MEMS组装技术浅谈

当前微机电系统(MEMS)可以说是最热门的谈论话题之一，但究竟什么是MEMS？它为什么会成为人们关注的焦点？它又主要应用在哪些方面呢？
简单地说，MEMS就是对系统级芯片的进一步集成。目前我们几乎可以在单个芯片上集成任何东西，像运动装置、光学系统、发音系统、化学分析、无线系统及计算系统等，有些MEMS可以发送、接收以及精确地控制光束，有的可以检测某些分子，有的还可以模仿人体部分感觉器官。因此如果将逻辑芯片比作大脑，那么MEMS就相当于人的眼睛、鼻子、耳朵或其它感觉器官。此外MEMS还具有电气、机械或电磁控制功能，若继续以人作比方，MEMS还可以作为人的手或手指移动各种物体。在一个芯片上集成运动、感应和计算等众多功能的确是技术上的一大飞跃，但前面的道路仍然充满荆棘：制造技术有待开发，封装尚不明确，如何在PCB上装配也无章可循。
美国Sandia国家实验室、科罗拉多大学及其它一些研究机构都相继开发出颇有价值的MEMS器件，我们可从中看到一些未来MEMS技术的发展方向。其中有一些特别引人注目的器件，如芯片大小的分光光度计，它可以检测出数公里外空气中的成份，另外还有用于医疗(如药品传送)的微型泵和微型阀等，这些MEMS器件特别细小，甚至可以植入人体。目前MEMS并不都仅仅处于实验室阶段，有的已进入实用场合，例如已有制造厂商完成了MEMS光学系统的商品化，该系统可用于一种最先进的数字投影仪，现在他们正在进行数字影院的试运行。
封装工程师们把MEMS视为他们所遇到的最大挑战，由于大多数应用方案都是专用的，所以问题更为复杂，适用于某一产品的方案未必适用于其它产品。另外各种各样的输入和输出形式使得MEMS千差万别，也给应用带来困难。不过即使封装业能够联合起来克服困难，开发出完整封装的MEMS器件，到了下一步——将封装好的MEMS器件装到PCB上——又是一个大难题。下面以一些实际应用为例说明MEMS器件的组装。
◆安全电子气囊
加速/减速计是最早也是最重要的MEMS器件之一(图1)，这种器件通常带有一个硅悬臂或悬梳，当运动状态变化时会出现微小的弯曲，从中可检测到运动状态并将其转换成电信号。对该系统的要求是必须能准确地感测到减速情况，并且及时发出信号以打开汽车上的气囊，而这一信号又只能在撞车的情况下才能发出。这种产品的封装外形并没有什么特别之处，用一般转移模塑技术就可以制成。加速/减速计是少数几种可以完全密封的MEMS产品之一，因为运动状态检测并不需要开口，而且封装不能影响机械的运动，封装的内部应力也必须很低，即使封装存在有应力也必须是可以估测的，以便应用时留出余量。封装和装配的关键都在于是否对应力产生影响，因为任何会增加封装应力的因素都将改变系统灵敏度。
加速/减速计只能感测一个方向的运动状态变化情况而不是任何方向，安全气囊里的感应器主要检测汽车的前向速度变化率，如果车辆受到追尾或侧向冲击，或者遇到路面凹坑而弹起，气囊都不应被触发打开。现在越来越多的汽车安装侧向安全气囊，由另一个独立的感应器检测其侧向运动情况。任何影响方向感应或减速检测的因素都会在使用时带来麻烦。
安装加速/减速计时还需要注意的一个问题是封装的方向必须要摆正，若MEMS方向不对灵敏度就会降低。假如水平方向偏斜45°，则前向灵敏度会降低一半；除了水平偏斜外，垂直方向的倾斜也有影响，因为有效运动方向发生了变化，从而降低了灵敏度。
可以容许多大的偏斜呢？能否设计一种封装可确保装配方向永远处在允许范围内？对于这些问题可能已有了解决办法，只是尚未公开。据一位加速计制造商透露，少数OEM客户已有确定的芯片类型，并确立了设计规则建立了装配标准。尽管这是一个很大的市场，但仍然受到很多限制，这种状况今后也许会改变。另外一种可能是每个OEM厂商的器件规格都不尽相同，正如一位制造商所说，“拥有MEMS装配技术的公司是不会公开他们经验的，这是一个保密的行业，以后也是如此。”
许多PCB装配问题都会影响灵敏度，比如说焊点就有较大的影响，这主要是由于机械而非电气性原因。在决定碰撞时感应器的感应强度时，引脚兼容性也很关键，较硬的引脚变形比较小，从而会产生较强的信号。
另外PCB特性也不能因外部原因而改变，封装的应力可在一定范围内变化，但它必须事先可以估测到。CERDIP(陶瓷双列直插)封装是MEMS器件普遍采用的一种封装形式，改为塑料封装后可能会增加应力和灵敏度。制造商在封装过程中对器件进行校准，将之作为测试的一部分，但如果在以后的装配过程中遇到意想不到的变化，像线路板翘曲和扭曲等，这些问题将是致命的。多层板的CTE(热膨胀系数)变化也必须予以考虑，MEMS对装配在这方面的影响目前还不太清楚，但基本原则应该是将器件、封装和装配作为一个相互影响相互作用的系统来对待。
◆喷墨盒应用
大多数墨盒中所使用的喷墨芯片都体现出MEMS器件在封装和装配方面的创新。虽然有一些设计利用压电技术，但是大多数还是采用微型加热元件以形成一个可随时喷出墨滴的小汽泡，再由许多微小喷嘴构成的阵列将墨滴喷到纸上，而封装不能影响喷射路径。MEMS芯片的连接区域必须保护起来以免受到墨水等外部环境的影响，而且也必须牢靠耐用便于用户使用，所以这里采用了一种称为COF的裸片装配工艺。
喷墨芯片一般都用TAB薄膜装配，TAB薄膜是一种柔性电路材料，带有可伸进邦定区的悬挂式线束。挂在邦定区的镀金引线与芯片焊盘对齐，然后由TAB内部引线邦定器提供所需的热量和压力以形成牢固的金属连接。通常TAB封装都带有连接到线路板的外部引线，但喷墨电路拿掉了这些外部引线，芯片的连接线都装入一种称为TAB柔性排线的电路中(图2)。
然后使用自动针型涂敷器将液体聚合物有选择地涂敷在需要密封的喷墨芯片连通区域,再通过加热或照射紫外线使聚合物固化。芯片的工作面没有密封，因此喷墨不受影响。从某种意义上讲，装配在封装之前就完成了，柔性电路连同装配好且受到良好保护的MEMS芯片一起被装到墨盒上，电路再绕过墨盒连接到打印机上，经过这样组装的MEMS芯片便可以从墨盒中取出墨水。下次更换打印机喷墨盒时可以仔细观察一下这个非常精妙的MEMS器件，虽然很少有文献资料谈及这种MEMS器件，但在显微镜下还是能看到很多东西。
◆微光机电系统
微光机电系统(MOEMS)产品的复杂程度又提高了一级。芯片置放于密闭的封装内以防止敏感的光学器件受到外界光线影响，但是必须留出一条光通道。这一方法原理很简单，但是实施起来比较困难，需要在封装内设计一个导光的盖或天窗，虽然有多种材料可供选择，但是大多数天窗都采用陶瓷或金属以确保良好的密封性能。
图3所示的微镜面模块也许是复杂光电产品封装的最好例子，这一数字微镜面器件是当前最复杂的商业化MOEMS产品，它也预示了未来的发展方向。芯片采用光束引导镜面，在运行中可以独立即时地移动。将一个镜面指向投射镜头就可接通一个像素，转开镜面即关闭该像素，高密度阵列含有百万以上的微镜面，每一个镜面都可以分别寻址并且同时移动，轻型数字投影仪采用的就是这些模块。美国加州的电影院正在用它进行一系列数字电影试验，今后的电影可能以电子方式传送到电影院，也许是通过光纤来传输，然后就用这种投影仪放出来。
MOEMS对PCB装配的影响目前还正在研究。据调研机构Prismark资深合伙人Charles Lasson介绍，一些新型MEMS产品对温度特别敏感，带引线的器件一般采用手工焊接，而表面贴装器件则采用激光焊接。IPC、电子工业连接协会及国际微电子和封装协会(IMAPS)等组织也指出，目前业界仍然只注重半导体工艺，而对封装技术并未给予足够重视，因此当务之急是协同开发PCB装配工艺及标准，否则到PCB装配遇到问题时将悔之晚矣。
本文结论
MEMS将成为21世纪的代表性技术。在一个芯片上含有感应、分析、计算和控制等功能的技术将在近几年为我们带来许许多多新鲜而又奇妙的产品，而且这类产品还会源源不断地涌现。虽然封装的难度较大，但进展速度很快，只是现在仅有少数几家大公司在研究MEMS的PCB装配问题。由于技术的发展难以预测，每天都处在急速的变化之中，所以即使现在还没用到，也应该开始考虑MEMS在PCB上装配的问题。