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Un nuovo servizio giapponese MEMS Infinity, che offre wafer da 150 mm e 200 mm, mira a facilitare la progettazione e la valutazione del concetto attraverso la prototipazione e la produzione di massa. Ha collaborato con il fornitore di servizi di sviluppo MEMS AMFitzgerald per offrire una fonderia di wafer di silicio MEMS a servizio completo e accelerare la commercializzazione di tecnologie di chip MEMS a film sottile di piombo zirconato titanato (PZT).
Sumitomo Precision Products Co. Ltd (SPP), un produttore di prodotti industriali di alta precisione con tre decenni di esperienza nel settore MEMS, ha creato MEMS Infinity con una camera bianca di 20.000 piedi quadrati nel polo industriale e tecnologico di Amagasaki, in Giappone .
Figura 1 Il servizio di fonderia MEMS Infinity offre apparecchiature di modellazione specifiche per PZT e deposizione di film sottile brevettata PZT epitassiale (epi-PZT) ad alta cifra di merito. Fonte: Prodotti di precisione Sumitomo
Sumitomo Precision Products offre già accelerometri MEMS e giroscopi MEMS ad alta precisione sotto il nome di una società affiliata. Ora MEMS Infinity è una delle poche fonderie del settore che offre un portafoglio di film sottili PZT, materiali piezoelettrici che trasducono l’energia elettrica in energia meccanica e viceversa.
Questi materiali piezoelettrici a film sottile consentono nuove architetture per applicazioni impegnative come audio ad alta fedeltà e a bassa potenza, imaging ecografico portatile a basso costo e video istantanei a fuoco completo. Il PZT è un materiale piezoelettrico versatile ricercato per sensori o attuatori MEMS. Serve applicazioni ad alta crescita, come il true wireless stereo (TWS), il LiDAR automobilistico, l’imaging ecografico medico, AR/VR e aptica, che richiedono prestazioni precise in un fattore di forma robusto e ultra miniaturizzato.
“Essendo un materiale che consente molti tipi di dispositivi MEMS emergenti e ad alta prestazione, il PZT a film sottile è molto richiesto”, ha affermato Alissa Fitzgerald, fondatrice e CEO di AMFitzgerald. “Tuttavia, il PZT richiede strumenti di processo e competenze specifici che non sono diffusi”. Di conseguenza, è stato difficile accedere a materiale di qualità commerciale durante le fasi di sviluppo, soprattutto quando i volumi di wafer sono bassi.
Inoltre, l’utilizzo di materiali di ricerca scarsamente controllati durante la prototipazione rallenta lo sviluppo del prodotto. L’alleanza strategica tra MEMS Infinity e AMFitzgerald mira ad affrontare queste sfide integrando soluzioni dalla progettazione alla produzione utilizzando PZT di alta qualità fin dal primo giorno.
EDN ha recentemente parlato con Fitzgerald per scoprire maggiori dettagli sui materiali piezoelettrici a film sottile e su come soddisfano le esigenze dei prodotti MEMS di prossima generazione.
Una nuova generazione di tecnologia MEMS commerciale
La sensorizzazione è una mega tendenza che continua in tutti i mercati ed è iniziata con i nostri telefoni dotati di sensori. In questo bivio tecnologico, vediamo emergere una nuova generazione di dispositivi MEMS commerciali nel contesto della producibilità di materiali piezoelettrici a film sottile, che esistono da decenni in formato sfuso.
“Sono stati utilizzati in molte applicazioni industriali e mediche in formato solido, ma ora disponiamo di strumenti per depositarli su pellicole sottili da 1 o 2 micron su wafer da 200 mm”, ha affermato Fitzgerald. “Questi strumenti di produzione sono ora disponibili, quindi stiamo finalmente vedendo i prodotti MEMS piezoelettrici emergere sul mercato dopo oltre 10 anni di sviluppo nel mondo accademico e altrove”.
I MEMS piezoelettrici ora offrono vantaggi in termini di prestazioni e produzione rispetto ai tradizionali MEMS capacitivi. Alcuni dei primi prodotti includono altoparlanti all’interno degli auricolari per fornire l’esperienza TWS e trasduttori a ultrasuoni a basso costo. “Mentre prodotti come i trasduttori a ultrasuoni sono stati realizzati da PZT sfusi per 40-50 anni, ora possiamo produrli con materiali a film sottile, consentendo trasduttori a costi molto più bassi, portando a sistemi diagnostici a ultrasuoni a basso costo”, ha aggiunto.
figura 2 Le applicazioni MEMS che utilizzano film sottili PZT includono getti d’inchiostro, messa a fuoco automatica, ultrasuoni, microfoni/altoparlanti, microspecchi, pompe, fluidica e giroscopi. Fonte: AMFitzgerald
È importante notare che tutti i MEMS ad alto volume che vediamo oggi sono basati su un’architettura capacitiva di incisione profonda del silicio. Tuttavia, con l’avvento e la maturazione del piezoelettrico a film sottile, vediamo molti dispositivi riprogettati nell’architettura piezoelettrica. “Molte aziende sono ora alla ricerca di miglioramenti in termini di prestazioni e produzione rispetto ai tradizionali dispositivi MEMS capacitivi degli anni ’90”, ha affermato Fitzgerald.
Vale anche la pena ricordare che mentre il PZT sta emergendo come il materiale più versatile, il nitruro di alluminio (AlN) è stato il primo film sottile piezoelettrico ad essere commercializzato in grandi volumi per i filtri RF. Aziende come Broadcom hanno scelto AlN perché è il migliore per l’integrazione monolitica MEMS-CMOS. “Ha consentito l’integrazione CMOS-MEMS sullo stesso pezzo di silicio e sui circuiti che lo circondano, e questo è essenziale per i filtri RF”, ha aggiunto.
“Ci concentriamo sul PZT perché è un materiale più versatile che può soddisfare molte più applicazioni e tipi di dispositivi MEMS”, ha affermato Fitzgerald. “Si estende sia alle funzioni di rilevamento che di attuazione e consente anche l’integrazione dell’elettronica di sistema a livello di wafer o chip.”
A parte i meriti tecnici di PZT, tuttavia, il problema critico è dove le aziende MEMS senza fab possono accedere alla produzione PZT a film sottile, soprattutto quando le grandi fabbriche MEMS sono molto selettive nei confronti dei loro clienti.
Un nuovo modello favoloso MEMS
Durante gli anni ’80, l’industria CMOS ha creato il modello di business fabless stringendo alleanze con partner di progettazione per colmare il divario tra le aziende fabless e le fonderie. Tuttavia, le fonderie MEMS devono ancora abbracciare il modello del partner di progettazione. Qui, Fitzgerald ha sottolineato che il Nord America attualmente non dispone di un impianto MEMS per PZT a film sottile.
“Abbiamo cercato la fonte PZT per un bel po’ poiché i nostri clienti si sono rivolti a noi per questo materiale”, ha detto EDN. “I grandi produttori di MEMS non vogliono partecipare allo sviluppo in fase iniziale perché i volumi di wafer sono piccoli.” Di conseguenza, l’accesso al PZT è stato limitato e si è verificata un’esigenza insoddisfatta di produzione di livello medio-piccolo di film sottili di alta qualità.
Uno sviluppo efficiente di MEMS PZT richiede l’accesso a film PZT stabili e ad alte prestazioni, e i laboratori di ricerca e sviluppo non soddisfano questa esigenza. L’alleanza fornirà ad AMFitzgerald l’accesso al PZT a film sottile di MEMS Infinity. Inoltre, l’accesso ai dati proprietari sui PZT a film sottile migliorerà l’accuratezza della progettazione e della modellazione dei MEMS, riducendo al minimo la necessità di cicli di progettazione-costruzione-test.
“Quando sviluppi un nuovo dispositivo MEMS, vuoi lavorare esattamente con il materiale che utilizzi nella produzione”, ha affermato Fitzgerald. “Quindi, miriamo ad abbassare la barriera per l’accesso a questo materiale e ad avere una progettazione MEMS specifica per la fonderia”. Ciò inevitabilmente accelererà i tempi di commercializzazione e ridurrà i costi di sviluppo.
AMFitzgerald avrà accesso ai dati proprietari di MEMS Infinity, che miglioreranno significativamente le fasi di progettazione e modellazione dello sviluppo MEMS. “Possiamo progettare il progetto appositamente per il loro materiale e ciò aiuta a ridurre i cicli di test di progettazione e costruzione”, ha aggiunto. “I dispositivi MEMS richiedono più tempo per lo sviluppo perché ci sono molte iterazioni tra le fasi di progettazione e di fonderia, e ora possiamo ridurle per contribuire a sbloccare il potenziale dei dispositivi MEMS”.
Figura 3 L’alleanza ridurrà la barriera ai materiali PZT facilitando al tempo stesso il servizio MEMS dalla progettazione alla produzione. Fonte: AMFitzgerald
L’alleanza tra AMFitzgerald e MEMS Infinity si basa su un modello di business collaudato che ha avuto molto successo nel settore CMOS, dove TSMC è nota soprattutto per l’alleanza dei suoi partner di progettazione. “Le fonderie CMOS hanno capito molto tempo fa che sono necessari partner di progettazione per colmare il divario tra un’azienda favolosa e una fonderia, ma per qualche motivo questo non ha ancora preso piede nel settore MEMS”, ha affermato Fitzgerald. “Pensiamo che saremo i primi ad avere questo tipo di stretta collaborazione con una fonderia”.
Un modo di lavorare collaborativo
Nella progettazione MEMS, la prototipazione è il terzo passaggio fondamentale dopo la progettazione e la fattibilità e tende ad avvenire presso una struttura di ricerca. I progetti di chip personalizzati vengono convalidati da prototipi costruiti internamente prima del trasferimento alla fonderia per la produzione. Segue la selezione della fonderia e quindi il design deve essere adattato ai set di strumenti della fonderia. Successivamente, è necessario passare all’incremento della produzione.
Questa alleanza tra AMFitzgerald e MEMS Infinity cerca di fornire una scorciatoia a PZT per facilitare la progettazione in base alle proprietà e alle qualità dei materiali della fonderia. Inoltre, la prototipazione avverrà sul materiale pronto per la produzione fin dal primo giorno in fonderia. In altre parole, l’accordo mira ad abbreviare i tempi di commercializzazione dei dispositivi MEMS.
I due partner MEMS mirano a fornire la soluzione completa di sviluppo PZT. AMFitzgerald offrirà servizi di progettazione, modellazione e sviluppo prodotto MEMS, mentre MEMS Infinity fornirà la produzione di film sottili e versatili servizi di fonderia. MEMS Infinity fornirà processi PZT comprovati nella produzione presso il suo stabilimento.
AMFitzgerald faciliterà l’accesso globale al PZT a film sottile di MEMS Infinity utilizzando i suoi dati PZT a film sottile proprietari per migliorare la precisione della progettazione e della modellazione dei MEMS. Ciò, a sua volta, ridurrà al minimo la necessità di cicli di progettazione-costruzione-test e accelererà lo sviluppo del prodotto. Di conseguenza, sbloccherà il potenziale commerciale dei dispositivi MEMS piezoelettrici ad alte prestazioni come ricetrasmettitori a ultrasuoni, microaltoparlanti, microspecchi e microfluidica.
“Il nostro obiettivo è fornire l’esperienza di sviluppo prodotto integrata, che è mancata nel settore MEMS”, ha concluso Fitzgerald. “Vogliamo facilitare il materiale di alta qualità di MEMS Infinity, che abbiamo utilizzato per 20 anni per produrre giroscopi piezoelettrici.”
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Il post Making the case for a new MEMS fab model è apparso per la prima volta su EDN.
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