I moduli MEMS e i moduli sensore occupano una strana posizione intermedia nella produzione elettronica. A differenza di una scheda logica digitale, in cui spesso un semplice controllo di continuità è sufficiente a confermare l’intento di progetto, il vero valore di un modulo MEMS o sensore risiede nella precisione con cui misura qualcosa nel mondo fisico — pressione, accelerazione, umidità, luce o movimento. Un modulo può superare tutti i controlli di connettività elettrica e tuttavia non riuscire a fornire un’uscita utilizzabile. Questo divario è il motivo per cui la calibrazione e il test funzionale a livello di dispositivo sono trattati come una disciplina distinta nell’assemblaggio MEMS, piuttosto che come un componente opzionale dei test PCBA standard.
Perché la calibrazione e il collaudo funzionale a livello di dispositivo sono importanti
Tre caratteristiche dei dispositivi MEMS e dei sensori rendono indispensabile il test a livello di dispositivo, non solo auspicabile.
Deriva.Le strutture MEMS sono sia meccaniche sia elettriche. Travi, membrane o masse di prova su scala micrometrica possono spostarsi in risposta ai cicli termici, alle sollecitazioni meccaniche dovute all’incapsulamento o al semplice tempo di stoccaggio. Un sensore che fornisce una lettura corretta a livello di die o di wafer può derivare una volta incapsulato, saldato e sottoposto a cicli termici durante l’assemblaggio. Il test a livello di dispositivo rileva questo spostamento prima che il modulo venga spedito.
Variazione da unità a unità.Anche i sensori provenienti dallo stesso lotto di wafer, assemblati sulla stessa linea, possono variare in offset, sensibilità o guadagno a causa delle normali tolleranze di processo inattach del die, wire bondingo incapsulamento. Per molte applicazioni questa variazione è abbastanza piccola da poter essere ignorata. Per le applicazioni che dipendono dall’accuratezza assoluta — piuttosto che da semplici letture relative o basate su soglia — tale variazione deve essere misurata e, in molti casi, compensata a livello di modulo.
Sensibilità ambientale.Le uscite dei sensori sono spesso funzione di più di una variabile. La lettura di un sensore di pressione può variare con la temperatura. Il punto zero di un accelerometro può spostarsi in funzione della temperatura, della tensione di alimentazione o delle sollecitazioni meccaniche introdotte durante l’incapsulamento. La curva di risposta di un sensore di umidità può a sua volta variare con la temperatura. Se l’applicazione finale opera su un intervallo di condizioni ambientali, il comportamento del sensore deve essere caratterizzato sull’intero intervallo — non solo a temperatura ambiente sul banco di prova.
Categorie generali di test
Le strategie di test per i MEMS e i moduli sensoriali rientrano generalmente in tre ampie categorie, spesso utilizzate in combinazione piuttosto che come alternative:
Test funzionaleconferma che il modulo si accende correttamente, comunica tramite la sua interfaccia (I2C, SPI, uscita analogica, ecc.) e produce una risposta a uno stimolo noto. Questo è un controllo di superamento/fallimento piuttosto che una misurazione di accuratezza.
Calibrazione rispetto a un riferimentoconfronta l'uscita del sensore con un valore di riferimento noto e tracciabile — una pressione di riferimento, un'accelerazione controllata, una sorgente luminosa certificata — e ricava coefficienti di correzione (offset, guadagno, linearità) che vengono memorizzati sul dispositivo o applicati a valle.
Test ambientalevaluta le prestazioni del sensore in funzione di intervalli di temperatura, umidità, vibrazioni o tensione rilevanti per l’applicazione finale, sia per convalidarne la stabilità sia per generare dati di compensazione da utilizzare nella calibrazione.
Quale combinazione di questi elementi si applica dipende fortemente dal tipo di sensore, dai requisiti di accuratezza dell’applicazione e dal fatto che la compensazione avvenga sul modulo (ad esempio tramite EEPROM integrata) o nel firmware lato host.
Come si inserisce in un flusso di assemblaggio e collaudo più ampio
Queste tre categorie di test sono raramente applicate in modo isolato: quale combinazione viene eseguita, e in quale fase, dipende dalla posizione del modulo nel processo di assemblaggio. La calibrazione e il test si collocano tipicamente a valle di fasi di assemblaggio come il die attach, il wire bonding o il montaggio flip-chip, e a monte del packaging finale o dell’integrazione di sistema. Poiché il packaging MEMS può introdurre proprie sollecitazioni meccaniche, i test eseguiti solo a livello di wafer o di die non catturano pienamente come il modulo finito si comporterà sul campo: eliminano i chiari guasti a livello di die, ma gli scostamenti indotti dal packaging emergono solo quando il modulo è assemblato. Questo è l’argomento pratico per trattare calibrazione e test come parte dello stesso continuum dell’assemblaggio, pianificati insieme duranteNPI, non aggiunta in un secondo momento.
Per ingegneri che stanno valutandopartner di assemblaggio, la domanda utile non è solo "puoi testarlo", ma "in che modo il test si collega al tuoprocesso di assemblaggio a livello di die e a livello di modulo", poiché è difficile separare i due per i prodotti MEMS e i sensori.
Risorse utili
●Protocolli di controllo ESD nell’assemblaggio PCBA per schede sensore medicali sensibili
●COB su substrati flessibili e rigido-flessibili: cosa cambia quando la scheda si piega
●Wire bonding a passo fine e assemblaggio di moduli multichip: cosa rendono possibile
