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十年一剑---DMD成功的背后(2)
鲍海飞 2013-9-25
今天广泛使用的投影仪中的关键核心器件--数字微镜器件(DMD,Digital Micromirror Device）是一种尺寸在十几微米见方的铝合金薄膜，铝合金薄膜通过其下部底电极静电驱动可以偏转，对光形成反射，经过系列的光学处理技术，进而投影到屏幕上形成影像，具有高亮度、高对比度等特点。DMD技术于1987年被发明，到1996年春走向市场。DMD是一个真正的微光机电系统(MOEMS),该器件是利用CMOS工艺和微机械加工(MEMS)的方式制造出来的，有数以百万计的微小微镜阵列单元组成，一个微镜就是一个像素。CMOS工艺用来确定每一个微镜的单元地址，并有控制电极通过施加电压控制微镜偏转。
这样一个复杂系统，TI(Texas Instruments)公司是如何实现的呢？我们可以构想、设计和制造出来一个微镜、甚至两个、三个，但是我们能否完成一百万个可控的、无缺陷的阵列微镜的制造呢？这世间，没有无缘无故的成功。正是，每个独特产品的成功背后都有一段耐人寻味的故事，TI公司除了有强大的技术支撑、财力支撑、人力支撑、和领导的运筹帷幄之外，他们还有许多值得我们借鉴的东西和学习的经验。DMD的成功，是MEMS所有产品中最成功的经典案例。下面是该公司一篇研究报告中所阐述的一些有益之处，将其整理一下，或许对我们有较大的启发和启示。
1，如果你不知道去哪里，你就不会喜欢你所到达之地。
(If you don’t know where you’re going, you may not like where you end up.)
自从1987年TI公司发明了DMD之后，他们期望DMD能够提供高品质的图像，因为是对输入光进行数字操作,但是不知道DMD能够保持这种图像质量会有多久，在失效前会工作多长时间。第一个商业化制备的DMD包含了840个微镜，是一种线阵列式的用于低分辨的打印机中的微镜。当时已经设想了其应用前景，包括高清电视、通讯以及电影投影等。为了打入每一个市场，可靠性是第一个要解决的问题。早期的一些应用要求是在高温下能够工作5000小时就可以。而当时的DMD在65度下只能工作100小时后就失效了。因此，他们设定目标是5000小时。作为一个组织，他们决定：如果没有达到这一最小目标，商品绝不上市销售。因此，所有的研究人员都在努力工作来取得这个结果。
除了这个最小的目标之外，产品研发队伍都明白该技术的未来市场，比如家庭影院、用户电视、商业投影仪、通讯中等领域，而这些应用都对设备和器件的可靠性和寿命有较高的要求。因此，他们设定的第二个目标就是：为了确保设备能够在这些电器中应用，其寿命必须要达到50000到100000小时。如果能够取得这两个目标，就不仅能够满足市场，而且它能够在竞争的市场中提供独特的卖点。TI希望通过这项技术在业界中获得具有高可靠性技术的声誉。因此，TI公司定下了雄心勃勃的目标，而且是能够取得的目标（Setting aggressive, attainable goals）。
这正是，产品是企业的核心和灵魂，而可靠性则是信任和信誉。只有目标确定了，人们才有了方向。
2，在问题出现之前，需要发现问题。
You need to find problems before they become problems.
有关DMD是如何工作的原理有很多，但是产品如何研发及实际经验却是非常有限。比如20几年前（在1996年时，指的是1977年），TI就从事光的空间调制技术研究，1977年开始的是一种叫做形变式微镜器件deformable mirror device,也缩写为DMD;然后演化到1987年的双稳态数字式微镜器件digital mirror device。研究初期，有的DMD工作的很好，而有的却很差，甚至不工作。其中工艺过程和设计余量将影响器件的性能和可靠性。因此，需要了解相应的问题对产品的影响。但应该从哪里开始起步呢？TI公司选择从失效模式和影响分析入手(FMEA, Failure Modes and Effects Analysis)。TI组织来自不同领域的专家在一起，开始头脑风暴,进行挖掘分析潜在的系统与器件工作的失效模式，考虑工艺技术、设计约束、设备限制、封装问题、测试难题，以及其它潜在的失效模式。一旦确定了一种失效模式，就记录在案，当在具体失效发生时，便可针对其问题进行加速失效分析，以及采用什么实验或分析来用于验证。成功的FMEA策略是从详细的分析设计和工艺过程开始，从而降低失效，加快产品上市的时间。
正所谓是，TI做足了功课，工欲善其事必先利其器，又未雨绸缪，而非临阵磨枪，急时抱佛脚。
3，最糟糕的实验是你从中没有学到任何东西。
The only bad test is a test where you don’t learn anything.
对于一个器件，在大部分的时候，我们通常知道它是如何工作，但却不知道它是如何失效的。因此，TI实行了试验-失效方法(test-to failure approach)。也就是说，事先假定某些潜在的问题，然后通过应力实验来进行检测和发现DMD的工作极限。
测试方法可以对超出产品的设计指标而进行更大的‘应力’载荷实验，如各种应力类型如温度、电压、力学、化学以及光学等实验。具体拿一个例子来说，若设计的器件工作温度是在50度的环境下，那么可以在比50度更高的温度下进行应力实验来考核。对于DMD来说，研究人员把所有的这些将会影响器件性能的应力场都用来对器件进行测试了，以便确认潜在的失效。同时，由另外一个小组来决定所进行的应力实验是否超过了所需要的应力，或者由此确认是否需要对设计和工艺流程做出改进等。所有这些的最终目标是为了提高DMD的可靠性，以及为以后设计和研发提供较大的研发空间和柔性。
1992年是DMD的一个挑战年，因为DMD要面临大量的测试表征来验证，但其测试设备和能力却受到限制。因为没有现成的设备可以用来进行测试。于是，TI公司没有去等待某个厂家来提供设备，或者去购买、定制什么设备，而是自行研发测试设备用来表征。针对DMD器件来说，属于非标准的器件，许多功能和测试需要自己来完成。TI便自主研发了用于观察和测试微镜粘附的设备，如Bias/adhesion mirror mapping sweep,该设备可以固定保持其它参数设置，而只变化一个参数；以及用于多参数表征技术的Solution Space设备，同时还研发了其它光学测试系统和设备等。在研发设备过程中，还为开发下一代测试设备奠定了基础。这些设备为产品的可靠性和失效分析打下了基础。
因此，我们看到，一个真正的公司在从头到尾研发其产品的过程中所表现出的强大组织协调力量。
4，产品的可靠性不是测出来的，而是设计出来的。
You can’t test reliability into a product; it must be designed in.
利用研发的设备，能够快速对器件的可靠性进行测试和评估。比如，对支撑微镜的铰链进行测试，即在静电驱动下像跷跷板一样使微镜上下偏转，实验中是在高温下进行，并且偏转速度要比正常使用时快很多，目的就是用来验证在苛刻的条件下铰链是否发生磨损或折断。有一组器件从1995年一直测试到2003年，器件超过1012次偏转而没有发生铰链失效现象。有九个DMD器件，每个包含500 000个微镜，完成了超过56500工作小时而没有失效。总体估计铰链寿命在120 000个小时；而一般商用投影仪每年工作时间不超过5000小时，这表示铰链寿命超过24年。限制铰链寿命的唯一因素是铰链的记忆效应(hinge memory)，即铰链会发生类似金属的蠕变行为，该现象发生在高温和长时间的周期偏转下，并与表面效应有关。该现象可以预言，并且通过设计规则和工艺过程控制得到掌控。
此外，进行了微镜在倾斜‘着陆’与衬底接触过程中粘附的研究；进行了系列环境试验考核，如，在1500g(1g=9.8m/s2)的情况下完成了机械冲击实验,在20g的情况下完成了振动实验，在10000g下完成了加速度冲击实验等，以及温度循环、存储环境，热冲击、抗静电、紫外光辐照。比如：有关温度的热实验，可以考察封装及其应力等特性。
这些实验表明，好的器件不是测试出来的，而是设计出来的。
5，每一次失败都是学习的机会。
Every failure is an opportunity to learn.
任何失效都是不可接受的。因此，对失效的研究就要确定器件失效根本原因是什么，对失效器件进行解剖分析是获取器件薄弱环节的重要步骤，从而反馈给设计者以及制造者重要信息，如何去改进和提高器件性能，因此，失效分析是提高产品质量的重要途径，也是最有价值的途径。针对DMD器件来说，它即是光学性质的器件，又是微小的可动的电控机械器件，并且是大面积阵列式器件，确定其失效模式是提高产品质量的重要环节，更是设及到企业生存的至关重要的问题。对DMD器件来说，最重要的失效，即不是铰链能够扭转多少次的寿命问题，也不是微镜的粘附问题，而是微小颗粒残留问题。后来，通过工艺改进，减少颗粒污染，从而从本质上提高了DMD的可靠性。
在众多指标中，关键指标和性能是决定一个产品是否最终能够胜出的主要原因。TI公司购买其它公司类似的产品，进行对比试验研究，结果发现，在同液晶等同类产品比较中，在相同的测试时间内，液晶等产品具有明显的图像质量退化现象，而DMD中则没有。即在所允许的寿命工作时间内，依然保持高质量的画面。
谁能不失败，谁又能避免失败。越败越战，还是越战越败？比邻而居，能够让一个公司能够向更高的目标前进。
6，身经百战的经验绝非书本中来。
Lessons experienced are not necessarily the same as lessons leared.
TI研究的数字微镜不是一个简单的器件，而是一个涉及到微机、电、光、甚至包括化学的系统。TI公司对这项新技术、动员了多学科的科技人员，进行了大量细致的研究工作，解决了很多问题，已开发出了几代产品。正如他们自己所说：在实验室环境下几乎无法进行这样的研究工作和生产，产品的提升需要一个产品的环境。(This is virtually impossible in a laboratory environment,as production improvements require a production enviroment.)
产品的研制需要快速的学习周期,即一旦发现问题，就要着手分析和解决。因此，TI公司的研发团队和制造团队一起投入这个快速研发、测试表征的学习周期中。没有这个快速学习的周期，就难于走向成功、避免问题。TI着手建立重要的课程学习，包括从已经构建起的实验中获得学习的内容，以及从产品研发过程中不可预见的问题进行学习。
产品是企业的核心和灵魂，而可靠性则是信任和信誉。坚强的意志和信念是走向成功的前提，一套行之有效的管理和工作模式是走向成功的必然之路。经历了十年的摸爬滚打和辛酸苦辣，TI终于拿出了自己可靠的微机电产品。我们是否能够十年磨一剑，甚至二十年磨一剑？
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