MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)：從概念到完成GDSII只需兩周！

MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)簡(jiǎn)介

眾所周知，Knowles（以下簡(jiǎn)稱：樓氏電子）在2003年推出了首個(gè)MEMS麥克風(fēng)，從而促進(jìn)了MEMS市場(chǎng)的發(fā)展。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，樓氏電子在2017年3月宣布，其MEMS麥克風(fēng)銷量已累積達(dá)到100億顆新里程碑。因此，毫無(wú)疑問(wèn)，它們?cè)谠擃I(lǐng)域獲得了成功。事實(shí)上，它們的確是MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。你很有可能就是通過(guò)智能手機(jī)上的樓氏電子MEMS麥克風(fēng)與朋友進(jìn)行通話的。

樓氏電子MEMS麥克風(fēng)

樓氏電子MEMS麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)建和處理復(fù)雜的幾何形狀，并且還要求掩模版圖數(shù)據(jù)集成到自動(dòng)化元器件組裝軟件中。為了處理其MEMS設(shè)計(jì)核心的復(fù)雜幾何形狀以及數(shù)以千計(jì)的重復(fù)元件，樓氏電子完全依賴于Tanner L-Edit。如果您已有60年的音頻傳感器制造經(jīng)驗(yàn)，那么您幾乎可以設(shè)計(jì)所有的東西，甚至包括一種耐高溫麥克風(fēng)——可以像其他元器件一樣適用于電子裝配流程。這并非易事，但是由樓氏電子聲學(xué)部研發(fā)副總裁Pete Loeppert帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)找到了提高麥克風(fēng)耐高溫能力的方法。這種溫度上的穩(wěn)健性在MEMS設(shè)計(jì)的產(chǎn)品化中起到了關(guān)鍵作用，為該公司創(chuàng)造了巨大收入。

為何選擇MEMS麥克風(fēng)？

自1946年起，母公司樓氏集團(tuán)一直專注于助聽器麥克風(fēng)和接收器的制造。樓氏電子聲學(xué)部圍繞設(shè)計(jì)和制造手機(jī)和消費(fèi)類電子設(shè)備中使用的MEMS麥克風(fēng)開展了一項(xiàng)新的業(yè)務(wù)，并在整個(gè)麥克風(fēng)市場(chǎng)大展拳腳。該部門的業(yè)務(wù)圍繞一個(gè)棘手的電子問(wèn)題的解決方案而展開。麥克風(fēng)供應(yīng)商的傳統(tǒng)做法是將各元器件堆疊，一次裝配一個(gè)麥克風(fēng)。大部分麥克風(fēng)是直徑6mm、高1~2 mm的圓柱體，且足夠便宜，可用于從電話到玩具的所有產(chǎn)品。問(wèn)題是，傳統(tǒng)麥克風(fēng)的熱敏性排除了無(wú)鉛焊料的使用和表面貼裝到電路的可能。因此，大多數(shù)大批量產(chǎn)品制造商采取在主要裝配線結(jié)束后離線作業(yè)的方法，如手工裝配或使用特殊嵌線機(jī)來(lái)避開麥克風(fēng)無(wú)法耐受高溫或回流焊接的問(wèn)題。樓氏電子的解決方法是SiSonic MEMS麥克風(fēng)（參見圖 1），其可在硅晶圓上批量生產(chǎn)，組裝方式與IC相同，唯一不同的是有一個(gè)使聲波能夠振動(dòng)隔膜的氣穴。SiSonic可回流焊接，因此裝配工人可以用貼片機(jī)將其放置在電路板上，就像其他任何元器件一樣。麥克風(fēng)一下子就適應(yīng)常規(guī)裝配流程了。

圖1：SiSonic MEMS麥克風(fēng)器件

環(huán)形幾何的世界

Loeppert介紹了設(shè)計(jì)范式的區(qū)別：“MEMS中本身沒(méi)有電路，所以我們不用進(jìn)行原理圖和版圖的比對(duì)。在我們組，MEMS就是繪制復(fù)雜的多邊形和曲面結(jié)構(gòu)?！薄岸嗄陙?lái)，由于背景是從事電路設(shè)計(jì)方面的工作，我用過(guò)很多其他高端工具，但如果任務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)這些麥克風(fēng)中復(fù)雜的幾何形狀，這些工具會(huì)帶來(lái)很大的開銷，而且很不好用。我們?cè)O(shè)計(jì)和制造的大部分東西都是圓形、基于環(huán)面-環(huán)形元件和環(huán)形部分，而且我們的設(shè)計(jì)中幾乎不存在直角（圖2）。你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些圓形對(duì)稱，但大部分設(shè)計(jì)看起來(lái)更像是現(xiàn)代藝術(shù)。”

圖2：MEMS形狀

“高端EDA工具更適合于曼哈頓式的幾何形狀，可以使事物保持‘方形’，但我們所設(shè)計(jì)的 MEMS都是圓形的。使用L-Edit，從概念到完成GDSII只需大約兩周時(shí)間。在這方面，沒(méi)有什么比Tanner工具更為簡(jiǎn)便快捷?！痹诰攀甏笃冢瑯鞘想娮勇晫W(xué)部完全改用L-Edit進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)。Loeppert特別提到了利用L-Edit的層次化架構(gòu)來(lái)處理數(shù)千重復(fù)元件的靈活性。Loeppert說(shuō)道：“L-Edit在創(chuàng)建參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的各種形狀方面幫我節(jié)約了大量的時(shí)間。事實(shí)上，我每一層的圓、扇形和環(huán)面的實(shí)例化都稍有不同，因?yàn)槲覍⑺鼈冇米骰?。?a href="http://www.ttokpm.com/tags/autocad/" target="_blank">AutoCAD之類的工具中也能這樣做，但需要在機(jī)械設(shè)計(jì)和EDA工具之間往返，會(huì)浪費(fèi)掉幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間。我想在同一個(gè)環(huán)境中創(chuàng)建和分析設(shè)計(jì)，然后交付進(jìn)行光掩模制造?！?/p>

設(shè)計(jì)符合腳本

Loeppert的設(shè)計(jì)不會(huì)特別小，芯片尺寸約為1mm，但是卻很復(fù)雜，且使用1000-1200萬(wàn)個(gè)對(duì)象進(jìn)行繪圖乃家常便飯。雖然目前MEMS設(shè)計(jì)流程尚不適合通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)直接進(jìn)行對(duì)象生成，但使用L-Edit的腳本功能就可以極其輕松地創(chuàng)建和管理成千上萬(wàn)的參數(shù)化對(duì)象。高端工具使用高度專業(yè)化的腳本語(yǔ)言，而Tanner工具的用戶只需使用普通的C/C++代碼即可編寫腳本。“L-Edit的腳本功能非常靈活，我經(jīng)常用一頁(yè)或兩頁(yè)腳本創(chuàng)建基元，”Loeppert說(shuō)道，“例如，在MEMS中我們經(jīng)常要在晶圓上刻蝕孔，而且芯片不能與晶圓邊緣相交，所以我們需要將芯片排列為圓形。我從芯片的單個(gè)實(shí)例開始，先在L-Edit里產(chǎn)生一個(gè)矩形陣列。然后用寫好的腳本裁剪矩形陣列使其適應(yīng)晶圓范圍，在邊緣周圍留下幾毫米隔離區(qū)。這樣可以幫我們節(jié)省很多時(shí)間?！盠oeppert還將L-Edit的腳本功能用于其他任務(wù)。“我為芯片鍵合拾放設(shè)備編寫了映射程序。腳本掃描版圖中單元的數(shù)據(jù)庫(kù)并自動(dòng)生成晶圓圖——在處理內(nèi)含很多不同設(shè)計(jì)的矩陣設(shè)計(jì)時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。我創(chuàng)建了這些圖，并為不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格分配不同的字母，然后讓芯片鍵合工程師從圖中選取特定的字母。能夠自動(dòng)生成晶圓圖，可以節(jié)約大量的時(shí)間?！?/p>

投產(chǎn)制造

MEMS世界的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）也有所不同，因?yàn)閹缀醪淮嬖谑裁船F(xiàn)成的規(guī)則。Loeppert必須創(chuàng)建自己的規(guī)則或與工廠實(shí)時(shí)配合以制定規(guī)則。L-Edit中的橫截面工具可協(xié)助這一過(guò)程，在堆疊層的三維層面將他的設(shè)計(jì)可視化。Loeppert將版圖設(shè)計(jì)導(dǎo)出到GDSII，然后交付工廠制造。他指出了很多GDSII工具所特有的兩個(gè)局限性，并說(shuō)明了L-Edit如何幫助他對(duì)此予以規(guī)避：“首先，工廠的實(shí)例只能在 90/180/270/360度，而我旋轉(zhuǎn)時(shí)并不總是定在這些特定的角度。我編寫了一個(gè)L-Edit腳本，可以掃描數(shù)據(jù)庫(kù)中的任何銳角或鈍角，并將其挑選出來(lái)。我會(huì)分別取消組合，改為直角邊，然后恢復(fù)原始組合?！薄傲硗猓琇-Edit支持用戶可控的多邊形斷裂（分割）。這樣我可以針對(duì)不同的掩模制造商分別設(shè)定限制。我們從來(lái)沒(méi)有在工具使用上遇到過(guò)問(wèn)題。即使碰到供應(yīng)商系統(tǒng)的限制，我們也可以使用L-Edit輕松克服。我們與工廠的接口非常流暢。”圖3顯示的是一個(gè)成品MEMS麥克風(fēng)。

圖3：成品MEMS麥克風(fēng)

根據(jù)《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2018版》介紹，樓氏電子引領(lǐng)了智能手機(jī)MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)。該報(bào)告還預(yù)測(cè)了MEMS麥克風(fēng)在智能音箱、可穿戴設(shè)備、聲控家庭自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備和汽車系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展情況。L-Edit將繼續(xù)為這些未來(lái)市場(chǎng)的MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)提供助力。