《電子封裝、微機(jī)電與微系統(tǒng)》課件第13章

第十三章微系統(tǒng)13.1微系統(tǒng)的概念13.2微系統(tǒng)的特點(diǎn)13.3微系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

13.1微系統(tǒng)的概念

如圖13-1所示，美國DARPA的微系統(tǒng)辦公室(簡稱MTO)定義微系統(tǒng)技術(shù)為：將微電子器件、光電子器件和MEMS器件融合集成在一起，基于開發(fā)芯片級集成微系統(tǒng)的新技術(shù)。如圖13-2所示，芯片級集成微系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是異類器件通過三維集成途徑，形成芯片級高性能微小型電子系統(tǒng)。它比目前的SOC、SIP、MEMS以及各種三維集成的混合集成電路、功能模塊具有更高的集成水平和更強(qiáng)的功能。圖13-1微系統(tǒng)技術(shù)圖13-2集成微系統(tǒng)圖13-3微系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

13.2微系統(tǒng)的特點(diǎn)

微系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1.更高性價(jià)比

如圖13-4所示，隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷提升，其開發(fā)周期和制造成本迅速增長。由圖可見，采用SIP或三維集成封裝結(jié)構(gòu)來開發(fā)復(fù)雜的電子系統(tǒng)將更快捷有效，也更經(jīng)濟(jì)合算。圖13-4開發(fā)成本與周期

2.集成更多功能

自摩爾定律首次預(yù)測硅片上晶體管的數(shù)量每18個(gè)月翻一番以來，高集成度一直都是IC人員追求的目標(biāo)。然而隨著晶體管的密度增加，開發(fā)所需的相應(yīng)生產(chǎn)工藝的成本也隨之增加，CMOS技術(shù)成為最昂貴的技術(shù)，尺寸與經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn)即被打破。圖13-5后摩爾定律圖13-6TPMS圖13-7TPMS組成模塊圖13-8TPMS成品實(shí)物圖

3.更小尺寸

微系統(tǒng)集成的目標(biāo)是電子系統(tǒng)裝備的集成尺寸實(shí)現(xiàn)類似摩爾定律的下降。圖13-9所示的芯片原子鐘，尺寸從230cm3縮小到1cm3；功耗從10W減小到30mW；精度高達(dá)1μs/d。圖13-10所示的導(dǎo)航微陀螺，質(zhì)量從1589g減小到10g,，尺寸從15cm×8cm×5cm減小到2cm×2cm

×0.5cm，功耗從35W減小到1mW。圖13-9芯片原子鐘圖13-10導(dǎo)航微陀螺

4.領(lǐng)域更寬

微系統(tǒng)涉獵領(lǐng)域比一般傳統(tǒng)系統(tǒng)更寬泛。比如昆蟲MEMS。圖13-11所示為在昆蟲早期變態(tài)階段(例如蛹)，把MEMS植入昆蟲體內(nèi)，開發(fā)機(jī)械—昆蟲緊密耦合技術(shù)。圖13-11昆蟲MEMS

2010年1月美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員做了一個(gè)演示。他們將6個(gè)神經(jīng)電極刺入犀牛甲蟲的蛹中，當(dāng)犀牛甲蟲成熟后，就能接收電信號。實(shí)驗(yàn)人員通過無線電遙控犀牛甲蟲進(jìn)行起飛、著陸，向前、向后飛行，向左、向右轉(zhuǎn)彎。微型控制板和電池的總重量為1.3g，而犀牛甲蟲能夠攜帶大約3g的物體飛行，如圖13-12所示，因此，犀牛甲蟲還有很大的空間攜帶微型傳感器、攝像頭或者麥克風(fēng)等裝置。圖13-12犀牛甲蟲MEMS

13.3微系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

微系統(tǒng)的發(fā)展面臨如下一些關(guān)鍵技術(shù)。

1.總體規(guī)劃與綜合設(shè)計(jì)

芯片級集成微系統(tǒng)的研制與應(yīng)用涉及到使用、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造等方面的密切配合。發(fā)展芯片級集成微系統(tǒng)，首先要作好頂層設(shè)計(jì)和總體規(guī)劃。

2.芯片級三維結(jié)構(gòu)異構(gòu)集成

如圖13-13所示，微系統(tǒng)包含SIP、SOC、MEMS等高性能的芯片，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括器件層、互連層、隔離層、互連通孔、散熱通孔和引出壓點(diǎn)等部分。器件層中包含有數(shù)字電路、模擬電路和各種可重構(gòu)的電路，可以是微電子、光電子和MEMS器件。如何實(shí)現(xiàn)各種芯片、電路的異構(gòu)集成，是微系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。圖13-13微系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)

3.異類器件接口及工藝兼容

異類器件接口及工藝兼容即采用先進(jìn)的功能材料、設(shè)計(jì)合理的兼容工藝，加工不同類型的器件、電路，使之滿足各種異類器件接口要求，以保證微系統(tǒng)具有優(yōu)異性能和可靠性，從而完成各種復(fù)雜的集成功能。

4.光互連技術(shù)

如圖13-14所示，芯片級集成微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部如何采用光互連技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部電磁環(huán)境的改善，從而降低電磁信號的互相影響，提高系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)、傳遞信號的能力，也是微系統(tǒng)必須考慮的。圖13-14片級集成微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部光互連技術(shù)

5.自適應(yīng)光子相控陣單元

圖13-15所示為自適應(yīng)光子鎖相單元(簡稱APPLE)，應(yīng)用于激光雷達(dá)、激光通信、激光對抗、激光目標(biāo)指示和高功率激光武器系統(tǒng)。圖13-15自適應(yīng)光子鎖相單元