《电子封装、微机电与微系统》课件第13章

第十三章微系统13.1微系统的概念13.2微系统的特点13.3微系统的关键技术

13.1微系统的概念

如图13-1所示，美国DARPA的微系统办公室(简称MTO)定义微系统技术为：将微电子器件、光电子器件和MEMS器件融合集成在一起，基于开发芯片级集成微系统的新技术。如图13-2所示，芯片级集成微系统的主要特点是异类器件通过三维集成途径，形成芯片级高性能微小型电子系统。它比目前的SOC、SIP、MEMS以及各种三维集成的混合集成电路、功能模块具有更高的集成水平和更强的功能。图13-1微系统技术图13-2集成微系统图13-3微系统开发平台

13.2微系统的特点

微系统具有以下几个特点。

1.更高性价比

如图13-4所示，随着系统复杂度的不断提升，其开发周期和制造成本迅速增长。由图可见，采用SIP或三维集成封装结构来开发复杂的电子系统将更快捷有效，也更经济合算。图13-4开发成本与周期

2.集成更多功能

自摩尔定律首次预测硅片上晶体管的数量每18个月翻一番以来，高集成度一直都是IC人员追求的目标。然而随着晶体管的密度增加，开发所需的相应生产工艺的成本也随之增加，CMOS技术成为最昂贵的技术，尺寸与经济的平衡点即被打破。图13-5后摩尔定律图13-6TPMS图13-7TPMS组成模块图13-8TPMS成品实物图

3.更小尺寸

微系统集成的目标是电子系统装备的集成尺寸实现类似摩尔定律的下降。图13-9所示的芯片原子钟，尺寸从230cm3缩小到1cm3；功耗从10W减小到30mW；精度高达1μs/d。图13-10所示的导航微陀螺，质量从1589g减小到10g,，尺寸从15cm×8cm×5cm减小到2cm×2cm

×0.5cm，功耗从35W减小到1mW。图13-9芯片原子钟图13-10导航微陀螺

4.领域更宽

微系统涉猎领域比一般传统系统更宽泛。比如昆虫MEMS。图13-11所示为在昆虫早期变态阶段(例如蛹)，把MEMS植入昆虫体内，开发机械—昆虫紧密耦合技术。图13-11昆虫MEMS

2010年1月美国加州大学伯克利分校的研究人员做了一个演示。他们将6个神经电极刺入犀牛甲虫的蛹中，当犀牛甲虫成熟后，就能接收电信号。实验人员通过无线电遥控犀牛甲虫进行起飞、着陆，向前、向后飞行，向左、向右转弯。微型控制板和电池的总重量为1.3g，而犀牛甲虫能够携带大约3g的物体飞行，如图13-12所示，因此，犀牛甲虫还有很大的空间携带微型传感器、摄像头或者麦克风等装置。图13-12犀牛甲虫MEMS

13.3微系统的关键技术

微系统的发展面临如下一些关键技术。

1.总体规划与综合设计

芯片级集成微系统的研制与应用涉及到使用、开发、设计、制造等方面的密切配合。发展芯片级集成微系统，首先要作好顶层设计和总体规划。

2.芯片级三维结构异构集成

如图13-13所示，微系统包含SIP、SOC、MEMS等高性能的芯片，整个系统结构包括器件层、互连层、隔离层、互连通孔、散热通孔和引出压点等部分。器件层中包含有数字电路、模拟电路和各种可重构的电路，可以是微电子、光电子和MEMS器件。如何实现各种芯片、电路的异构集成，是微系统成败的关键。图13-13微系统三维结构

3.异类器件接口及工艺兼容

异类器件接口及工艺兼容即采用先进的功能材料、设计合理的兼容工艺，加工不同类型的器件、电路，使之满足各种异类器件接口要求，以保证微系统具有优异性能和可靠性，从而完成各种复杂的集成功能。

4.光互连技术

如图13-14所示，芯片级集成微系统结构的内部如何采用光互连技术，以实现结构内部电磁环境的改善，从而降低电磁信号的互相影响，提高系统处理数据、传递信号的能力，也是微系统必须考虑的。图13-14片级集成微系统结构内部光互连技术

5.自适应光子相控阵单元

图13-15所示为自适应光子锁相单元(简称APPLE)，应用于激光雷达、激光通信、激光对抗、激光目标指示和高功率激光武器系统。图13-15自适应光子锁相单元