传感器专刊 | 微电子装配中的传感器有哪些“不一样”

随着精密制造技术的不断升级，元器件、芯片的尺寸越做越小。这种改变衍生出两大发展方向：一是设备微型化，在保持性能的同时尽最大可能缩小体积，降低用料成本；二是性能升级，即在同样大小的PCB板上装配更多的芯片和元器件来获得更强大的性能。但无论哪种发展方向，微电子装配的精度需求已经从毫米级来到了微米级时代。传统的手工及半自动化装配方式已经无法满足高端生产需求，对此，越来越多的制造设备供应商开始提供精密装配自动化解决系统，其中，传感器决定了精密装配系统的精度和性能。

与传统装配相比，微电子装配中的传感器在功能方面与普通传感器没什么“不一样”。

传感器的分类

从装配工序来看，装配过程具有一定的相似性。比如对准、精密定位等，因此用于装配过程中的传感器也具有一定的相似性。简单来说，在传统装配过程中，传感器需要先检测材料是否合格，随后拾取、定位到安装位置，调整姿势后以合适的力量安装到位，最后检测装配是否合格。在微电子装配作业中，传感器同样需要完成这些工作。

微小装配过程中使用的传感器大致可以划分为三类：
1. 视觉传感器，主要用于待装配零件之间位置和姿态偏差的测量，同时也用于装配前器材检测及装配后质量检测；
2. 力觉传感器，主要用于控制配合零件之间的接触力测量；
3. 接近觉和其它类型传感器，用于保证装配作业安全、可靠，及满足其它装配要求的传感器对装配起辅助作用。
微小装配过程中最常见的传感器包括视觉传感器、力传感器，测距传感器、扭矩传感器等。尽管在名字、种类、功能上十分接近，但从性能、精度、装配难点等角度来看，微小装配中使用的传感器与普通传感器有着显著的不同。

微视觉传感器：
多视目电子显微镜实现纳米级观测

微电子装配中，元器件安装精度常常会达到3-5μm，要实现如此精度的安装需要纳米级视觉微传感器。通过图像传感器+电子显微镜（ Scanning Electron Microscope，SEM），以电子束“看”被测对象，能获得十几个纳米的高分辨力。

由于元器件尺寸极小，在装配时对垂直平面距离（即高度）需要较少，因此高精度的平面二维视觉传感器已经能满足目前大部分应用场合。需求少并不代表没有需求。目前广大微电子装配方案中，依然提供了三维空间解决方案，主要以安装多个平面二维视觉传感器来获取深度信息，实现三维视觉测量。包括双目立体视觉、聚焦（ToF）、离焦（ToF）、激光三角法测距、飞行时间法（ToF）测距等。

目前，平面二维视觉微电子装配主要应用于自动化芯片贴装，如SMD封装、Flip-Chip封装、汽车雷达传感器中GaAs芯片的封装等。分辨率普通达到3μm，部分应用装配精度要求优于3μm。

微力传感器：表面吸附力

与普通力传感器最大的不同是，由于元器件体积太小了，微力传感器几乎不需要考虑元器件的重量问题，但表面吸附力（包括范德华力、表面张力、静电力等）的影响相对增加。尽管微电子元器件的表面吸附力可能只有纳牛（nN），微牛（μN）量级，大一些的可以达到毫牛（mN） 量级，已经高于元器件自身重量。

表面吸附力难以测量和控制，它会使元器件难以准确地放置，甚至吸附在夹钳上无法释放。克服表面吸附力带来的影响是微力传感器的难点之一，目前还没有较好的解决方式。市面上一般采用微加工方式，尽可能减小微型钳与元器件的接触面。还有的供应商采用金属镀层并接地的方法来消除夹钳的静电电荷，采用特殊的疏水涂层也可以适当降低元器件的表面张力。

除此之外，在装配过程中，在保证可靠性的前提下，微型钳施加的接触力越小越好。在微电子装配中，这一接触力会小到微牛到毫牛级别。这一级别的力也被称为微力。

为了实现如此“微力”的夹持精度，微力传感器的采用了多种有别于传统力传感器的技术。常见的有以下几种：

1、压阻式微力传感器
当导体或半导体材料在外界力作用下发生变形时，应变计能检测到其电阻的变化，精度可达毫牛或者亚毫牛（sub-mN） 的水平。半导体应变片比金属应变片具有更高的灵敏度，但温、湿度对电阻影响较大，故应变片微力传感器对装配环境有一定要求，通常企业会加装惠斯通电桥来保持测量的稳定。

2、压电效应微力传感器
压电效应是指压电材料（石英晶体、压电陶瓷、 PVDF 等）在沿一定方向上受外力影响时，内部会产生极化现象。这一现象会使材料表面和微型钳表面出现正负相反的电荷，即可获得一定的接触力。由于撤去外力后会恢复成不带电状态，因此利用表面电荷的压电式传感器不适合用于静电力的测量。但测量谐振频率、电阻抗、衰减时间常数、电容等其它数据时有一定的用武之地。

3、压磁效应微力传感器
铁受到磁力影响时，内部应力会引起磁导率变化。通过测量磁导率变化的力传感器被称为压磁效应传感器。相比刚才介绍的两款力传感器，压磁效应微力传感器无需黏贴，安装更简单，能满足静态力和动态力的测量，具有很好的抗过载能力和抗干扰能力。

基于磁弹性效应的力传感器的精度很高，美中不足的是容易受到电磁干扰导致精度下降。大多数的压磁传感器都是采用电磁效应的测量方法，其中包括磁阻、磁致伸缩、霍尔元件等，电磁效应检测的分辨力非常高，应用范围涵盖了微牛、纳牛和皮牛。

4、电容式微力传感器
在电容的两端施加压力使其产生微变或者位移时，会引起电极间电容的变化。通过测量电容变化就可以获得微力值。与压阻式传感器相比，电容式传感器具有能耗低、灵敏度高、频率响应快等优点，其检测精度可达到微牛顿或亚微牛顿。因此电容式微力传感器已经大量直接集成于基于MEMS工艺制作的微型夹钳中，有着广泛的应用领域。

除此之外，较为常见的还有激光拉曼分光光度计、机器视觉微力传感器等。这些技术大多有很强的针对性，如激光拉曼分光光度计更适用于光波映射后频率变化明显的材料上。故有一定的专用性和使用条件。

目前微电子装配系统中视觉和力是最主要的两类传感器，且已能满足绝大多数装配作业需求。由于微小器件或产品的种类繁多，待装配零件具有多样性，不同的器件或产品装配要求和过程控制也有很大的差异，因此除了视觉和力觉传感器之外，微电子装配系统中往往还需要其它的各种传感器。主要的有接近传感器、测距传感器、微小扭矩传感器等。受微小装配作业高精度、重量轻等特点影响，这些微装配传感器也采用了不同于普通传感器的技术。

总的来说，随着元器件、零件尺寸和体积的缩小，表面吸附力（范德华力、表面张力和静电力）等各种干扰因素的影响显著，使得传感器的测量结果具有较大不确定性。为了实现高精度、高可靠、高效率的自动化微电子装配作业，各类微视觉、微力传感器应运而生。通过不断提高质量和性能，传感器在微电子装配行业中起到了决定性的作用。随着新的装配作业需求的不断提出，以及装配作业环境越来越复杂，多维传感器将成为未来的发展趋势。

来源：荣格-《智能制造纵横》


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