Thành phần cảm biến

Thành Phần Cảm Biến Xu hướng phát triển trong đóng gói Chip Trong số trước các bạn đã thảo luận một số kỹ thuật cụ thể ứng dụng trong bao gói kín chip điện tử. Đó là công nghệ đóng gói cảm biến được thiết lập với tỷ lệ dò thấp và tối giảm độ ẩm theo tiêu chuẩn MIL STD 883, Method 1014, ứng dụng cho cả kim loại và gốm. Dựa trên tính phổ biến của các bước công nghệ chính, có thể hy vọng rằng kỹ thuật trong đóng gói dựa trên khuôn đổ trước và công nghệ MIDs sẽ hội tụ, tạo ra sự đột phá. Và một trong những khả năng mới trong sản xuất trực tiếp linh kiện ba chiều, đa chức năng là việc sử dụng khắc lập thể. Chất dẻo được polymer hóa nhờ chiếu tia laze từng phần trên đế. Tia laze tạo ra những cấu trúc một cách trực tiếp, hoặc song song thông qua việc chiếu sáng qua mặt nạ, để tạo ra bề mặt có cấu trúc độc lập, các khoang trống, hoặc các mối nối polymer-kim loại. Chúng tôi xin tiếp tục bàn bạc các vấn đề có liên quan trong số này. 1. Mối nối liên linh kiện và đế Với các đế để gắn linh kiện, PCB vẫn giữ vị trí quán quân. Lý do chủ yếu là độ sẵn sàng cao, giá thành thấp, gia công nhanh gọn, và trong vài năm gần đây là tính ổn định cao ngay cả trong các môi trường khắc nghiệt hoặc nhiệt độ cao. Sự phát triển liên tục và tính chuyên môn hóa cao cho phép các mạch in hiện nay tạo hình với mật độ mạch cao, phù hợp cho các thiết kế chip lật (flip-chip) hoặc chip và dây, chịu nhiệt cao, tích hợp cả những linh kiện thụ động. Những xu hướng khác trong việc tạo mối nối giữa các linh kiện bao gồm việc sử dụng các bo mạch dẻo. Đặc biệt cho cảm biến, hệ thống với đế ổn định dùng polyimit hoặc bây giờ là polyme tinh thể lỏng (Liquid Crystal Polymer) đang rất phù hợp. Với những ứng dụng có chi phí thấp, bao gồm các loại thẻ thông minh, nhãn thông minh, đế dùng polyester đang được sử dụng nhiều hơn. Tuy vậy, việc tích hợp cảm biến trên đó cũng mới chỉ bắt đầu. Các loại đế dẻo thường có độ bền cao, kích thước nhỏ và khả năng tích hợp cao trong những cấu trúc phức tạp nhờ vào khả năng cuộn tròn, trải dài linh hoạt. Nói chung, có một xu hướng rõ nét trong việc tích hợp, bổ sung các chức năng và cấu trúc lên mọi loại đế dành cho cảm biến. Một công nghệ đang được nghiên cứu và vẫn đang còn trong giai đoạn phôi thai cho các ứng dụng trong công nghiệp đó là các công nghệ chip nhúng, chip trong polyme. Các loại ICs mỏng được làm phẳng và tạo tiếp xúc trực tiếp trên PCB. Ưu điểm của công nghệ này là giảm được kích thước của linh kiện (kể cả chiều dày). Các ứng dụng đầu tiên của cảm biến xúc giác đang được triển khai cùng các thành phần quang học trên đế hoặc mạch chủ động trong công nghệ TFT, trên các mạch dẻo. Các ống dẫn sóng tích hợp được chế tạo trên đế sử dụng cho việc truyền dẫn dữ liệu cũng như để đo tín hiệu quang với khả năng ứng dụng rất rộng rãi. Nhờ những cải tiến đặc biệt khi gắn các phần tử quang, những ứng dụng mới ngày càng được mở rộng và khai thác. Song song với sự phát triển này, việc tạo ra kênh dẫn chất lưu trong đế polyme đã được giới thiệu và trình diễn thành công. Đế gốm hiện tại đang bị chi phối bởi 3 công nghệ: đế lai màng dày/màng mỏng được xác định dùng cho những yêu cầu ngặt nghèo về điện, các ứng dụng ở miền nhiệt độ cao, đòi hỏi độ tin cậy cao. Rất nhiều ứng dụng khác còn đang để ngỏ trong công nghệ cảm biến. Trong những năm tới, chúng ta hoàn toàn có thể trông chờ vào những tiến bộ trong công nghệ, đặc biệt là việc làm giảm kích thước. Với các lớp màng dày, bề rộng của vật dẫn và khoảng cách giữa chúng khoảng 20 µm là có thể đạt được. Công nghệ gốm LTCC (đế gốm dùng để gắn mọi linh kiện của IC, nhiệt độ thấp) đã được phát triển từ công nghệ lai. Đế gốm đa lớp, thiêu kết ở nhiệt độ thấp 850°C, tiếp tục có sự phát triển đáng kể nhờ những đặc tính như mạch đa lớp đơn giản, có khả năng tạo cấu trúc ba chiều, khả năng sản xuất sạch, và khả năng chế tạo các thành phần vi lưu và điện cực, chứa các đối tượng và dung dịch phân tích. Vật liệu LTTC có khả năng chống ăn mòn và bền nhiệt. Ý tưởng mới cũng đã được đề xuất nhằm tích hợp cảm biến áp suất với môi trường đó dựa trên LTCC trong thành phần mạch điện. Tuy nhiên, do chi phí đầu vào cao đặc biệt cho giai đoạn sản xuất thử, số ứng dụng còn hạn chế nên số nhà cung cấp sản phẩm này cũng còn rất khiêm tốn. Như vậy, LTCC sẽ cho thấy lợi ích khi sản xuất hàng hoạt và trong những ứng dụng cao cấp. 2. Kỹ thuật lắp ráp Việc gắn cảm biến lên một bề mặt đòi hỏi sự ổn định về mặt cơ khí. Đồng thời, thành phần đo lường và vỏ cảm biến phải độc lập nhau về mặt ứng suất. Trong nhiều trường hợp, việc lắp ráp cần chính xác tới phần triệu mét. Ảnh hưởng của ứng suất nhiệt đang trở nên có ý nghĩa quan trọng đối với nhà cung cấp nhằm giảm tối đa các thành phần đo lường bất định. Lý do đằng sau chính là độ nhạy của mọi cảm biến cơ khí đối với những ứng suất cơ (nhiễu). Trong số những những yếu tố khác, ảnh hưởng thường tới từ độ áp điện trở, ảnh hưởng về cấu trúc hình học lên điện trở, hoặc hiệu ứng Piezo-Hall. Nói chung, ứng suất cơ trong lắp ráp cảm biến thường bị ảnh hưởng bởi nhiệt, do các thành phần cảm biến có độ giãn nở nhiệt khác với vật liệu đế. Thêm vào đó, độ hấp phụ độ ẩm cũng ảnh hưởng khá lớn và thường là khó xác định. Các nghiên cứu mới cũng hướng đến việc làm giảm ảnh hưởng của gia tốc cao tới độ nhạy của cảm biến, ví dụ như trong công nghiệp hàng không. Các biện pháp giảm ảnh hưởng của ứng suất có thể được chia làm 3 nhóm: * Kỹ thuật bao gói tương thích về cơ nhiệt * Sử dụng vật liệu bao gói tối ưu hóa, dẻo * Tăng độ chắc chắn của thành phần cảm biến 2.1. Kỹ thuật lắp ráp tương thích về cơ nhiệt Biện pháp có ảnh hưởng nhất được sử dụng là làm giảm hệ số giãn nở nhiệt của đế, vỏ và vật liệu phủ cảm biến. Cho tới nay, silicon vẫn là vật liệu chính chế tạo cảm biến, vì thế cần phải bù hệ số giãn nở nhiệt khi dùng các vật liệu khác. Các xu hướng, phát triển trên thực tế này, thường là sử dụng vật liệu cao cấp như LTCC hoặc các loại gốm khác, cùng với các chất tạo khuôn bằng chất epoxy làm vật liệu phủ cảm biến. Gần đây, các vật liệu có sẵn trên thị trường đã đạt được việc giảm đáng kể hệ số giãn nở nhiệt (khoảng 8 ppm/K). Thêm vào đó, người ta tăng cường sử dụng các phương pháp tạo hình tiên tiến. Do việc thiết kế cảm biến dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) thường có sẵn trong SMBs, các quy trình bao gói phức tạp đang dần được tối ưu hóa phần cơ khí nhờ vào việc ứng dụng FEM. Như vậy, có thể tính toán một cách khá chính xác ứng suất tác dụng lên cảm biến trong quá trình sản xuất cũng như ứng dụng của chúng (nhỏ hơn 15%). Các ảnh hưởng của hiệu ứng Hall lên đặc tuyến của cảm biến Hall và cảm biến áp suất cũng có thể tiên đoán được. 2.2. Sử dụng vật liệu bao gói tối ưu hóa, dẻo Quy trình bao gói cảm biến nhờ kỹ thuật hàn đang được ứng dụng rộng rãi. Với công nghệ cảm biến, các vật liệu có liên quan bao gồm epoxy, silicon và polyimit. Bên cạnh độ bám dính và điểm nối bền chặt, quá trình hàn cũng cho phép tiếp xúc điện và thậm chí là tạo cặp nhiệt với phần tản nhiệt. Vì thế, vật liệu thường được chức năng hóa cùng với chất đổ khuôn như Ag, Al2O3, SiN, hoặc thậm chí là kim cương. Tùy thuộc vào từng ứng dụng, người ta có thể sử dụng chất kết dính có nhiệt độ thủy tinh cao hay thấp. Xu hướng này vẫn đang tiếp tục phát triển và sử dụng trong bao gói cảm biến. 2.3. Tăng độ chắc chắn của thành phần cảm biến Biện pháp này áp dụng nhằm để làm giảm độ lan truyền của ứng suất cơ của cảm biến xuống mức thấp nhất. Với cảm biến áp suất, có thể dùng phần thủy tinh để tạo cách biệt với cấu trúc cảm biến trên đế. Bất chấp hiệu ứng có lợi này, các xu hướng phát triển vẫn định hướng vào việc làm giảm chiều dày của phần thân thủy tinh và dùng FEM để tối ưu hóa chúng. Một vài tiếp cận khác còn nhắm tới làm tách biệt thành phần cảm biến với đế thông qua những cấu trúc phù hợp. Với cảm biến áp suất trên cơ sở silicon hoặc trên đế silicon of silicon, xu hướng này không được chấp nhận một cách rộng rãi. Trở ngại lớn, bên cạnh tính phức tạp của các cơ cấu cơ khí, đó là sự suy hao đáng kể diện tích hoạt động trên bề mặt của silicon trên đế. Điều này thường là không được phép trong chế tạo. Chỉ khi những cấu trúc treo phù hợp có thể được tích hợp trong các bộ phận khác của cảm biến vi cơ, khi đó mới được gọi là thành công. Điều này áp dụng cho các cảm biến vận tốc góc, hoặc con quay vi cơ (gyroscopes), theo đó các cấu trúc cân bằng động, đa trục và phức tạp mới trở thành vấn đề cấp thiết. 2.4. Kỹ thuật hàn Các kỹ thuật hàn chi phối quá trình đóng gói cảm biến trong vài năm tới giờ cũng đã có sẵn và được ứng dụng rộng rãi. Hàn dây kiểu dẹt-tròn với dây vàng tinh khiết đã có thể được thực hiện ở mức độ tiên tiến hơn với độ bền và độ tin cậy cao. Đối với những mối hàn, tỉ lệ mối hàn lỗi cỡ vài ppm là có thể đạt được. Nhờ những thiết bị kỹ thuật mới, xu hướng hiện nay đang theo hướng với kỹ thuật hàn dẹt - dẹt sử dụng dây nhôm (AlSi) trong các ứng dụng không IC, và vẫn còn tiếp diễn trong những năm tới. Ưu điểm dễ thấy trong kỹ thuật này đó là độ linh hoạt rất cao, dễ dàng cho sản xuất thử nghiệm, và sẽ cho phép cả hai kỹ thuật hàn này chiếm vai trò quan trọng trong thế giới cảm biến đặc biệt khi sản xuất với số lượng nhỏ. Ngoài ra, dây hàn cần có độ dẻo dai, chịu bài mòn, bền nhiệt trong khoảng giao động lớn tới 200oC hoặc thậm chí cao hơn, phù hợp với các ứng dụng trong luyện kim. Cả kỹ thuật hàn tròn và hàn dẹt hiện nay dùng được với dây hàn có đường kính cắt ngang nhỏ hơn 20µm. Khi lựa chọn kỹ thuật cần để ý tới các thông số như kích thước hình học, hợp kim hàn và tốc độ hàn. Với các hệ thống tích hợp cảm biến - bộ chấp hành đòi hỏi nguồn cấp lên tới ampe, phép hàn dây sử dụng dây nhôm đang trở nên được ưa chuộng. Đối với phép hàn dây nói chung, người ta đang mong chờ các bước cải tiến chi tiết cho các sản phẩm cao cấp và vì vậy (nó) vẫn giữ được vị trí quan trọng trong rất nhiều ứng dụng trong công nghệ cảm biến. Kỹ thuật hàn lật dựa trên nguyên tắc sử dụng độ dính, và ép nhiệt lúc hàn. Hàn lật được sử dụng trong cả SMD và các thiết bị hàn lật. Kỹ thuật này ngày càng phát triển và ứng dụng nhiều trong các một số sản phẩm mà kỹ thuật hàn khác không đáp ứng được, ví dụ như các ứng dụng cao tần. Nhờ có độ cảm ứng thấp so với hàn dây, các mối tiếp xúc trong hàn lật cho phép truyền tải tín hiệu rất nhanh, và đây là điều đáp ứng được các yêu cầu trong cao tần. Với những linh kiện quang, như chip CCD, cơ chế tiếp xúc song song mật độ cao tạo ra một ưu điểm trong sản xuất, kinh tế và làm giảm kích thước. Như vậy, sau cả chục năm với cảm biến hồng ngoại dùng CCD đầu tiên ứng dụng công nghệ này với viên hàn nhỏ hơn 25µm và số cổng vào ra lên tới hàng trăm được sản xuất hàng loạt, người ta trông chờ rằng những đặc điểm này sẽ sẵn sàng trong những ứng dụng khác. Về cơ bản, sự cải tiến liên tục được đặt ra cho cơ sở hạ tầng của các nhà cung cấp công nghệ hàn lật và có thể dự đoán rằng công nghệ này vẫn tiếp tục được sử dụng trong những năm tới. Trong bối cảnh đó, các nhà cung cấp viên thiếc dùng trong hàn lật, các nhà cung cấp dịch vụ đưa viên thiếc lên đế, nhà chế tạo linh kiện và nhà cung cấp vật liệu (chất keo dính) cần phải được đồng bộ thông tin. Và như vậy, sẽ dễ dàng hơn cho các nhà phát triển hệ thống trong công nghệ cảm biến để hiện thực hóa kỹ thuật hàn lật trong những dụng khác nhau. Ở quy mô bao gói, các phép hàn không chì đang là tiêu chuẩn áp dụng trên hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay. Kết quả cho thấy độ già hóa trung bình tương đương khi so sánh với kem hàn SnPb. Vật liệu hàn này (không chì) cho độ ổn nhiệt tốt hơn 10 đến 20K so với hợp kim SnPb. Tuy nhiên, độ tin cậy cần được minh chứng thông qua những ứng dụng khác nhau. Tóm lại, có thể mong đợi rằng phép hàn không chì sẽ thay thế khá nhanh những công nghệ trước đây trong sản xuất cảm biến. 3.Khái niệm tích hợp mới 3.1Cấu trúc cảm biến trong cấu trúc linh kiện và quần áo. Một trong những yêu cầu của người dùng có thể làm ảnh hưởng tới xu hướng phát triển đó là ứng dụng nhận dạng cao tần trong kho vận và trong cuộc sống hàng ngày. Các tác vụ được thực thi trong những hệ thống này thường liên quan tới việc gắn nhãn hoặc nhận dạng. Các cảm biến tích hợp trên một chip, ví dụ tích hợp cảm biến nhiệt, độ ẩm trong RFIDs, thẻ thông minh, hoặc nhãn thông minh là khả thi và đã được trình diễn thành công. Tuy vậy, các yêu cầu kỹ thuật cho việc đóng vỏ không phải luôn được thỏa mãn. Chỉ khi nào các yêu cầu đặc biệt được thỏa mãn, các bộ phận bằng silicon (< 50µm) với cấu trúc cơ khí dễ vỡ mới được sản xuất hàng loạt. Các thông số nhạy cơ trong cấu trúc linh kiện hoặc hệ thống vi cơ khí cũng là một trong những tác vụ quan trọng. Trong các ứng dụng này, hệ thống không dây cần được triển khai, với hệ thống phân tích thời gian thực sao cho hệ thống có thể gửi thông tin đến các bộ phận cần thiết khác. Các mạch điều kiện chuyển đổi số - tương tự trong các ứng dụng chuyên biệt dùng trong cảm biến có thể bao gồm bộ khuếch đại, bộ lọc, bộ chuyển đổi và bộ truyền thông trong một linh kiện tích hợp. Vì các hệ thống kiểu này thường được chế tạo với số lượng nhỏ, nên việc sử dụng công nghệ chuẩn cũng là điều dễ hiểu. Các loại đế mang, PCB phải rất mỏng, dẻo mới đáp ứng được yêu cầu tích hợp. Điểm nổi trội và khác biệt của những giải pháp tương lai này ở chỗ làm tăng tỉ số tín hiệu trên ồn (Signal to Noise Ratio) nhờ vào các mối nối ngắn, loại bỏ được bộ khuếch đại phức tạp, kích thước hệ thống nhỏ, lấy mẫu và xử lý số liệu trực tiếp. Một xu hướng phát triển nữa đang được đầu tư nghiên cứu và phát triển là quần áo thông minh. Ở đây, người ta có thể tích hợp các cảm biến độ ẩm, nhiệt độ thậm chí là các cảm biến đo thông số chuyển vị Vải đóng vai trò đế, gá, đồng thời là nguồn cấp và là ăng ten cho các cảm biến. Các linh kiện đã được bán sẵn thông qua các nhà cung cấp cho từng ứng dụng cụ thể. 3.2 Phòng thí nghiệm trên đĩa và phòng thí nghiệm trên chip Cảm biến thường được sản xuất bởi các nhà sản xuất linh kiện, sau đó tích hợp bởi các nhà cung cấp. Cách làm này sẽ không được thực hiện trong nhiều vi hệ thống. Những ứng dụng hiện đang ở vào giai đoạn quá độ giữa nghiên cứu và sản xuất bao gồm các vi bình phản ứng cũng như hệ thống phòng thí nghiệm trên đĩa và phòng thí nghiệm trên chip cho các ứng dụng y sinh. Những hệ thống này là sự tổ hợp của các vi bể chứa, vi bơm, vi bình phản ứng, vi cu-vet, vi côt-tách, và vi cảm biến. Lắp ráp các linh kiện rời rạc thường rất khó khăn do kích thước và hình dạng khác biệt, thể tích chết, thời gian chết và chi phí. Các hệ thống vi lưu được lắp ráp nguyên khối hoặc hệ thống lai sử dụng càng ít linh kiện càng tốt. Các cảm biến tiêu biểu thường được sử dụng là cảm biến nhiệt độ, thể tích và dòng chuyển chất, áp suất, màu hoặc các thông số hóa học. Thêm vào đó, chúng có sẵn các khoang trống để tích hợp linh kiện quang, đo đạc đặc tuyến của dung dịch cùng với các hệ thống phân tích phụ trợ. Vì vậy, trong tương lai, các nhà phát triển sẽ thiết kế và chế tạo những cảm biến giản đơn dùng cho một hệ thống hoàn thiện. Trong trường hợp khác, tích hợp IC cảm biến thành một chip trần là cần thiết. 3.3 Công nghệ y học Trong công nghệ y học, cố gắng trong nghiên cứu và phát triển đang được thúc đẩy và được cam kết phát triển các cảm biến, chấp hành hoặc các hệ thống mô phỏng cơ thể sống. Những nghiên cứu này cho phép thay thổi tạm thời hoặc dài hạn các chức năng của cơ thể. Với sự góp sức của các nhà dinh dưỡng thần kinh, con người đang cố tạo ra phần ghép nối thần kinh, ngoài ra còn có thể phát triển các bộ phận cho phép giao tiến với da hoặc các dòng lưu trong cơ thể. Bên cạnh đó, kích thích thần kinh và phát hiện các tín hiệu thần kinh cũng được để ý phát triển, những ứng dụng khác phát hiện những thông số chuyển vi hoặc cho phép xây dựng liều (thuốc). Với các hệ thống in-vivo, đang trong giai đoạn trình diễn công nghệ hoặc thử nghiệm trên động vật, các quy trình đóng gói chuẩn đã được phát triển, định hướng bởi các yêu cầu tương thích sinh học, và nhắm tới sản xuất hàng loạt. Trong rất nhiều trường hợp, đế dẻo được sử dụng làm phần đế cho việc tích hợp cảm biến. Bo mạch dẻo cũng có thể được dùng để đỡ các vi điện cực hoặc đặt các tế bào thần kinh. Tóm lại, đóng gói cảm biến đang diễn ra theo các xu hướng tích hợp nhiều thành phần riêng biệt trên một đế, kết hợp những kỹ thuật truyền thống nhưng ở mức độ tổ hợp cao hơn. Kỹ thuật và công nghệ đóng gói đang ngày càng bị chi phối và định hướng bởi các ứng dụng chuyên biệt trong y tế, môi trường và nhận dạng cao tần trong kho vận.