Репортаж с 3-го международного МЭМС-ФОРУМА

Фото: ЭЛИНФОРМ

3 и 4 октября 2012 года в Москве в актовом зале Московского энергетического института прошел 3-й международный МЭМС-ФОРУМ, посвященный проблемам проектирования и производства микроэлектромеханических систем.

Форум был организован Русской Ассоциацией МЭМС при поддержке Московского энергетического института (МЭИ), ООО «Совтест АТЕ» и немецкой ассоциации предприятий электронной и микросистемной индустрии Silicon Saxony e. V.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – одно из наиболее перспективных направлений в современной электронике. Технология МЭМС позволяет методами, близкими к технологии производства микросхем, получать в интегральном процессе системы с электрическими, электронными, механическими, оптическими и электрохимическими свойствами с размерами, сравнимыми с обычными интегральными схемами. МЭМС-устройства находят широчайшее применение в потребительской и специальной электронике, системах безопасности автомобилей, навигации, медицине, средствах мониторинга и неразрушающего контроля и многих других областях.

К сожалению, российская промышленность в этой области в настоящее время отстает от зарубежной, что связано не только и не столько с недостатком инженерных знаний и опыта – в России ведутся активные работы в отдельных направлениях, связанных с МЭМС, что было продемонстрировано в рамках форума, – сколько с тем фактом, что цепочка разработки и производства МЭМС требует развитой инфраструктуры, начиная от специализированных средств разработки и заканчивая производственными возможностями, позволяющими выполнять специфические для этой технологии операции, такие как глубокое травление в кремнии.

Русская Ассоциация МЭМС ставит своей задачей содействие построению такой инфраструктуры на основе как имеющихся заделов в российской промышленности, так и зарубежного опыта и технических возможностей.

Форум, пленарная часть которого включала доклады российских и зарубежных специалистов, ярко продемонстрировал современную ситуацию, как стартовую точку для этой деятельности. Кроме того, на форуме был представлен проект концепции развития производства современных МЭМС-изделий в России.

Первый день форума начался с торжественного открытия мероприятия. Со вступительным словом к участникам форума обратились Денис Маратович Урманов, исполнительный директор Русской Ассоциации МЭМС, и Никита Васильевич Скибицкий, проректор по научной работе Московского энергетического института, которые сразу же задали основные акценты мероприятия: актуальность и перспективность задачи разработки МЭМС в российских условиях, потребность кооперации с зарубежными партнерами и необходимость рассмотрения всех этапов разработки и производства МЭМС, каждый из которых является неотъемлемой частью общего процесса.

В рамках обозначенных приоритетов очень гармоничным оказался первый доклад, посвященный платформе автоматизированного проектирования МЭМС-устройств. Докладчик – представитель американской компании-производителя данной системы – обратил внимание на несколько особенностей САПР МЭМС, которые отличают их от средств разработки других электронных изделий. Среди таких особенностей была отмечена необходимость специализированной библиотеки элементов, представляющих собой одновременно электрические, механические и геометрические модели типовых компонентов МЭМС. Помимо этого была отмечена особая важность средств моделирования и инженерных расчетов, поскольку МЭМС – изделия достаточно сложные, и возможность предотвратить ошибку с помощью моделирования до этапов прототипирования и, тем более, серийного производства является ключевым моментом в достижении экономической целесообразности и конкурентоспособности разработчика МЭМС.

Докладчиком были продемонстрированы примеры расчетов характеристик МЭМС методом конечных элементов с помощью автоматизированной системы проектирования, которые показывали высокий уровень соответствия с результатами, полученными впоследствии экспериментальным путем.

Еще один инструмент системы – симулятор производственного процесса – позволяет просмотреть процесс получения МЭМС-устройства в анимированном виде. Отвечая на один из вопросов аудитории, докладчик заметил, что на самом деле эта анимация строится «с конца», т. е. исходными данными для нее является не физические основы, а конечные характеристики технологического процесса, известные из опыта, поскольку моделирование физики процесса – слишком сложная задача. Однако этот подход может оказаться очень полезным для оценки возможностей процесса. В частности, был приведен пример, когда с помощью данного модуля удалось определить невытравливаемые участки до изготовления образцов.

После перерыва знакомство с процессом автоматизированного проектирования МЭМС продолжилось, но теперь был сделал акцент на конкретных примерах. В частности, были продемонстрированы варианты конструкций и примеры этапов проектирования ВЧ-переключателей, датчиков давления и других устройств. Рассказ сопровождался примерами использования типовых решений и библиотечных элементов, автоматизированных инженерных расчетов и моделирования и экспериментальных данных.

Следующий доклад был представлен зам. зав. кафедрой Лазерных, измерительных и навигационных систем ЛЭТИ, С.-Петербург. Этот доклад в большой степени отразил нынешнее положение технологии МЭМС с точки зрения российской промышленности, поскольку был представлен стороной, применяющей готовые решения. Докладчик рассказал о проблемах, с которыми сталкиваются разработчики изделий на базе МЭМС-компонентов, в частности, МЭМС-акселерометров. При проектировании трехосного инерциального датчика, построенного на базе трех МЭМС-компонентов, физически располагавшихся в трех различных взаимно-ортогональных плоскостях, разработчики столкнулись с проблемой разброса параметров данных компонентов, в частности, отклонения оси датчика от плоскости монтажа корпуса компонента. Избавиться от этой проблемы удалось только с помощью тщательного входного контроля. Кроме того, были замечены различные особенности частотных характеристик компонентов, в т. ч. из одной партии. В качестве вывода докладчик указал на важность грамотного планирования входного контроля и выбора поставщика, а также на необходимость уделения внимания балансу точности между компонентами и конечным изделием. Так, в приведенном примере высокая точность изготовления плоскостей для монтажа МЭМС-датчиков оказалась бессмысленной из-за погрешностей самих компонентов.

Следующие три доклада представителей МЭИ были посвящены результатам теоретических исследований. Инженер кафедры теоретической механики МЭИ представил работу на тему «Динамика микромеханических устройств с электростатическим накатом», в которой решалась динамическая задача, специфичная для элементов микромеханических систем.

После перерыва на обед было представлено решение задачи моделирования движения упругого мини-робота в трубе, которое может быть использовано в задачах диагностики и обслуживания трубопроводов с помощью движущихся микромеханических устройств.

Зав. каф. Теоретической механики и мехатроники МЭИ рассказал в своем докладе о разработке новой математической модели, программного обеспечения и методики стендовых испытаний микромеханического гироскопа с монокристаллическим резонатором.

Затем на трибуну вновь поднялся представитель американской компании-производителя автоматизированных программ проектирования МЭМС, рассказавший об оптимизации систем МЭМС-акселерометров и резонаторов. Этот доклад также во многом был основан на процессах моделирования и автоматизации проектирования и инженерных расчетов и содержал вопросы обеспечения обмена данными и моделями для совместного применения специализированных САПР и распространенных систем для широкого круга задач моделирования.

После перерыва тема моделирования была продолжена. Следующий докладчик рассказал о системе, широко применяемой для симуляции работы электронных схем, при наличии соответствующих моделей позволяющей интегрировать в разрабатываемые схемы МЭМС-устройства, что является вторым уровнем автоматизации проектирования при применении технологии МЭМС по отношению к разработке самого компонента.

В последний доклад первого дня форума также рассматривались вопросы моделирования с позиций пользователя разработанного элемента МЭМС. Однако данный доклад касался интеграции МЭМС в ИС, т. е. сопряжения электромеханической и электронной части на кристалле. Этот аспект крайне важен, поскольку подходы к проектированию ИС и МЭМС имеют определенные различия и обычно выполняются разными специалистами. Поэтому ПО САПР должно позволять сопрягать такие разработки. Этот процесс был показан на примере одного из модулей предлагаемой системы и САПР Cadence Virtuoso.

Первый день форума в основном был посвящен разработке, а также теоретическим основам МЭМС. Представленные доклады достаточно четко показали, что российские ученые и инженеры в основном заняты вопросами либо фундаментального характера, нацеленными на будущее применение, либо непосредственного применения МЭМС, как готовых изделий, и связанных с этим испытаний. Представители зарубежных компаний, наоборот, посвятили свои доклады практике разработки МЭМС, причем с сильным акцентом на автоматизацию инженерных расчетов и применение программных средств на основе трехмерных моделей, визуализации, численных методов, таких как метод конечных элементов, и других приближенных и эмпирических подходов.

Второй день форума был посвящен примерам реальных разработок, а также технологии изготовления МЭМС.

Начался день с доклада, посвященного опыту разработки и изготовления МЭМС, интегрированной в систему с проектными нормами 350 нм, предназначенную для управления и мониторинга фильтра.

Во втором докладе представитель ассоциации по микроэлектронике Silicon Saxony из Германии затронул вопрос возможного сотрудничества России и Германии в области МЭМС и микроэлектроники.

Далее – было представлено оборудование для различных этапов производства МЭМС. Также технологии МЭМС были посвящены и следующие доклады.

Общий тон докладов, касавшихся сотрудничества и построения предприятий по производству МЭМС в России, указывал на высокий научный потенциал российских специалистов, однако и на существенное технологическое отставание. Один из докладчиков оценил отставание российской микроэлектронной отрасли в 20 лет. Вывод: технологии нужно приносить в Россию.

Что касается МЭМС-технологии, как уже упоминалось, в этом процессе применяются как операции, характерные для производства ИС, так и специфические операции. Как отметил один из участников форума, в МЭМС, в отличие от ИС, нет типовых элементов и процессов: конструктивные решения могут сильно отличаться, а для их реализации могут применяться различные технологические приемы, в то время как современные ИС – изделие с ярко выраженной «модульностью» и иерархией проекта.

Несколько нарушая хронологию событий, упомянем здесь еще три доклада, которые были сделаны позже, но по своей теме были близки данным технологическим докладам.

Генеральный директор ООО «Совтест Микро» рассказал о разработках компании в области оборудования для тестирования электронных компонентов, в т. ч. МЭМС. Современное отечественное оборудование производства компании включает в себя анализаторы производственных дефектов, средства для аналогового и цифрового внутрисхемного тестирования, локализаторы неисправностей, средства функционального тестирования и др. Для тестирования компонентов компания предлагает адаптеры собственного производства для сопряжения с тестовым оборудованием.

Еще одним докладом, вызвавшим большой интерес, явился доклад представителя технического университета города Хемнитц, Германия, в котором докладчик рассказал о методе тестирования МЭМС, заключающемся в определении точных геометрических размеров элементов МЭМС по частотному отклику на механические воздействия.

Ближе к концу второго дня был представлен доклад, касающийся одной из операций, применяемой в производстве как микросхем, так и печатных плат, но приобретающей особую важность при изготовлении МЭМС. Речь идет о плазменной очистке. В ходе выступления было рассказано об особенностях, преимуществах и оборудовании плазменной очистки при низком давлении, применяемой при травлении микроструктур.

Сразу после обеда прозвучал доклад, посвященный разработке и определению характеристик высокоточных систем с вибрационным МЭМС-гироскопом.

Следующий доклад был посвящен вопросам построения цепочек поставок при взаимодействии российских потребителей и зарубежных поставщиков.

Еще два доклада в рамках программы второго дня были посвящены корпусированию МЭМС-устройств, в ходе которых было рассказано о проблемах корпусирования сложных систем, а также методе корпусирования МЭМС на уровне пластины.
Образцы МЭМС-устройств, а также пластины, демонстрирующие методы корпусирования, можно было увидеть на стендах в фойе форума.

Таким образом, второй день форума позволил познакомиться с особенностями техпроцесса МЭМС и выявить определенные тенденции в развитии этой технологии. Доклады организационного характера еще раз указали на необходимость сотрудничества в области разработки МЭМС, а также необходимости внедрения этих технологии на российских предприятиях с помощью зарубежных коллег как единственного способа преодоления возникшего отставания.

В заключение второго дня форума Денис Урманов вынес на обсуждение проект концепции развития разработки и производства МЭМС в России. Этот документ основан на представлении основного рынка для российских компаний, как нишевого, и определяет основную цель в поэтапном достижении инженерных и технологических возможностей локальной разработки и производства передовых МЭМС-устройств полного цикла.

С данной концепцией можно ознакомиться по ссылке.

Следует отметить, что форум собрал достаточно большое количество участников, которые представляли различные компании и организации отрасли производства электроники. Однако наиболее активными были представители государственных предприятий, которые, как выяснилось, очень заинтересованы в применении МЭМС. Об этом, в частности, свидетельствуют многочисленные вопросы аудитории докладчикам, в подавляющем большинстве носившие специальный характер и касавшиеся конкретных инженерных проблем.

Ноябрь 2012 г.

При перепечатке и цитировании ссылка на ЭЛИНФОРМ (www.elinform.ru) обязательна