MEMS元件善用系統封裝技術強化應用功效

行動裝置、智慧型手機可搭載的微機電感測功能元件越來越多元。Bosch

智慧型手機、平板電腦應用市場持續增溫，使得MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)元件市場需求越來越高，MEMS元件在技術上仰賴晶片化製程與封裝技術進行功能改善，透過新的整合技術讓元件在感測能力精度持續提升下，也能維持極佳的元件體積微縮表現，恰好符合行動裝置追求的輕、薄、短、小設計趨勢...

消費性電子產品市場競爭激烈，對於終端產品設計、開發，必須充分迎合市場喜好進行整合，將產品越做越小、性能更好，一直是相關產品的開發技術突破點，就以本文討論的重點MEMS微機電元件產品來說，近年除了用量持續激增，元件廠商也願意投入更多資源進行MEMS元件的優化設計。

例如，使用系統級封裝技術將不同感測應用功能整合，以減少元件的使用量，對於產品的設計開發能以套裝解決方案一次完成微機電感測相關設計線路，如此一來也能將電路載板進一步簡化、縮減使用面積，在各方面的成本、效能、開發複雜度簡化等效益均能浮現，而MEMS元件朝持續微縮、功能整合強化元件功效，亦成為MEMS不同業者展現產品競爭力的重要關鍵。

行動裝置整合MEMS元件已成設計趨勢

在市場應用的氛圍下，幾乎只要是行動裝置都會選擇搭載MEMS元件，以建構如加速度、設備傾斜、地磁方位等感測能力，不只智慧型行動電話大量整合MEMS發展更具互動效果的人機介面、娛樂電玩應用，就連平板電腦、筆記型電腦等中、大屏幕產品也開始嘗試進行MEMS感測元件的深度整合。

MEMS元件已儼然形成一波3C/IT產品業者不能忽視的發展方向，至於MEMS感測器已是消費性電子產品實現創新應用不可或缺的關鍵零組件。不只是行動裝置大量使用MEMS元件，就連電視遊戲主機的體感控制器、控制手把、筆記型電腦，甚至是白色家電產品，越來越多消費電子產品導入加速計，實現搭配使用者介面整合設計應用。

整合多項感測元件  強化微機電感測精準度

而在終端產品應用上，早期產品為了達到迎合市場需求增加動態或動作感應設計，會選擇在產品中採行成本較低的加速度計MEMS整合設計，但單僅加速度計頂多僅能感應單向的晃動感測，若增加多軸加速度計則可略為改善感測資訊薄弱問題，但僅加速度計難以辨識精細的操作動作些微差異，較完善的作法是追加陀螺儀(Gyro sensor)感測器輔助，透過多元MEMS元件協同整合進行感測現況訊息提供，可以讓動態感測的資訊更精準，呈現用戶的動作細節。

尤其在人機介面應用互動設計方案，開發者還可以使用多軸MEMS的陀螺儀整合元件，或搭配地磁感應計、大氣壓感測計…MEMS功能，建構全面、高精度動態感測設計方案。而整合方案中常見的慣性量測系統(Inertial Measurement Unit；IMU)元件，就是相當常見的設計實例，IMU為將加速度計、陀螺儀等關鍵元件整合，讓需要動態、慣性感測的開發場合輕鬆完成設計需求。

利用系統封裝多種MEMS功能晶片  縮小離散元件佔位面積

但現有電子電路設計可用的載板面積，受限於產品的構型設計，可用面積越來越有限，對於早期MEMS元件IC尺寸多為標準料件，使用數量一多其實佔據載板的面積也相對增加，這是分散式的零件排佈無法避免的問題，而現有MEMS元件業者為了迎合行動裝置的整合需求，大多針對幾種特定感測器的組合應用建構系統級封裝設計，將三至四組或更多數量的感測元件利用晶片整合封裝，大幅減少多元件可能產生的載板佔位面積浪費問題。

加上不同的感測單元再利用晶片級的控制線路、控制單元與訊號位準提升等功能單位整合，搭配系統級封裝打包形成整合型態的單一元件，對於開發者來說可省卻PCB載板的感測線路佈線與減省主機板面積，實踐設計後也省卻了針對感測電路進行的設計驗證(因為系統級封裝已將信號處理、雜訊改善等線路整合，實際產品可以省掉這些開發負荷)。

導入模組元件  可大幅簡化設計與驗證負荷

運用系統級封裝的整合設計具有相當大的加值效益，由於系統所需的感測單元，除非該元件需特殊驅動或封裝需求(如特殊的感測器)，否則都相當適合整合成一組解決方案，元件整合後在量產程序也必須針對設計進行功能驗證，只要通過驗證，在導入電子電路設計後也可以直接認為該模組相關功能已獲得測試驗證，在產品後期開發可將感測與控制模組視為已完成設計與驗證，可在開發後期專注於核心功能開發與驗證項目上，避免在一般性開發工作耗費過多研發資源。

而系統級封裝的好處也不僅如此，透過系統級封裝，可以在動態感測模組上整合多軸加速度計、陀螺儀與所需的感測單元外，也有MEMS業者將行動裝置的動態節電管理機制導入MEMS整合元件中，例如在系統封裝內加入MCU微控制器進行功能單元的驅動切換，當系統閒置或關鍵應用程式不需要感測資訊時，系統封裝的MEMS模組可以自行關閉整個元件驅動或是部分模組耗能，達到極低的功耗表現。

此外，原本MEMS元件需要搭配訊號放大、訊號處理的離散元件，也都可以利用系統封裝的封裝體內的空間餘裕，進行深度整合，將訊號處理與雜訊抑制等必要的關鍵元件一一整合，不只可讓終端設計的料件大幅縮減，也可減少這些離散元件佔據寶貴的載板面積。

MEMS整合元件小巧  亦便於未來功能升級設計改版

以現有的功能型MEMS元件整合方式，採行SiP系統級封裝已相當常見，而將多個MEMS元件整合在同一個封裝體料件中，進而搭載加值的MEMS的微機電電氣信號預處理的ASIC電路，共同封裝在同一封裝體料件中，以這類整合型式製成的料件外型相當小巧，常見的封裝面積僅有3 x 5 mm(或更小)以下，封裝體的料件厚度也可控制在1 mm以下。

使用整合性的元件取代原有的離散式元件布局與設計，除了可以讓料件表更少、簡化設計外，也能將PCB載板面積縮減。但除了這些優勢外，利用類似IMU這類整合性元件，可以將實踐的線路設計與元件整合，於IC或模組供應商處即完成整合，這些微機電模組或元件的精度調校或整合設計，產品開發者可以省下這些繁複的設計處理，而線路大幅整合的狀態也可讓終端設計的線路更單純與更易於維護。

至於未來相關設計若需升級感測特性效能，則可在原有的設計方案中直接選擇更進階的整合元件方案，升級改善設計若在元件腳位、電氣準位未改的前提下，甚至只要更換MEMS模組元件即可完成升級相關設計。