MEMS麥克風市場簡介

眾所周知，Knowles（以下簡稱：樓氏電子）在2003年推出了首個MEMS麥克風，從而促進了MEMS市場的發展。據麥姆斯咨詢報道，樓氏電子在2017年3月宣布，其MEMS麥克風銷量已累積達到100億顆新里程碑。因此，毫無疑問，它們在該領域獲得了成功。事實上，它們的確是MEMS麥克風市場的領導者。你很有可能就是通過智能手機上的樓氏電子MEMS麥克風與朋友進行通話的。

樓氏電子MEMS麥克風

樓氏電子MEMS麥克風的設計需要創建和處理復雜的幾何形狀，并且還要求掩模版圖數據集成到自動化元器件組裝軟件中。為了處理其MEMS設計核心的復雜幾何形狀以及數以千計的重復元件，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驗，那么您幾乎可以設計所有的東西，甚至包括一種耐高溫麥克風——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部研發副總裁Pete Loeppert帶領的團隊找到了提高麥克風耐高溫能力的方法。這種溫度上的穩健性在MEMS設計的產品化中起到了關鍵作用，為該公司創造了巨大收入。

為何選擇MEMS麥克風？

自1946年起，母公司樓氏集團一直專注于助聽器麥克風和接收器的制造。樓氏電子聲學部圍繞設計和制造手機和消費類電子設備中使用的MEMS麥克風開展了一項新的業務，并在整個麥克風市場大展拳腳。該部門的業務圍繞一個棘手的電子問題的解決方案而展開。麥克風供應商的傳統做法是將各元器件堆疊，一次裝配一個麥克風。大部分麥克風是直徑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品。問題是，傳統麥克風的熱敏性排除了無鉛焊料的使用和表面貼裝到電路的可能。因此，大多數大批量產品制造商采取在主要裝配線結束后離線作業的方法，如手工裝配或使用特殊嵌線機來避開麥克風無法耐受高溫或回流焊接的問題。樓氏電子的解決方法是SiSonic MEMS麥克風（參見圖 1），其可在硅晶圓上批量生產，組裝方式與IC相同，唯一不同的是有一個使聲波能夠振動隔膜的氣穴。SiSonic可回流焊接，因此裝配工人可以用貼片機將其放置在電路板上，就像其他任何元器件一樣。麥克風一下子就適應常規裝配流程了。

圖1：SiSonic MEMS麥克風器件

環形幾何的世界

Loeppert介紹了設計范式的區別：“MEMS中本身沒有電路，所以我們不用進行原理圖和版圖的比對。在我們組，MEMS就是繪制復雜的多邊形和曲面結構。”“多年來，由于背景是從事電路設計方面的工作，我用過很多其他高端工具，但如果任務主要是實現這些麥克風中復雜的幾何形狀，這些工具會帶來很大的開銷，而且很不好用。我們設計和制造的大部分東西都是圓形、基于環面-環形元件和環形部分，而且我們的設計中幾乎不存在直角（圖2）。你會發現一些圓形對稱，但大部分設計看起來更像是現代藝術。”

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’，但我們所設計的 MEMS都是圓形的。使用L-Edit，從概念到完成GDSII只需大約兩周時間。在這方面，沒有什么比Tanner工具更為簡便快捷。”在九十年代后期，樓氏電子聲學部完全改用L-Edit進行MEMS設計。Loeppert特別提到了利用L-Edit的層次化架構來處理數千重復元件的靈活性。Loeppert說道：“L-Edit在創建參數化驅動的各種形狀方面幫我節約了大量的時間。事實上，我每一層的圓、扇形和環面的實例化都稍有不同，因為我將它們用作基元。在AutoCAD之類的工具中也能這樣做，但需要在機械設計和EDA工具之間往返，會浪費掉幾個小時的時間。我想在同一個環境中創建和分析設計，然后交付進行光掩模制造。”

設計符合腳本

Loeppert的設計不會特別小，芯片尺寸約為1mm，但是卻很復雜，且使用1000-1200萬個對象進行繪圖乃家常便飯。雖然目前MEMS設計流程尚不適合通過標準庫直接進行對象生成，但使用L-Edit的腳本功能就可以極其輕松地創建和管理成千上萬的參數化對象。高端工具使用高度專業化的腳本語言，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，我經常用一頁或兩頁腳本創建基元，”Loeppert說道，“例如，在MEMS中我們經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。我從芯片的單個實例開始，先在L-Edit里產生一個矩形陣列。然后用寫好的腳本裁剪矩形陣列使其適應晶圓范圍，在邊緣周圍留下幾毫米隔離區。這樣可以幫我們節省很多時間。”Loeppert還將L-Edit的腳本功能用于其他任務。“我為芯片鍵合拾放設備編寫了映射程序。腳本掃描版圖中單元的數據庫并自動生成晶圓圖——在處理內含很多不同設計的矩陣設計時，這一點尤為重要。我創建了這些圖，并為不同的設計風格分配不同的字母，然后讓芯片鍵合工程師從圖中選取特定的字母。能夠自動生成晶圓圖，可以節約大量的時間。”

投產制造

MEMS世界的設計規則檢查（DRC）也有所不同，因為幾乎不存在什么現成的規則。Loeppert必須創建自己的規則或與工廠實時配合以制定規則。L-Edit中的橫截面工具可協助這一過程，在堆疊層的三維層面將他的設計可視化。Loeppert將版圖設計導出到GDSII，然后交付工廠制造。他指出了很多GDSII工具所特有的兩個局限性，并說明了L-Edit如何幫助他對此予以規避：“首先，工廠的實例只能在 90/180/270/360度，而我旋轉時并不總是定在這些特定的角度。我編寫了一個L-Edit腳本，可以掃描數據庫中的任何銳角或鈍角，并將其挑選出來。我會分別取消組合，改為直角邊，然后恢復原始組合。”“另外，L-Edit支持用戶可控的多邊形斷裂（分割）。這樣我可以針對不同的掩模制造商分別設定限制。我們從來沒有在工具使用上遇到過問題。即使碰到供應商系統的限制，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顯示的是一個成品MEMS麥克風。

圖3：成品MEMS麥克風

根據《MEMS產業現狀-2018版》介紹，樓氏電子引領了智能手機MEMS麥克風市場。該報告還預測了MEMS麥克風在智能音箱、可穿戴設備、聲控家庭自動化、醫療設備和汽車系統的未來發展情況。L-Edit將繼續為這些未來市場的MEMS麥克風設計提供助力。