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MEMS迅速发展 我国还需突破多重难题

行业上下游中国仪表网2012年12月10日 10:05人气:18365

  MEMS技术运用开始于上世纪70年代末期的欧美等国家,用于以蚀刻硅片结构制作压力传感器、电容式感应移动质量加速计和定位陀螺仪。上世纪90年代起,围绕着PC和信息技术,微光学器件成为MEMS运用的主要领域。本世纪初,随着工艺技术的不断完善与创新,面向射频无源元件,在硅片上制作的音频、生物和神经元探针,以及所谓的“片上实验室”生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件,开始广泛启用MEMS工艺技术。我国在科研方面与国际几乎同步,但产业化技术工艺和应用与国际相比,具有近10年的差距。
  
  由于MEMS技术工艺具有较大的分散性和差异性,其运用方式不同,使得产品设计、材料、加工、系统集成、封装、测试等都面临诸多复杂问题。例如,CMOS和MEMS集成问题,MEMS器件大批量、低成本、高可靠性的工业化生产问题,封装工艺的标准化问题,适应性较广泛、稳定、成品率和可靠性较高的工艺流程问题,封装设计和工艺规范模块化问题等等,都是MEMS技术发展过程中亟待解决的问题。
  
  此外,商业模式也是制约技术发展的重要因素。成本压力增大,产业基础薄弱,投资力度不足,市场集中度不高,难于形成整体性运行与服务的商业模式,迫使应用领域和技术选择离散型较大,工艺划分清晰导致技术差异较大,难以发挥专业化、规模化效益,很难真正成为一种可以服务于多个垂直市场的规模商业化模式。很多IC企业希望进入MEMS领域,但缺乏专业技术和人才,技术往往都在大专院校和科研机构,缺乏成果转化与商业开发。
  
  市场需求增加推动产业规模扩大
  
  随着电子产品在医疗、家庭、汽车、环境和安防系统等领域得到应用,同时在日常生活中更加普及,MEMS产业对新型封装技术和封装材料的需求变得愈加迫切。
  
  产品规模化生产中的协同设计、低成本材料和高可靠性互连技术方面的创新,以及产业化、个性化的创新型封装解决方案也显得至关重要。
  
  据国际权威机构统计,2011年全球MEMS器件销售额突破80亿美元,比2010年的71亿美元约增长12.8%。不同的MEMS应用领域增长速度有快有慢,凸显器件的应用领域更加多样化,也越来越广泛。其中,汽车传感器、消费与移动MEMS领域产品销售额增长远远大于平均增长速度。工业、航空和医疗等高附加值传感器产品销售额增长大于30%,并且未来5年内还将会持续保持一定的增长速度。这将促使许多MEMS厂商在看好不断增长的高端市场同时,着手调研其他市场,拓展其他相关应用领域,扩大产业规模,追求稳定的增长和可观的经济效益。
  
  封装工艺多样化技术发展趋于成熟
  
  由于半导体集成电路工艺对MEMS形成了较大的支持,使得以单晶硅Si、Si02、SiN、SOI等为主要材料,在纳米到毫米量级制作电子和机械元器件,成为微电子系统集成发展的新方向。与IC芯片不同,MEMS封装一般要与外界接触,需要满足适应特殊情况的信号界面、外壳、内腔、可靠性、降低成本等要求。因此,划片、烧结、互连、密封等工艺都需要特殊的处理方法。而IC恰好相反,其封装是采用裹椁式的密封隔离来保护芯片的。
  
  在不同的产品中,MEMS封装通常采用多种技术结合,如高密度封装、大腔体管壳与气密封装、晶片键合、芯片的隔离与通道、倒装芯片、热学加工、柔性化凸点、准密封封装等技术。在材料选用上大多采用陶瓷、金属、铸模塑料,以及陶瓷与金属、陶瓷与玻璃、金属与玻璃等结合的方式来满足对特殊界面和外壳性能的要求。这些技术的运用已经基本趋于成熟。
  
  另从国外发展趋势看,MEMS封装类别几乎都沿用标准IC封装结构形式,力求使其更规范化、标准化,以便于低成本和规模化生产。
  
  产业集中度提升促进商业化模式创新
  
  众所周知,MEMS涉及技术和应用领域广泛而复杂,难以形成一种统一的标准模式,但需要对每种应用确定一种标准封装及其发展方向。比如在电路工艺制作、测试和封装结构上力求实现规范化和标准化。行业机构已着手制定封装和制造工艺的标准化工作。
  
  在基础研究领域,正在尝试商业化模式,引入风险投资参与具体产品的基础技术研发,拉近和缩小与平面工艺的差距与距离,降低生产难度,逐步形成通用工艺技术平台。同时,引导和吸引传统半导体制造商参与MEMS工艺产品研发和生产,特别是参与到医疗、安防、汽车和环境领域中(力敏、磁敏、光敏传感器和生物医学的各种执行器等需求大、价值高,是具有良好经济效益的高端产品),以促进MEMS产业的良性发展。
  
  总而言之,MEMS是当今国际共同关注的重大科技前沿技术,已不同程度地被广泛应用于基础元器件产品结构和工艺过程中,成为基础产品创新的技术平台。该技术的应用,使得创新功能与结构的产品不断涌现,发挥了无可比拟的作用。从敏感元件到通信器件、移动通信前端的RF、微流体系统等,无一不存在MEMS技术,诞生出新型微型开关、衰减器、耦合器、连接器以及电容器、电感器、谐振器、滤波器、移相器、天线等关键元器件;在微流体系统中有微泵、微阀、微混合器、微流体传感器等一大批新型元器件,大大提升了应用系统的在线测控水平。
  
  国际MEMS产业正处在蓬勃发展时期,产业链和价值链正趋于稳定与成熟。国内企业在科研方面已跻身世界前列,在部分领域有了一些成果,例如传感器,光开关、RF、微流体系统、小型化结构创新类产品等可以形成小批量生产或多种原理性样品。但从总体水平上看,与国外存在一定的差距,主要体现在产业化工艺水平上。需要在工艺技术研究、装备投入、产业化模式创新、基础产业链的完善、高端人才的集中与培养等方面更进一步加强,同时,应集中资源,创立国家MEMS技术工程研究中心,选择一些应用量大、面广的产品作为技术发展和市场切人点,形成科研-产品-产业的完整规划和协调发展,不断创新工艺技术和产品以满足市场需求,寻求与探索商业模式与规律,构建并形成市场引导下的完整产业链,用扎实的基础来迎接和面对MEMS技术发展中存在的机遇和挑战。
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