1、机电一体化在汽车上的应用F.Ansorge,K-F.Becker,B.Michel,R.Leutenbauer,V.GroBer,H.Reichl摘要： 机械微电子和集成系统是很有潜力的领域，基于相似系统组件的原则和对至少一种材料元素或者源于系统压缩水平的原理，它能提供廉价的系统解决方案。与现存的解决方案相比，这些系统方案表现得更智能和可靠。随着器件越来越智能，用于连接电机、传感器或者执行器必需的连接线路的数量减少了。本文展现给你的是与发明于Fraunhofer IZM的机电系统相匹配的系统解决方案和加工技术。为减少封装体积，先进的封装技术诸如轻型芯片和CSP技术将被采用，为了增强可靠性和增加
2、机械密封性，加工工艺诸如传递模塑工艺，传递模塑工艺与注塑模成型工艺的组合工艺或者基于LTCC模块化的封装工艺将被采用。第一个是应用于自动化诸如窗户升降或者遮阳屏风为电机控制而设计的多芯片模块。应用了虚拟观念譬如引线框架和集成开关，这种模块至消除了三个相互连接层。这种封装能抵抗在自动化应用中的恶劣环境。另一种被称为TB-BGA或者相对堆叠的机电封装工艺是一种3D解决方案，其中用到了在数据传输和控制方面必需的全套电子器件和压力传感器。这种封装涉及到关于弯曲的CSP技术。随着由于CSP-CSP封装技术的应用而单位体积功能的增强，这种封装技术消除了潜在层和减小了来自传感器发送装置未放大信号的大信号距离
3、。这种机电封装将会在本文中详细讨论。特别地，我们将从价格、可靠性并根据“可靠性设计”展示微机电系统在自动化和工业领域应用中的巨大潜力。1 机电系统开发的基本条件机电系统的开发对未来电子的发展至关重要。更加复杂的应用要求对过去增加的数据进行处理。相应的在灵活性和功能性方面的增强对微机电的发展是唯一可行的办法。 在相关领域个人之间的相互协作也是一个必不可少的条件。为了恰当地实现机械传热，电子机械仿真以及设计必须协调。这种封装适用于在机械零部件中与电子一起工作并被作为子系统的宏观系统部分中的最佳位置。这种封装与产生所有需要的和功能的软件图片部分同等重要，特别是在计划和开发阶段。这是缩短开发周期很理想
4、的方法，而且还可以同时优化最终系统。1.1 汽车上的目标温度范围另一个重要的要求是机电组件可靠性增强问题。比如在汽车发动机中的电子元器件必须在达到200和极限温度循环中能继续正常工作。应用于这些位置的组件必须有较高的性价比，与此同时，它还应该能胜任在汽车整个技术生命周期中的任务。它们应该被组装得重量轻并且紧凑。所有这些都可以在实现，只要把子模作为智能子系统的零部件并且互连，这种互连水平已经被减到了一个极限小的程度。所用的材料和采用的处理方案必须认真加以协调以满足特别是获得最高可能的标准和可靠性的要求。也就是说，除了要保证单个元器件的质量外，用于将各个元器件组合并封装的方法也很重要，因为它直接影
5、响并决定集成件的功能和质量。1.2 新型聚合物材料在关注微机电应用的同时，还有一些广泛应用于封装新增的要求需要回应。这种回应方案应该能抵抗大温度范围与恶劣环境而运动和感应元器件的集成仍然不失去封装性能的要求。图1 对上图中部分英文的注解：Injection Molding：注塑模成型工艺 Hot melt：热熔化工艺 Tranfermolding：传递模成型工艺 combination of technologies：组合成型工艺 应用于微机电系统的典型材料是环氧树脂，它的化学基是一种基于酚醛树脂的多性能的环氧低聚物。这些材料都有超过200的软化温度，因而它们有短期在高温下工作的潜力。对系统方
6、案优化的长期稳定性的评估是微机电中心一直都关注的话题。微机电系统长久的潜力都决定于先进热塑性材料的应用。过去这些热塑性材料在电子封装方面比直接应用于微机电更广泛。在直接系统运作中这些材料的热塑性正好符合一些条件。为了保留多功能封装两种加工工艺都必须被组合于两个或多个元件的封装组合，如图1所示。 微机电系统中热塑性热熔材料的应用降低了加工温度，而且这些材料性价比也较高。Fraunhofer IZT的研究就是关于微机电系统直接用热塑性材料、热塑性电路板、MID设备如轻型芯片和SMD组件热塑性新型材料的。对机电系统微型化很重要的其他一些领域的研究就是晶圆水平的封装。1.3 处理方案的选择为了选择好材
7、料和处理方案，很多想法都是有价值的。标准操作过程中的处理，一种在特定条件下设计以减少影响因素又相互联系的相似过程和技术。与此同时，为机电产品的某些工艺和材料的适用性做出一个普遍行之有效的提案是非常困难的。只有同时涉及到单个产品和它们在系统中明确相符的特性的建议才是有价值的。图22 机械电子（机电一体化）的应用2.1 机电一体化中的模块化机构系统在一个由BMBF赞助的工程项目的研发过程中，专注于可靠性和微集成技术的Fraunhofer机构为子系统发明了一种模块化机构系统。它是一个包含了传感器元件、单片处理器、执行器和总线技术的空间立体可堆叠单片组件。考虑到在系统中要用到它们的功能，这些组件被封装
8、在一起。他们生产了标准化元件，这些元件可以通过软焊锡焊的方式进行组装，因而也导致了不同连接工艺数量的减少。 基于弯曲成型工艺，堆叠成型的方案提供了通过直接接触穿通或者邦线或者轻型芯片技术和SMD元件集成技术插入单个集成电路。多芯片模块可以用不同的接触工艺制作。 这个封装的成型增加了从简单产品到如图3所示与模块机构系统相协调的多功能产品的封装形式范围。到执行器的连接可通过对器件的直接集成来完成。图3 同样是这种技术，它还可以用来设计芯片尺寸封装（CSPS）。传感器之间必要的连接可以通过使用空腔封装（CavityPack）（如图2所示）。来实现。 这种系统已经成功应用于工程领域。由于采用了上面所说
9、的新型封装技术堆叠成型工艺获得了非常高的稳定性，特别是在高温应用领域中。如此一来，我们就可以通过采用标准模块相应减少开发和质检成本，所以它使得高薪技术在特定领域的应用变得经济可行。2.2 为汽车设计的机电一体化方案在一个由BMW AG和Fraunhofer-IZM共同赞助的工程项目的研发过称中，一个包含了逻辑控制、总线连接和传感器设备的H桥电路已经被发明出来，如图3所示。功率集成电路的应用要求采用针对封装相应的散热方案。互连水平数量的减少是我们的一个目的。功率半导体有更多的优势：与继电器相比，它们用潜在的更少空间并且非常适合于软件控制。与传统方案相比，一旦42V电路板网络被安装，这将成为一个特
10、别与众不同的优势。 由于采用了构成直插的铜引线框架的散热层和安置在封装底层右边的发动机，热量处理功能被完美地实现了。电机块有活跃的冷却系效果。这种集成的散热方案提供了优化的空间立体电子取代传统牵引驱动系统。高度的集成导致了立体空间50%的减少。3 总结和展望机械电子（机电一体化）将来的应用领域将包括机器人和工业工程等。机器和产品的结构将发生很大的变化。被编程能自主学习的智能机器人将可以通过无线方式相互交流，而且还能自动发明针对复杂问题的解决方案。它们将可以用于太空探索。更多极限功能诸如到我们无法进去的机器进行维修工作或者作为医院的服务工作人员工作等将被发挥出来。随着微机电技术最大潜力的发挥，医
11、疗技术将被视为一种市场产品。这种技术在微细扩散性手术方面应用的增加已经为医疗事业做出了很大的贡献。参考文献：1. Ansorge F;Becker K-F(1998)Micro-Mechatronics-Applications,presentation at Microelectronics Worksshop at Institute of Industrial Science,University of Tokoy,Oct.1998,Tokoy,Japan2. Ansorge F;Becker K-F;Azdasht G;Ehrlich R;Aschenbrenner R;Reich1 H(1997)Recent Progress in Encapsulation Technology and Reliability Investigation of Mechatronic,CSP and BGA packages using Flip Chip Intercommection Technology,Proc.APCON 97,sunnyvale,Ca,USA4
