MEMS麦克风设计：从概念到完成GDSII只需两周！

MEMS麦克风市场简介

众所周知，Knowles（以下简称：楼氏电子）在2003年推出了首个MEMS麦克风，从而促进了MEMS市场的发展。据麦姆斯咨询报道，楼氏电子在2017年3月宣布，其MEMS麦克风销量已累积达到100亿颗新里程碑。因此，毫无疑问，它们在该领域获得了成功。事实上，它们的确是MEMS麦克风市场的领导者。你很有可能就是通过智能手机上的楼氏电子MEMS麦克风与朋友进行通话的。

楼氏电子MEMS麦克风

楼氏电子MEMS麦克风的设计需要创建和处理复杂的几何形状，并且还要求掩模版图数据集成到自动化元器件组装软件中。为了处理其MEMS设计核心的复杂几何形状以及数以千计的重复元件，楼氏电子完全依赖于Tanner L-Edit。如果您已有60年的音频传感器制造经验，那么您几乎可以设计所有的东西，甚至包括一种耐高温麦克风——可以像其他元器件一样适用于电子装配流程。这并非易事，但是由楼氏电子声学部研发副总裁Pete Loeppert带领的团队找到了提高麦克风耐高温能力的方法。这种温度上的稳健性在MEMS设计的产品化中起到了关键作用，为该公司创造了巨大收入。

为何选择MEMS麦克风？

自1946年起，母公司楼氏集团一直专注于助听器麦克风和接收器的制造。楼氏电子声学部围绕设计和制造手机和消费类电子设备中使用的MEMS麦克风开展了一项新的业务，并在整个麦克风市场大展拳脚。该部门的业务围绕一个棘手的电子问题的解决方案而展开。麦克风供应商的传统做法是将各元器件堆叠，一次装配一个麦克风。大部分麦克风是直径6mm、高1~2 mm的圆柱体，且足够便宜，可用于从电话到玩具的所有产品。问题是，传统麦克风的热敏性排除了无铅焊料的使用和表面贴装到电路的可能。因此，大多数大批量产品制造商采取在主要装配线结束后离线作业的方法，如手工装配或使用特殊嵌线机来避开麦克风无法耐受高温或回流焊接的问题。楼氏电子的解决方法是SiSonic MEMS麦克风（参见图 1），其可在硅晶圆上批量生产，组装方式与IC相同，唯一不同的是有一个使声波能够振动隔膜的气穴。SiSonic可回流焊接，因此装配工人可以用贴片机将其放置在电路板上，就像其他任何元器件一样。麦克风一下子就适应常规装配流程了。

图1：SiSonic MEMS麦克风器件

环形几何的世界

Loeppert介绍了设计范式的区别：“MEMS中本身没有电路，所以我们不用进行原理图和版图的比对。在我们组，MEMS就是绘制复杂的多边形和曲面结构。”“多年来，由于背景是从事电路设计方面的工作，我用过很多其他高端工具，但如果任务主要是实现这些麦克风中复杂的几何形状，这些工具会带来很大的开销，而且很不好用。我们设计和制造的大部分东西都是圆形、基于环面-环形元件和环形部分，而且我们的设计中几乎不存在直角（图2）。你会发现一些圆形对称，但大部分设计看起来更像是现代艺术。”

图2：MEMS形状

“高端EDA工具更适合于曼哈顿式的几何形状，可以使事物保持‘方形’，但我们所设计的 MEMS都是圆形的。使用L-Edit，从概念到完成GDSII只需大约两周时间。在这方面，没有什么比Tanner工具更为简便快捷。”在九十年代后期，楼氏电子声学部完全改用L-Edit进行MEMS设计。Loeppert特别提到了利用L-Edit的层次化架构来处理数千重复元件的灵活性。Loeppert说道：“L-Edit在创建参数化驱动的各种形状方面帮我节约了大量的时间。事实上，我每一层的圆、扇形和环面的实例化都稍有不同，因为我将它们用作基元。在AutoCAD之类的工具中也能这样做，但需要在机械设计和EDA工具之间往返，会浪费掉几个小时的时间。我想在同一个环境中创建和分析设计，然后交付进行光掩模制造。”

设计符合脚本

Loeppert的设计不会特别小，芯片尺寸约为1mm，但是却很复杂，且使用1000-1200万个对象进行绘图乃家常便饭。虽然目前MEMS设计流程尚不适合通过标准库直接进行对象生成，但使用L-Edit的脚本功能就可以极其轻松地创建和管理成千上万的参数化对象。高端工具使用高度专业化的脚本语言，而Tanner工具的用户只需使用普通的C/C++代码即可编写脚本。“L-Edit的脚本功能非常灵活，我经常用一页或两页脚本创建基元，”Loeppert说道，“例如，在MEMS中我们经常要在晶圆上刻蚀孔，而且芯片不能与晶圆边缘相交，所以我们需要将芯片排列为圆形。我从芯片的单个实例开始，先在L-Edit里产生一个矩形阵列。然后用写好的脚本裁剪矩形阵列使其适应晶圆范围，在边缘周围留下几毫米隔离区。这样可以帮我们节省很多时间。”Loeppert还将L-Edit的脚本功能用于其他任务。“我为芯片键合拾放设备编写了映射程序。脚本扫描版图中单元的数据库并自动生成晶圆图——在处理内含很多不同设计的矩阵设计时，这一点尤为重要。我创建了这些图，并为不同的设计风格分配不同的字母，然后让芯片键合工程师从图中选取特定的字母。能够自动生成晶圆图，可以节约大量的时间。”

投产制造

MEMS世界的设计规则检查（DRC）也有所不同，因为几乎不存在什么现成的规则。Loeppert必须创建自己的规则或与工厂实时配合以制定规则。L-Edit中的横截面工具可协助这一过程，在堆叠层的三维层面将他的设计可视化。Loeppert将版图设计导出到GDSII，然后交付工厂制造。他指出了很多GDSII工具所特有的两个局限性，并说明了L-Edit如何帮助他对此予以规避：“首先，工厂的实例只能在 90/180/270/360度，而我旋转时并不总是定在这些特定的角度。我编写了一个L-Edit脚本，可以扫描数据库中的任何锐角或钝角，并将其挑选出来。我会分别取消组合，改为直角边，然后恢复原始组合。”“另外，L-Edit支持用户可控的多边形断裂（分割）。这样我可以针对不同的掩模制造商分别设定限制。我们从来没有在工具使用上遇到过问题。即使碰到供应商系统的限制，我们也可以使用L-Edit轻松克服。我们与工厂的接口非常流畅。”图3显示的是一个成品MEMS麦克风。

图3：成品MEMS麦克风

根据《MEMS产业现状-2018版》介绍，楼氏电子引领了智能手机MEMS麦克风市场。该报告还预测了MEMS麦克风在智能音箱、可穿戴设备、声控家庭自动化、医疗设备和汽车系统的未来发展情况。L-Edit将继续为这些未来市场的MEMS麦克风设计提供助力。