Главная
страница 1
УДК.531.383-11:531.714.7;
Ефремов Р.С., Моисеев Н.В., Ковалев А.С., Гаглоев Д.Р.

(ОАО “Концерн “ЦНИИ “Электроприбор”, С.-Петербург)

Сидоренко В.Н. (МИЭТ(ТУ), г.Москва).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОТБРАКОВОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ.
Приведено описание конструкции датчика, состоящего из двух кремниевых модулей – электромеханической структуры и интегральной схемы управления датчиком. Проработана и освоена технология сборки датчиков в специализированный корпус. Проведены испытания датчиков, позволившие экспериментально определить показатель выхода годных образцов.
Введение

Современные виды навигационной техники, в которых нет необходимости в высокой точности, задают определенные требования к элементам гироскопических систем. В таких системах во главе угла выступают такие параметры, в которых достигается наибольший эффект миниатюризации, снижения стоимости и энергопотребления. Таким требованиям в настоящее время отвечает новый класс инерциальных датчиков – микромеханические гироскопы (ММГ). Появление ММГ тесно связано с прогрессом в области микроэлектроники и становлением нового направления техники – микро-электромеханических систем (МЭМС).

За последние несколько лет ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» совместно с зарубежной фирмой «Tronic’s», разработал ряд модификаций ММГ [1]. В настоящее время изготовлением и поставкой датчиков занимается зарубежная фирма. При этом датчики могут поставляться в виде микромодулей в металло-керамических корпусах, либо сборочными комплектами. В связи с этим возникают вопросы освоения технологии сборки ММГ. Для того, чтобы проверить технические решения и воспроизводимость оригинальной технологии микросборки на отличающемся оборудовании, было решено изготовить контрольную партию ММГ в ЗНТЦ МИЭТ (г. Зеленоград). В статье приводятся результаты изготовления и испытаний, позволяющие сделать вывод о возможности воспроизведения технологии сборки.
Описание конструкции ММГ и микромодуля

На рисунке 1 показан внешний вид датчика «ММГ-Эптрон» разработки ЦНИИ «Электроприбор». Конструкция датчика представляет собой усиленную печатную плату на алюминиевом основании, на которую установлен микромодуль и электроника, необходимая для его работы. Датчик предназначен для выработки информации о действующей относительно его оси чувствительности угловой скорости и обладает характеристиками соответствующими современному мировому уровню (таблица 1).


Таблица1 – Основные характеристики датчика

Параметр

Значение

Диапазон измерения, °/с

±100

Полоса пропускания, Гц

40

Плотность мощности шума, °/с/√Гц

0,01

Нестабильность смещения нуля (по Аллану)

< 20 º/ч

Потребляемая мощность, Вт

0,5

Выходной сигнал, цифровой

SPI

Габариты, мм

Ø 50 х 5

Основой датчика является микромодуль, состоящий из:

- микросхемы чувствительного элемента (МЭМС ЧЭ);

- интегральной схемы специализированного назначения (ИССН);

- металлокерамического корпуса.

На рисунке 2 показан внешний вид микромодуля и его состав. Размеры микромодуля составляют 23х11х2 мм. МЭМС ЧЭ представляет собой кремниевый модуль, содержащий конструкцию датчика. В микросхеме ИССН реализованы системы съема показаний с датчика, цифровые системы управления и интерфейс SPI для связи с потребителем.

Компоненты ММГ (рисунок 3) имеют малые размеры, к тому же, весьма чувствительны к пыли и статическому электричеству. Поэтому компоненты поставляются в специальных контейнерах и при работе с ними необходимо быть предельно аккуратными и внимательными.

Для подключения друг к другу микросхемы МЭМС ЧЭ и ИССН имеют контактные площадки размерами 80х80 мкм и 50х50 мкм соответственно. К дополнительным особенностям, усложняющим процесс сборки, относятся следующие факторы:



  1. Контактные площадки МЭМС ЧЭ заглублены

  2. Уровни всех площадок имеют разную высоту.

  3. При монтаже микросхем в корпус при помощи клея уровень площадок может существенно изменяться.

  4. Все провода для соединения микросхемы ИССН с корпусом имеют различную длину.

  5. Относительно большое количество проводов.

  6. Требуется соблюдать заданную геометрию петли провода.

На рисунке 4 схематично показан разрез корпуса, иллюстрирующий приведенные особенности.

Рисунок 4 – Размещение элементов в корпусе (вид сбоку)

Отмеченные особенности делают задачу распайки ручным способом весьма сложной при серийном изготовлении, поэтому обоснованным является применение автоматизированного оборудования, которым оснащено производство в ЗНТЦ МИЭТ.



Технология сборки

Функциональная схема сборки показана на рисунке 5 и состоит из таких операций, как монтаж кристалла в корпус, разварка проводов, контроль на сдвиг/отрыв, герметизация корпуса и функциональный контроль.




Рисунок 5 – Типовой техпроцесс сборки

Технология сборки начинается с операции монтажа двух кремниевых модулей (МЭМС ЧЭ и ИННС (ASIC)). Монтаж может осуществляться двумя способами: приклеивание кристаллов к корпусу с помощью эпоксидного клея либо технология эвтектической пайки. В нашем случае была применена технология монтажа при помощи клея.

Перед монтажом кремневых пластин в корпус следует приготовить клей, с заданными свойствами тепло- и электропроводности. Клей состоит из двух компонентов – основа и отвердитель, которые смешиваются в определенном соотношении.

Монтаж чипов в корпус происходит посредством системы и полуавтоматического монтажа кристаллов, которая позиционирует кристалл относительно корпуса и создает рабочее давление. Время полимеризации клеевого соединения зависит от температуры.

Следующим основным этапом сборки является сварка (разварка) проволочных проводов.

Как уже упоминалось выше, проволочные провода имеют определенную геометрию - «петлю», из-за того, что контактная площадка находится в пазу. Проводов 58 шт, следовательно, 116 контактных площадок, 15 из которых в глубоких пазах, к тому же длина проводов разная, что накладывает определенные трудности.

Ввиду того, что производство ММГ носит серийно-массовый характер, задача разварки ручными методами весьма затруднительна, поэтому данный вид работы происходит на автоматической установке шариковой сварки проволочных проводов.

При работе на данной установке необходимо использование специальной программы, которая учитывает все особенности формы и размеры подложки, геометрические параметры проволоки (рисунок 6), проволочной петли, сварочного шарика, параметры позиционирования точек сварки, регулировка фокуса, параметры проведения самого процесса сварки и т.д. Размеры пазов и контактных площадок обуславливают применение золотой проволоки определенным диаметром.

После разварки производится обязательный контроль качества соединений на специализированной установке. Данное оборудование позволяет провести контроль на сдвиг кристалла в корпусе и проверить распайку путем натяжение проволочных проводов на отрыв. Так же каждый гироскоп проверяется на стереомикроскопе на предмет каких-либо дефектов. Далее гироскопы направляются на операцию герметизации корпуса.

Герметизация корпуса гироскопа выполняется посредством присоединения крышки к корпусу. Первоначально на крышке формируется рамка из эвтектического сплава. Крышки совмещаются с корпусами с помощью специального вакуумного подсоса и пинцета для выравнивания. Давление для эвтектической пайки крышек к корпусам при герметизации осуществляется посредством зажимов, создающих усилие, затем на специальной керамической подставке (для позиционирования) корпуса с крышками помещаются в керамическую печь с резистивным нагревом.

После того, как гироскопы собраны, производится окончательный функциональный контроль для отбраковки негодных образцов.

Функциональный контроль производится посредством контрольной платы, которая подключаются к компьютеру, после чего гироскопы проходят череду определенных тестов и испытаний, на основании которых проводится регулировка параметров гироскопа, контроль работоспособности гироскопов и их отбраковка. Тестовые воздействия задаются при помощи специализированной программы. Программа автоматически проводит испытания совместной работы электронных узлов микросхемы ИССН с МЭМС ЧЭ и сигнализирует об отказах, возникающих на различных этапах регулировки, испытаний и контроля.


Результаты отбраковочных испытаний и контроля

По результатам проведенной проработки была изготовлена контрольная партия ММГ в количестве 25 шт. После функционального контроля и ряда испытаний были получены следующие результаты:

- 35% годные;

- 30% работоспособные (работают, но с существенными погрешностями и могут использоваться в соответствующих задачах);

- 35% неработоспособные.

Данные результаты соответствует оригинальному технологическому процессу, что свидетельствует об успешном его воспроизведении специалистами ЗНТЦ МИЭТ.



Выводы

Разработана технология сборки ММГ из поставляемых компонентов с характеристиками соответствующими оригинальному технологическому процессу.


Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 10-08-00153a
ЛИТЕРАТУРА
1. Пешехонов, В.Г. Микромеханический гироскоп, разрабатываемый в ЦНИИ «Электроприбор» / В.Г. Пешехонов [и др.] // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2008. – № 2. – С.29-31.

Авторы не возражают против размещения доклада в Интернете и согласны с его последующей публикацией в сборнике материалов конференции.

Тематика работы – Микромеханические датчики, системы и технологии.

Сектор 0845, тел. 78-09.



Ковалев Андрей.


Смотрите также:
Результаты изготовления и отбраковочных испытаний микромеханических гироскопов
69.94kb.
1 стр.
Использование квадратурной составляющей выходного сигнала для тестирования ммг
73.34kb.
1 стр.
Реферат по теме "Волоконно-оптические гироскопы" студентки Матвеевой Ляны Александровны
252.82kb.
1 стр.
Если у нас неверное измерение, мы будем иметь неверные результаты…
33kb.
1 стр.
Конкурсы тематика «круглых столов»
25.51kb.
1 стр.
Результаты вступительных испытаний
72.29kb.
1 стр.
Программа профессиональной переподготовки акф п/п-4
25.94kb.
1 стр.
№1. Технология изготовления изделий из текстильных и не текстильных материалов ручным способом ( по примеру). Урок №1
54.46kb.
1 стр.
Утверждены и введены в действие
496.78kb.
3 стр.
«Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»
42.01kb.
1 стр.
Единый государственный экзамен (егэ)
105.84kb.
1 стр.
Единый государственный экзамен (егэ)
31.3kb.
1 стр.