连发展,用于控制的软件规模也在增加。设计智能化异质微系统需要开发新方法,以组合这些微小系统,需要在不同抽象级别上连接数字/模拟、电子/机械等接口。另外,需要建立设计平台复用技术,要从成熟的以SoC设计为中心的平台向支持多样化、多功能集成的设计平台发展。可制造性设计的目的是提升工艺成熟速度和提高工艺产出合格率、稳定性和可靠性。需要开发设计-产出模型和工艺流程设计软件,对降低随机合格率和系统性合格率的因素进行评估,使得产出合格率在设计阶段尽早得到优化。可靠性设计的目的是预测、优化和预先设计产品和工艺的可靠性,称之为虚拟样机方法。研究内容包括通过加速可靠性试验和先进的失效分析,理解多载条件下材料的性能、退化和失效机理;结合各种加速的、有效的、多物理、多尺度模拟模型,预测失效的发生。可测试设计是指在成品前为了保证产品的功能和质量所进行测试的设计,对多功能集成的微系统尤其具有挑战性,需要进一步发展测试策略、方法和设备。2.3控制程序设计软件在半导体中起着越来越重要的作用,在专用半导体的应用中,越来越多的功能需要使用软件来实现。尽管软件具有便携特性,在嵌入式控制中要有效实现控制软件和硬件的交互作用仍是最根本的东西。嵌入式软件集成仍然是按比例缩小和微系统多功能异质集成的重要内容。3u3000微系统技术的发展3.1掌握标准与专利控制权目前,3D集成关键工艺还处于开发阶段,仅芯片堆叠连线就有线键合(Wireu3000Bonding)、层迭封装(PoP)、嵌入式(Embedded)、穿孔(TSV)及边缘连线(Edgeu3000Trace)等多种技术。业界对于各个技术环节尚未能达成一致,工艺技术的标准尚未统一,比如说通孔的尺寸大小、硅片的厚度、填充金属材料、先通孔(via-first)或后通孔(via-last)制造工艺的选择等。为了在3D集成竞争中掌握标准与专利控制权,从而获得竞争优势,欧洲、美国、亚洲都成立了多家研发联盟推动其发展,形成材料、工艺、设计、封装测试、设备产业链上虚拟IDM形式的联合开发模式。全球投入3D集成研究的制造商、系统终端商、材料与设备商达数十家,包括Elpida,IBM,Intel,NEC,夏普、东芝等著名公司。相关的标准研发联盟有台湾的Ad-STAC,日本的梦芯工程(Dreamu3000ChipProject),欧洲的e-立方(e-Cubes)和IIAP-3D、美国的3DICu3000Alliance,以及美洲、欧洲半导体设备提供商EMC-3D联盟等。3.2u3000欧洲主导的联盟3.2.1u3000结u3000论欧盟在微系统相关先进技术产业方面处于全球领先地位。欧洲智能系统集成技术平台(theEuropeanu3000Technologyu3000Platformu3000onu3000Smartu3000SystemsIntegration,EPoSS)是一个行业驱动的政策计划,它明确了研发和创新的需求,以及与智能系统、微型纳米系统集成相关的政策要求3.2.2u3000ek3系统IMEC联盟是以比利时研究机构IMEC(Leuven,Belgium)为核心的3D堆叠芯片和系统设计联盟,致力于优化物理和技术意识结构,并以此解决系统级3D设计关键问题。该联盟在3D堆叠芯片(3DSIC)技术上获得了重大进展,采用直径为5μm的铜穿透硅通孔(TSV)完成芯片与芯片堆叠,并验证了该3D芯片的功能。该研发中心正在进一步开发200mm和300mm晶圆上的3DSIC芯片,并与国际半导体技术线路图拟定机构(ITRS)以及封装标准制定集团Jisso共同制定了基于电子供应链的3D分类标准。计划采用3D系统封装(3DSiP)来代表大部分传统的采用引线键合芯片堆叠的3D封装(Jisso标准的第二和第三级),而3D晶圆级封装(3DWLP)是指IC钝化后的3D互连工艺(Jisso标准的第一级)。3DIC或3DSIC将代表最紧密的集成级别,定义为0级,芯片间的互连发生在器件互连线的所有部分或中间级3.2.3u3000s/做欧洲的e-立方联盟(e-Cubes)已经建成了融合3D集成技术的技术平台e-Cubes开发的三大3D集成技术是:1)晶圆堆叠(3D-WLP),即薄芯片集成技术(TCI/UTCS)和通带(Viau3000Belt)技术;2)3D组装(3D-SIP),即高性能封装内封装(HiPPiP)、无线片上芯片(WDoD)、亚微米各向异性导电膜技术(SW-ACF);3)垂直系统集成(3D-SoC),即穿透硅通孔(TSV)技术(ICVSLID)、空心穿孔和金丝凸点焊(HoViGo)。根据应用和开发超小型化微/纳系统的需要,制定有关技术发展的要求,并成功开发无线传感器系统,包括超小型无线传感器网无线微系统、汽车电子轮胎压力检测系统(TPMS)和航空无线传感微系统等系列产品。3.3u3000美国主导的联盟3.3.1u3000高效存储芯片美国3DICu3000Alliance联盟由两家3D-IC设备商所创立:Tezzaron与Ziptronix。该联盟目前公布了一个针对内存的3D存储器规范内存互连标准(Intimateu3000Memoryu3000Interconnectu3000Standard,IMIS),作为制定3D堆栈内存芯片的官方标准。内存包含了SDRu3000DRAM,DDRu3000DRAM,DDRu3000Flash,QTRDRAM,NBTu3000SRAM,DTRu3000SRAM,QTRu3000SRAM和Dualu3000Port。这个标准的第一个版本于2008年6月1日推出3.3.2zm-fraunhofe的设计与工艺3D全硅工艺联盟由Georgia理工学院的微系统封装研究中心与位于德国柏林的IZM-Fraunhofe和韩国的KAIST共同成立,是一个研究以硅工艺来完成所有3DIC的设计工作团队。该联盟主要研究在硅载板上使用多层接线与屏蔽的TSV、薄膜有源与无源组件的开发、IC与硅基板互连的技术开发与可靠度评估以及各项技术整合等3.4aset的创新计划在日本产业技术综合开发机构(NEDO)“梦芯片工程”(Dreamu3000Chipu3000Project)中,ASET建立了“多种功能器件高密度3D集成技术”开发工程。ASET是日本超级先进电子技术开发机构的简称,它主导日本3D堆叠集成技术国家计划,研发先进技术进行整合制造,以便让3DIC达到效能与经济的期望目标。在2008到2012的5年间,ASET发展了关于设计环境、中间层、芯片测试、冷却和堆叠/健合、薄芯片等技术,以及样品器件和工艺3.4.2u3000建立上中下游产业合作关系台湾地区Ad-STAC先进堆叠系统与应用研发联盟(Ad-STAC)旨在建立上中下游相关产业的合作关系,企图整合各种3DIC设计、技术、设备、材料、封装与测试,以便发展出业界标准,加速台湾3DIC的发展,并达到推动设备及材料自产化的目的,让台湾有机会参与国际竞争,创造产业下一波竞争优势3.4.3ime主导的立体封装管理位于新加坡的电子封装研究联盟(EPRC)是由新加坡微电子研究院(Instituteu3000ofu3000Microelectronics,IME)主导,主要针对立体封装的整合挑战与嵌入式模块。该联盟的3DIC项目包含了设计使用已堆叠并包覆成形的系统芯片技术来产出3DSiP,使用3D技术作为芯片-晶圆的大量产异质集成技术,研发基底嵌入式薄型芯片,并完成可靠性等特性分析,实现高密度立体嵌入式晶圆级封装。3.5初始技术研究国内不少研究机构和公司致力于发展3DIC集成技术,大都针对原始开发资本较少的项目以及低技术门槛的项目,致力于TSV和3D堆叠/晶圆级封装技术的初始技术研究,如有关低成本MEMS、传感器和成像模块的TSV和3D堆叠技术的研究4u3000个微系统创新与发展战略的初步探讨4.1加强企业与半导体的直接合作国内应以联合开发模式开发核心技术标准。以标准开发为目的的研究将集中体现核心技术、知识产权和创新发展,易于形成系统化、系列化的技术,并实现产品化、产业化。尽管企业之间在业务上存在激烈竞争,但必须强调的是要开发3DIC集成技术,企业之间的合作是必要的。企业应达成必须建立技术和产业发展联盟的共识,主动积极地加强半导体各技术领域厂商的合作。为了使产品数量快速达到在经济上可行的制造批量,首先应该进行标准化和商品化工作,这只能通过在半导体产业界建立结构性的合作来实现。由于微系统技术的高门槛和复杂性,半导体厂和系统厂合作开发更加有必要。合作对象除产业界以外,还应包括各种科研院所和高校。重视联合开发的同时保证自主可控,才能真正在创新发展中获得核心竞争力。一个自主可控的环境适合具有较强专用属性的微系统技术发展,军民结合、以军带民推动微系统产业化发展是较好的途径。必要条件是以国有大中型骨干企业为核心组建开发联盟,并使用大系统和整机应用作为拉动力量。在半导体行业中,以军用技术为核心向民用应用领域扩展已有许多成功案例。4.2u3000竞争优势技术国内微系统技术发展要顺应系统集成和3DIC集成技术发展趋势,借鉴国际上领先企业的发展思路和经验,采用自顶而下的正向系统设计方法学,以市场需求为牵引,抓住技术发展关键点重点发力。正向系统设计技术:开发面向SiP(SoP)或SoC的系统设计环境。在集成数字和模拟功能的同时兼顾考虑空间、成本、功耗等因素。在封装内采用MEMS,MOEM器件、分立器件、薄膜器件进一步扩展功能。设计流程必须能够在高抽象级别上集成各种异质硬件技术和软件,还必须能在非常低级别上交换系统不同部分的数据,以便系统模型和模拟软件得以运行。嵌入系统技术:1)发展能够嵌入用户环境的、能够开发自治反应系统的编程技术,能够提供系统自测试和自校准,自修复和现场升级能力;2)开发可编程、平台基的方案,以缩短微系统开发周期,增强各种微系统的可用性以及相互之间平滑的转换(如从顶级的新品到现场试验产品),增强其商业化潜力;3)提供商业应用平台、工具、IP,开发源或标准