MEMS高g加速度传感器封装贴片技术的研究.pdf

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1、第9期郭涛等MEMS高g加速度传感器封装贴片技术的研究MEMS高g加速度传感器封装贴片技术的研究郭涛“。徐雁‘。‘李平““(中北大学^仪器科学与动态测试教育部重点实验室；b电子科学与技术幕．太原03005摘要针对设计的高g加速度传感嚣，建立封装有限元模型．井利用ANSYS软件仿真分析了砧片热应力厦贴片技术对高g加速度传怠嚣性能的影响。分析蛄果表明，贴片腔的热膨胀系敷、弹性模量和厚度是影响燕应力的主要因素．同时贴片胶的弹性模量、厚度庭贴片肢的量将影响到侍意嚣的精出是戢度。关■词贴片技术封装高g加速度传感器熟应力是教度中田分类号TP212文献标识码A文章铺号1000．3932(201”09．

2、1133-04基于MEMS技术的器件一般都含有活动部件，通过封装技术为MEMS器件芯片提供保护作用，并且作为MEMS技术中一个重要的研究领域。封装是高g加速度传感器高可靠性的保证，而且封装成本几乎占整个加速度传感器成本的70％以上⋯，所以，封装对高g加速度传感器显得尤为重要。贴片技术是MEMS高g加速度传感器封装中一个非常重要的环节，是传感器封装的关键技术之一．对器件的性能和可靠性等都有直接的影响，贴片技术的可靠性是MEMS高g加速度传感器应用的重要前提之一”’。在贴片工艺中。由于封装材料热膨胀系数的不匹配、机械约束及温度梯度的分布不均匀而产生热应力是MEMS高g加速度传感器失效的主要原

3、因之一。同时，贴片胶一芯片的弹簧模型将直接影响到传感器的输出性能，甚至可能导致输出的偏差。笔者针对特殊环境的要求．设计了一种MEMS高g加速度传感器。1传感器设计设计的压阻式高g加速度传感器量程150kg，结构为梁一岛型结构，如图I所示。梁的长度、宽度和质量块的长宽一致，压敏电阻对称布置在梁的根部，将布置的4个压敏电阻连接成惠斯通电桥”·。当有加速度作用到传感器时结构梁发生变形，在压敏电阻的布置区域产生应力作用．引起压敏电阻阻值的变化，当给加速度传感器供电时阻值的变化会引起相应电压的输出。利用设计的不锈钢管壳封装研制的高g加速度传感器。封装工艺流程包括芯片的选取、贴片、引线键合及封冒等过

4、程．即将结构完好的传感器a整体结构Lb截面圈图I传感嚣结构芯片与高硼硅玻璃进行键合后。通过贴片胶粘结的方法固定到封装管壳中，然后通过引线键合技术实现与外界的电气互连，最后对传感器进行封冒。封装完成后的高g加速度传感器如图2所示。图2封装后的高g加速度传感器收■日期：20II-07·11(惨改稿)t盒硪目：傲型机械电子采统(MEMS)测试计t技术与理论研究(50535030)蠢絮(}：__铡鋈、；：：，誓醢蕊，@化工自动化及仪表第38卷2贴片热应力的分析研究贴片工艺是MEMS高g加速度传感器封装的关键技术之一，贴片技术直接影响到传感器在应用时的可靠性，同时．贴片工艺是热应力的最主要来源。因

5、此，MEMS封装中的热应力分析主要是贴片工艺中的热应力分析。在贴片工艺中，封装体要受到热力作用，由于机械约束及封装体各部件的热膨胀系数不匹配，封装体中将产生热应变和热应力。在贴片胶固化过程中封装体附加产生的应变和应力将对传感器芯片的结构产生影响，应力过太甚至会造成硅芯片的破裂”’1。因此，需要选择合适的材料以尽可能地减小热应力和热应变对传感器芯片的影响。利用ANSYS软件对这个工艺过程中封装体受到的热应力从理论上进行仿真分析，根据分析结果优化实际的封装工艺，以减小热应力对传感器的影响。2．1仿真模型由于设计的传感器封装管壳为不锈钢，因而，以不锈钢基板为侧研究传感器受到的热应力。利用ANS

6、YS软件建立传感器的仿真模型，模型采用CoupledField中的PLANE13，在仿真过程中将实际的三维加速度传感器简化为二维模型，图3所示为建立的模型。璃罄极田3贴片模型在贴片工艺中，芯片、贴片胶及基板组成了3层结构，当结构的温度变化AT时，每层材料将产生张力或压力，并有一定弯矩，使得整个结构弯曲变形。温度的改变引起了层间力和力矩的产生，硅芯片的偏移与模型每层厚度、材料属性及热膨胀系数的不匹配程度等有关。封装模型中各组成部分的材料属性见表l(假设各材料是线弹性的)。表1材料属性2．2结果分析根据实际的贴片工艺环境，贴片胶需要在80℃的环境下固化90rain．因此，在仿真中假设整个封装

7、体的初始温度为80℃，并且此时的环境温度与封装体的温度相同，在求解过程将整个封装结构从80。C冷却到室温25℃。仿真分析中主要研究贴片胶的热膨胀系数、弹性模量及厚度对芯片及封装体热应力和热应变的影响。仿真结果如图4所示。=R倒=．R型壤．R理瘴a热膨胀系数弹性模

8、／GP·b弹性模■c犀厦圈4贴片胶时芯片热应力的影响分析图4所示的仿真结果。贴片胶的材料属性将影响到芯片受到的封装热应力及应变。随着热膨胀系数的增大，芯片受到的热应力和热应