Обзор существующих и перспективных методов корпуирования инерциальных МЭМС устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обзор существующих и перспективных методов корпуирования инерциальных МЭМС устройств

Р.С. Ефремов, А.С. Ковалев

Рассмотрены существующие и перспективные методы корпусирования МЭМС устройств. Проведен анализ представленных на рынке зарубежных ММГ. Разработана классификация требований, предъявляемых к разрабатываемому корпусу ММГ.

Введение

В современном мире неоспоримым является тот факт, что МЭМС устройства прочно завоевали свою нишу в промышленной отрасли. Микромеханические гироскопы и акселерометры повсеместно используются в электронике, например мобильных телефонах и планшетных компьютерах. Они находят применение в спорте и игровой индустрии. Современный автомобиль использует несколько десятков различных датчиков, имеющих МЭМС исполнение. Находится применение таким устройствам в авиации и тяжелой промышленности. В скором будущем микромеханические устройства будут широко применяться в медицине [1].

Одной из главных характеристик, способствовавших популярности МЭМС устройств, является их малый размер. Однако очевидной проблемой является этап корпусирования, заметно увеличивающий внешние габариты таких датчиков. Для их успешного функционирования должен быть соблюден ряд довольно жестких требований, из-за чего приходится использовать различного вида корпуса, порой превышающих размеры исходного устройства в несколько раз.

Для создания конкурентоспособного изделия, необходима разработка корпуса, отвечающего всем мировым стандартам и требованиям, и сохраняющего все достоинства МЭМС устройств.

Предлагаемая работа посвящена обзору применяемых в настоящее время и перспективных методов корпусирования, с целью сформировать требования к вновь разрабатываемым корпусам для ММГ.

Существующие методы корпусирования МЭМС

Микроэлектромеханические системы, исходя из названия, сочетают в себе механические и электрические компоненты крайне малых размеров. Для их работы необходима защита от внешних воздействий различного происхождения: физических, химических, механических. Т.к. сама технология МЭМС появилась после освоения технологии интегральной схемотехники и интегральных микросхем, и при её изготовлении используются те же процессы (фотолитография, нанесение пленок, травление пленок), то и корпусирование МЭМС устройств выполняется по той же технологии.

Типовой процесс корпусирования МЭМС состоит из 6 этапов.

На первом этапе, после кристального производства приходит кремниевая пластина, содержащая в себе множество чипов или кристаллов.

На втором этапе проводится визуальная инспекция пластины и контроль электрических параметров с помощью зондовой станции, измеряющей сопротивления, емкости и другие величины. На основе полученных результатов составляется карта разбраковки, на которой указываются работоспособные и неработоспособные кристаллы.

На третьем этапе происходит разделение пластин на чипы с помощью специальной установки прецизионной резки.

На четвертом этапе, в соответствии с картой разбраковки, годные кристаллы монтируются в корпус, например с помощью эпоксидного клея.

Пятый этап заключается в соединении смонтированного в корпус кристалла с выводными контактами корпуса. Одним из способов является соединение контактных площадок с помощью проволочной микросварки.

На шестом этапе происходит герметизация корпуса.

Первые интегральные микросхемы, а соответственно и корпуса для них, появились в 1960-х годах, и как все новшества, вначале применялись в военной технике. Спустя несколько лет интегральные микросхемы вышли на коммерческий рынок, и началось бурное развитие всей отрасли. Результатами разработок в разное время становились корпуса, отвечавшие современным на соответствующий момент времени требованиям: материалом, габаритами, количеством выводных контактов.

Основными типами корпусов, применяющимися для МЭМС в настоящее время, являются:

· QFP (Quad Flat Package) - квадратный корпус с планарными выводами с четырех сторон.

· LCC (Leadless Chip Carrier) - керамический корпус, не имеющий выводных контактов.

· QFN (Quad Flat No leads) - квадратный пластиковый корпус, также не имеющий выводных контактов.

· SOIC (Small Outline Integrated Circuit) - прямоугольный корпус с двумя рядами выводных контактов.

· BGA (Ball Grid Array) - прямоугольный корпус с массивом выводных контактов в виде шариков из припоя на нижней стороне корпуса.

· LGA (Land Grid Array) - квадратный корпус с плоскими выводами на посадочной поверхности корпуса.

Все эти корпуса предназначены для поверхностного монтажа, за исключением LGA, который также предусматривает возможность установки в специальный разъем.

Перспективные методы корпусирования МЭМС

Корпусирование методом интегральных схем для МЭМС изделий до нынешнего времени считалось подходящей технологией, не смотря на то, что имело очевидные недостатки.

Например, четыре из шести описанных ранее этапов являются весьма критичными и, несомненно, вносят некоторый процент брака в выход годных изделий, и, конечно же, влияют на его себестоимость. Известно, что от 30 до 60% в стоимость конечного изделия вносит этап корпусирования [2], а процент выхода годных образцов снижается до 30%.

К тому же, зачастую разработчики МЭМС устройств вынуждены проектировать кристаллы специально под корпус.

Все эти проблемы могут решить разрабатываемые в настоящее время методы корпусирования: WLP (Wafer Level Packaging) и TSV (Thru Silicon Vias).

WLP - метод корпусирования на уровне кремниевой пластины. В ходе изготовления пластины в технологический процесс вносят дополнительные этапы, на которых формируются контактные площадки. В итоге после того как пластина будет разрезана на отдельные чипы, каждый из них будет пригоден для поверхностного монтажа. Очевидными плюсами такой технологии являются:

· отсутствие внешнего корпуса, т.к. сам чип является корпусом, защищенным от внешних воздействий;

· отсутствие длинных выводных контактов, которые подвержены механическим воздействиям и из-за которых могут возникать паразитные емкости;

· отсутствие проволочных микросоединений, которые требуют специальной защиты от внешних воздействий, например, заливку специальным раствором - компаундом.

Корпусирование на уровне пластины успешно справляется с защитой от всех внешних вредных факторов и позволяет создавать высокоточные датчики [3].

Вторым перспективным методом является TSV, который позволяет делать переходные отверстия между различными кремниевыми пластинами соединенными вместе.

Такая технология, вместе с WLP дает возможность создавать полноценные сборки из различных устройств. Обычно для использования в одном корпусе двух кристаллов соединенных между собой, приходилось использовать технологию проволочной микросварки для соединения контактных площадок на кристаллах. С технологией TSV необходимо лишь спроектировать соответствующим образом несколько кристаллов и соединить между собой несколько кремниевых пластин с отдельными видами кристаллов, а все соединения будут сделаны сквозь них через переходные отверстия.

Обзор представленных на рынке зарубежных ММГ

Ведущими производителями микромеханических гироскопов представлен большой выбор устройств с различными характеристиками, который позволяет удовлетворить широкому спектру задач.

Analog Devices выпускает ММГ с диапазонами измерений от ±50 до ±20000 °/сек и одной осью чувствительности [4]. Почти все ММГ используют корпус BGA-типа, размером 6,8*6,8*3,8 мм. Также имеются 2 ММГ, которые поставляются в корпусах LCC или SOIC типа, для ориентации оси чувствительности по горизонтали или по вертикали соответственно. На рисунке 1 показан ММГ фирмы Analog Devices в корпусе BGA.

микроэлектромеханический гироскоп корпусирование

Рис. 1. Микромеханический гироскоп ADXRS 620

Invensence представлена на рынке моделями с диапазоном измерений от ±30 до ±2000 °/сек, некоторые из которых имеют по 3 оси чувствительности [5]. Все гироскопы поставляются в пластиковых корпусах QFN типа с габаритами не более 4*5*1,2 мм. На рисунке 2 показан одноосный ММГ фирмы Invensense.

Рис. 2. Микромеханчиеский гироскоп Invensense ISZ-505

Фирма Murata выпускает всего несколько изделий с диапазоном измерений ±100 - ±300 °/сек [6]. Стоит отметить, что в их состав входят не только гироскопы, но и акселерометры. Все они поставляются в корпусах типа SOIC и имеют габариты 8,5*18,7*4,5 мм. На рисунке 3 показана одна из моделей фирмы Murata.

Рис. 3. Murata SCC1300-D04

Интересными являются гироскопы фирмы Silicon Sensing [7]. Изделия этой фирмы, обладая стандартным на текущий момент диапазоном измерений ±75 - ±2700 °/сек, выделяются оригинальными решениями при корпусировании. ММГ с одинаковыми характеристиками, может поставляться в LCC корпусах одной из трех ориентаций: с горизонтальной, вертикальной и наклоненной на 20° от вертикали осью чувствительности. Примеры таких решений представлены на рисунке 4. Габариты таких изделий не превышают 9,5*9,5*5 мм.

Рис. 4. ММГ фирмы Silicon Sensing CRM100 (а), CRM200 (б), CRM120 (в)

Фирма Sensonor также дает покупателю возможность разместить ММГ в вертикальном или горизонтальном положении, однако реализовано это другим способом [8]. LCC корпус с размерами 11,4*11,4*4 мм имеет 2 группы выводных контактов расположенных на смежных гранях корпуса, что показано на рисунке 5. Диапазон измерений у двух представленных моделей составляет ±250 и ±400 °/сек.

Рис. 5. Sensonor SAR100

Таким образом, один и тот же гироскоп можно разместить как с горизонтальным, так и с вертикальным направлением оси чувствительности. Примечательным является тот факт, что один ряд является общим для обеих групп контактов.

Крупнейший мировой производитель микромеханических гироскопов ST Microelectronics использует корпуса типа LGA, показанный на рисунке 6.

Рис. 6. ST Microelectronics L3GD20

Габаритные размеры такого корпуса составляют 4*4*1 мм [9]. Диапазон измерения представленных гироскопов может варьироваться от ±30 до ±6000 °/сек для различных моделей, имеющих от 1 до 3 осей чувствительности.

Классификация требования к корпусу ММГ

Как уже было сказано выше, МЭМС устройства находят применение в широком спектре задач, начиная от мобильных телефонов и заканчивая тяжелой промышленностью.

Исходя из этого, к разрабатываемым корпусам могут предъявляться различные требования. Основной целью может служить низкая себестоимость корпуса, или же высокая надежность. Могут предъявляться различные требования с точки зрения технологического процесса: способ герметизации, способ монтажа корпуса на печатную плату и пригодность для автоматической сборки. Также немаловажными параметрами являются электрические характеристики внутренних соединений. Предъявляются различные требования по устойчивости к внешним воздействиям: коррозии, защите от воздействий определенного типа.

Таким образом, при выборе или разработке нового корпуса необходимо учитывать множество параметров для успешного его применения в составе будущего устройства.

В настоящей статье приведен обзор существующих в настоящее время методов корпусирования и применяющихся для этих целей корпусов. Показаны перспективные методы корпусирования, направленные на решение существующих проблем и улучшения характеристик МЭМС устройств.

Проведен анализ представленных на рынке современных ММГ, с целью ознакомления с мировыми трендами в их проектировании и изготовлении.

Представлена классификация требований, предъявляемых к корпусу и которые необходимо учитывать при выборе или проектировании нового корпуса ММГ для выпуска современной и конкурентоспособной продукции.

Литература

1. Scannell Bob MEMS Enable Medical Innovation, Technical Article MS-2393, 2012, http://www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/MEMS-Enable-Medical-Innovation-MS-2393.pdf

2. http://electroiq.com/blog/2012/04/mems-packaging-growth-trends-requirements/

3. Sang-Hyun Lee Wafer-level packaging for environment-resistant microinstruments, 2009

4. http://www.analog.com/

5. http://www.invensense.com/

6. http://www.murata.com/

7. http://www.siliconsensing.com/

8. http://www.sensonor.com/

9. http://www.st.com/

Размещено на Allbest.ru