高g值加速度传感器封装的实验研究

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1、高g值加速度传感器封装的实验研究摘要本文主要叙述了基于MEMS高g值加速度传感器的硅封装胶和封装管壳的性能表现。通过使用拉曼光谱，可以得出由于封装胶的厚度不同和封装管壳的材料不同而引起的残余应力的特性。由实验可以得出：封装胶越厚，残余应力增长越慢：由残余应力引起的压阻变化越小；与陶瓷封装相比，不锈钢封装有更高的灵敏度和更大的抗过载能力。1.概述　　作为小型武器和穿透性武器的核心器件之一，MEMS高g值加速度传感器需要工作在极端高冲击的条件下，冲击力可以达到200000g，由于工作环境的极端恶劣，封装引起的传感器失效时一个重

2、要的问题，并且必须给予高度重视。外壳的破裂，表面凹陷，链接断裂，引线断裂等都是由于封装导致的传感器失效的可能原因。据报道，在传感器制作过程中，有50%的开销用于封装工艺。所以如何发展可靠的，低成本的封装工艺对于高g值加速度传感器来说至关重要。　　不同MEMS传感器有着不同的封装技术和不同的关键因素。Zarnik称：工艺过程中引进的残余应力不利于压力传感器的性能。由FEA和DOE仿真的结果得出：厚的光刻胶和最小的硅片陷入封装胶深度以及最小的周边的封装胶共同决定了传感器的最小残余应力。Mariani研究了市场上的单轴多晶硅ME

3、MS加速度计的封装效应，他们发现封装并不总是可以增加传感器的负载能力。　　鉴于高g值加速度计工作时所处的恶劣环境，有关MEMS高g值加速度传感器封装效应对其可靠性以及性能的影响的研究已经在进行。我们可以得出结论：由于封装管壳，封装胶以及MEMS结构之间材料不同而引起的残余应力是MEMS传感器封装过程中的核心因素。Chen进行了在高g下封装加速度计的频域和时域FEA仿真分析，仿真结果指出：贴片胶的杨氏模量对于模子形状和传感器的性能有很大影响，另一个重要因素是封装的管壳。高g值加速度计主要使用两种不同的材料：第一种是陶瓷，已经

4、被广泛商业化应用于Draper加速度计中；另一种是金属（主要是不锈钢），比如ENDVCO的7270A，PCB的3991A11以及KISTLER的8742A100.10/10　　作为MEMS高g值加速度的关键技术之一，封装工艺被广泛的研究并试图提高他的可靠性和性能。但从现有的书面报告来看，很多工作着手于建模和方针，有关的实验性研究仍很缺乏。本文中，我们引入了有关传感器可靠性和性能的封装效应的实验研究。结合拉曼光谱，我们对不同封装材料和不同封装胶的传感器的残余应力进行了大量的测试。我们也测试了不同条件下传感器的性能变化情况。最

5、后，我们将封装好的高g值加速度计应用于投射实验，并且测试了不同的封装外壳。密度（kg、）杨氏模量（Gpa）泊松比热导率（w/m℃）热膨胀系数（ppm/℃）硅23301900.31003.1EPO-TEKH70E150030.30.9186不锈钢79002000.325.9616陶瓷37503070.2821.87.52.实验2.1高g加速度计的设计与制造　　基于硅的MEMS压阻高g加速度计的设计是基于悬臂梁——质量块结构（见图1（a））。这种设计可测量的加速度范围是150000g，抗过载能力是200000g。　　当传感器在

6、感应方向（Z方向）上有输入时，根据FEA仿真，见图1（b），我们可以计算出结构表面的压力分布情况。200000g在感应方向上输入，最大的应力是46.733Mpa，要远小于Si所允许的应力。　　X和Y方向上的应力分布可以。计算出来，压阻制造区域可被选择，见图1（b）。4个压阻分别制造在4个悬臂梁上，形成一个惠斯通电桥以测量Z方向上的加速度。体硅工艺用于加速度传感器的制造，详细的工艺流程见参考文献13.14.工艺过程中使用到了N型半导体双面抛光的硅片。主要工艺流程是：压阻的掺杂，10/10背面刻蚀（KOH湿法），电极连接（AL

7、溅射），ICP刻蚀（结构施放），Si-玻璃键合。传感器制造完成后的结构见图1（c）。　　2.2高g加速度计封装在封装过程中，高g加速度计的MEMS结构要与封装管壳互联，要有一个引线互联的工艺来形成MEMS结构和电信号处理电路的电互联。所有在本研究中使用的材料成分见表1.EPO-TEKH70E用于粘结MEMS结构和封装管壳的封装胶。EPO-TEKH70E有两种成分，热导体和电绝缘环氧基树脂（被用于微电子和光电子设备的芯片连接）。两种成分混合比例为1:1的EPO-TEKH70E是个本实验所采用的。而且粘结结构的烘烤时间为85C

8、，90min。引线粘结用的是球楔形引线粘结剂7700E（由WestBond生产并提供），这种粘结剂使用球楔形技术，用超声能量和WorkPiece加热生产而成。Au线使用直径为50um。2种不同的管壳材料作为封装材料被测试：陶瓷和不锈钢。制造的管壳结构如图。2.3高g值加速度计的测试和校准封装胶对于加速度