意法半导体（ST）宣布正式启动 Lab-in-Fab 2.0，这是对2020年推出的“厂内实验室”（Lab-in-Fab）计划的扩展升级，新一期项目纳入了与新加坡科技研究局材料研究与工程研究所（A*STAR IMRE）以及新加坡国立大学（NUS）的新合作课题。厂内实验室位于意法半导体新加坡宏茂桥园区内，为一座8英寸（200 mm）生产线。此次扩展将帮助更多初创企业和公司推动压电MEMS技术发展，并通过缩短从概念验证到量产的周期，加速其市场普及。简而言之，这一重要里程碑扩大了厂内实验室的规模与能力边界，使其对更多合作伙伴开放，并进一步放大其对科技市场的影响力。
Lab-in-Fab是全球首家带有 “创新因子” 的意法半导体8英寸（200 mm）新加坡生产线，不仅有ST自身的生产设施，同时引入了新加坡科技研究局研究机构以及日本设备厂商爱发科（ULVAC）进驻。在这里，我们将研发与大规模制造能力相结合，让工程师能够更快速地将创意变成现实。企业可以在同一地点获得理论与实践两方面的专业支持，推动压电MEMS市场的转型。来自北京大学、上海科技大学以及台湾半导体研究中心的教授表示，厂内实验室1. 0已经取得显著成效。他们认为，多项目晶圆（MPW）模式让他们在短短数月内就收到了样片，而不是过去常见的两到三倍时间，大大加速了科研进程。
理解压电MEMS及其创新挑战
什么是压电MEMS？
要理解压电MEMS背后的挑战，管理者和决策者首先需要清楚它的基本概念。压电MEMS本质上是利用压电效应的微机电系统。所谓压电效应，是指某些材料在承受机械应力时会产生电荷，反之在施加电场时会产生机械形变。根据Bhugra和Piazza合著的教科书¹记载，第一款薄膜压电电阻器可追溯到1981年，当时采用的是氧化锌材料。如今，大多数压电MEMS使用的是通过化学方法沉积的锆钛酸铅（PZT）。该材料的引入，使器件尺寸得以进一步缩小，并与微机械工艺高度兼容。目前，压电MEMS最常见的应用领域之一是音频，比如用于MEMS麦克风中的压电换能器。
压电MEMS用在哪里？
压电MEMS的应用世界正在快速扩展。尽管很多人提到压电MEMS时首先想到的是扬声器和麦克风，但实际应用远不止于此。有的器件用于陀螺仪或加速度计，有的则充当微型反射镜或粒子探测器。此外，还有用于红外探测的压电MEMS器件，例如采用掺镧锆钛酸铅（PLZT）材料：当其暴露在红外辐射下时温度发生变化，进而产生可测量的电荷。尽管如此，许多研究方向仍处在起步或攻坚阶段，有待深入探索，而厂内实验室正为这些前沿领域提供破局的独特机会。
压电MEMS面临哪些固有挑战？
尽管压电MEMS并非全新技术，但其制造过程仍然极具挑战性，这在一定程度上限制了其更大规模的应用。随着器件不断微型化，设计人员在提升信噪比方面面临困难。工程师还必须确保系统在不同温度和环境波动条件下依然稳定可靠。同样，要让MEMS器件经得起时间考验也并不容易。简言之，要让压电MEMS在进一步小型化的同时保持成本优势，还需要跨越不少难关。要找到最佳答案，行业必须在材料研究和制造工艺优化方面持续投入。因此，厂内实验室模式具有独特价值，它将行业内致力于解决这些问题的各方力量汇聚在同一屋檐下。
Lab-in-Fab厂内实验室: 驱动压电MEMS创新的引擎
通往大批量制造的“直通车”
许多MEMS与传感器企业往往低估了从概念到大规模量产所需的专业能力和投入。在试产阶段暴露出的意外问题，或在扩大产能时遇到的瓶颈，常常导致项目延期和开发成本飙升。此外，具备端到端能力的工厂非常有限，企业被迫将研发与制造分散到多个产线，不仅带来额外的复杂性，还进一步拖慢了项目节奏。简而言之，许多企业在寻找能够自早期研发阶段一路支持到大规模量产的工业化合作伙伴时面临不小挑战。
在厂内实验室中，意法半导体、新加坡科技研究局微电子研究所（A*STAR IME）和爱发科（ULVAC）强强联合，意味着客户可以与更广谱的专家团队合作，大幅简化从研发到量产的过渡。同样，在这一领域至关重要的大规模制造优化也将变得更加直接、高效。传统上，产业界与高校或科研机构的合作往往停留在较为理论的层面，结果是许多优秀论文难以真正进入大批量制造和实际应用环节。厂内实验室则通过提供从“论文到量产”的直接通道，改变了这一现状。
更高灵活性带来的新机会
与此同时，科研人员不断提出新的工具和创意，但往往缺乏配套的设备与试验条件。厂内实验室为此提供了一种全新的实验与验证模式。该项目具备高度灵活性，部分客户可以仅针对特定挑战使用厂内实验室的能力。我们承诺尽可能保持这种灵活开放的合作方式，帮助工程师针对新的技术难题寻找解决方案，而不是让他们被既有基础设施所束缚。
总体而言，该设施的核心目标之一是成为微系统研究领域的全球标杆，同时在客户从前沿传感器和执行器产品研发走向工业化的全程提供支撑。借助厂内实验室，客户能够在一座具备大规模量产能力的工厂内，利用最先进的研发设施开发高端产品，从而大幅缩短从原型到大批量生产的周期。通过整合世界一流的研发团队、关键半导体设备，以及对IME和ST完整开发生态系统的访问，厂内实验室为希望开发和制造基于MEMS产品的企业提供了更全面、丰富的服务能力。
为创造更多机遇而生
如前所述，基于压电材料的MEMS平台（包括PZT、AlN、ScAlN等）是厂内实验室的核心技术平台之一。这一平台源自多年来在材料优化方面积累的深厚经验，并已助力多款产品成功上市。如今，通过厂内实验室，这一专长正在帮助我们的合作伙伴在多个领域开发创新应用，例如面向新兴医疗应用的压电微机械超声换能器（PMUT）、基于MEMS的麦克风和微型扬声器、射频谐振器/滤波器等。此外，我们近期还推出了多项目晶圆（MPW）服务，为外部合作伙伴提供进入先进压电薄膜开发平台的专用通道。
我们也很高兴与合作伙伴共同探索压电MEMS在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）领域的应用。厂内实验室正在致力于提升AR/VR眼镜和头显在长时间佩戴时的舒适性，从而为构建可行的“元宇宙”体验铺路。目前，企业可以申请加入厂内实验室计划。意法半导体、新加坡科技研究局以及爱发科正在积极寻求具备相关技术能力、能够充分利用这一平台的合作公司。
此外，意法半导体也主动与更多中小型企业展开互动。许多企业表示，过去他们常常觉得自己被类似厂内实验室这样的合作机会“排除在外”。因此，我们专门为新兴企业打造了“ST for Startups”计划。一旦入选，初创公司即可获得ST专家的支持，接触先进的制造创新，并在新知识产权开发方面获得协助。借助多项目晶圆，他们还可以直接使用厂内实验室提供的最新技术和平台，加速原型验证、可行性测试等工作。他们甚至可以借助ST的市场活动，为自己的项目赢得更多关注度。
- Harmeet Bhugra, Gianluca Piazza. Piezoelectric MEMS Resonators. p. 283. https://doi.org/10.1007/978–3–319–28688–4 ↩︎