郝永平,盧繼奎,楊 芳

(沈陽(yáng)理工大學(xué)CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心,遼寧沈陽(yáng) 110168)

0 引言

壓阻式加速度計(jì)采用的主要結(jié)構(gòu)基本都是相同的[1],包括一個(gè)懸臂梁懸掛的質(zhì)量塊,而懸臂梁連接到一個(gè)固定的外框上。封裝結(jié)構(gòu)的變形會(huì)引起懸臂梁發(fā)生變形,從而影響微加速度計(jì)的性能。通常,封裝結(jié)構(gòu)需要具有4種主要功能[2-3]:1)信號(hào)的輸入輸出端向外界的過渡手段;2)電源的輸入輸出同外界的過渡手段;3)散熱;4)保護(hù)器件不受外界環(huán)境的影響。Tanner等[4]曾對(duì)封裝好的加速度計(jì)在沖擊環(huán)境下的可靠性進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)研究,Davies[5]提出了高g值加速度計(jì)封裝設(shè)計(jì)上的幾個(gè)原則,吳含琴等[6]曾對(duì)開關(guān)封裝結(jié)構(gòu)熱形變對(duì)芯片性能的影響進(jìn)行過研究,董健[7]對(duì)沖擊硅微機(jī)械加速度傳感器進(jìn)行了封裝性能分析,但只進(jìn)行了模態(tài)分析,沒有指出影響的具體數(shù)值。為此,引入有限元分析軟件Coventor Ware的Package模塊進(jìn)行定量分析。

1 Coventor Ware簡(jiǎn)介

有限元分析軟件Coventor Ware是目前分析MEMS結(jié)構(gòu)的專業(yè)軟件,包括MEMS工藝的模擬、壓阻分析、壓電分析、靜電分析、電磁分析等,其中的Package分析模塊能對(duì)MEMS器件進(jìn)行封裝分析,計(jì)算出封裝結(jié)構(gòu)變形對(duì)封裝芯片性能的影響,并給出具體的影響值數(shù)值。

在Package分析模塊中,首先分析出傳感器工作時(shí)由于工作環(huán)境發(fā)生變化,封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的情況,然后將封裝結(jié)構(gòu)變形情況,施加在傳感器芯片上,從而分析出封裝結(jié)構(gòu)變形對(duì)芯片性能的影響。

2 Package模塊的應(yīng)用

本文采用Coventor Ware有限元分析軟件進(jìn)行建模和仿真分析。該壓阻式加速度計(jì),測(cè)量垂直于加速度計(jì)方向的重力加速度,量程為10 000～50 000 g。加速度計(jì)包含一個(gè)兩端固定梁,懸于支撐架上,梁中間有一質(zhì)量塊,用于在承受加速度載荷時(shí)增加梁的變形。質(zhì)量塊長(zhǎng) 1 200μm,寬 640μm,兩端固定梁長(zhǎng)和寬分別為6 400μm和420μm,厚度為300μm。壓阻材料嵌入質(zhì)量塊與兩端固定梁連接處,建立的模型如圖1所示。本文的封裝方法采用文獻(xiàn)[7]中提供的思路進(jìn)行封裝。封裝結(jié)構(gòu)采用 TUNGSYEN-kyocera材料,這種材料相對(duì)于可伐合金有較好的散熱性、優(yōu)良的電磁屏蔽性能以及良好的力學(xué)性能。用鈦絲連接芯片的鋁布線壓點(diǎn)和管腳,使它具有良好的延展性,用環(huán)氧樹脂粘結(jié)金屬基板與芯片。

圖1 加速度計(jì)芯片結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the acceleration sensor

模擬分析思路:首先利用Coventor Ware進(jìn)行建模,然后借助Coventor Ware中Package分析模塊,分析出封裝結(jié)構(gòu)由于工作環(huán)境發(fā)生變化而產(chǎn)生的變形,最后將得到的分析結(jié)果作為分析加速度計(jì)芯片時(shí)的初始條件,以此來模擬封裝結(jié)構(gòu)變形對(duì)加速度計(jì)芯片性能的影響。分析示意圖如圖2所示。

圖2 整體封裝示意圖Fig.2 Schematic diagram package

封裝殼體的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 封裝結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)Tab.1 Package of material parameters

表2 封裝結(jié)構(gòu)的尺寸Tab.2 Package size

3 封裝結(jié)構(gòu)熱形變對(duì)芯片的影響

芯片工作發(fā)熱有多種散熱機(jī)制,其中主要的是向襯底和封裝基板(包括熱沉)的熱傳導(dǎo)。熱量向外傳導(dǎo)時(shí),由于封裝結(jié)構(gòu)中各材料的熱膨脹系數(shù)不同,當(dāng)發(fā)生變形時(shí),其形變的大小很可能是不一致的,因而產(chǎn)生熱彈性應(yīng)力。具體將表現(xiàn)為芯片表面的彈性正應(yīng)變和彎曲,對(duì)芯片上開關(guān)器件的工作性能和可靠性產(chǎn)生明顯的影響[6]。

當(dāng)加速度傳感器的工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),會(huì)引起封裝結(jié)構(gòu)的變形,從而對(duì)芯片性能產(chǎn)生影響。溫度從280～440 K變化時(shí),經(jīng)過分析封裝結(jié)構(gòu)的變形如圖3所示。

圖3 不同溫度下封裝結(jié)構(gòu)最大變形量Fig.3 At different temperatures the structure of the largest package deformation

圖3 中曲線表明,封裝結(jié)構(gòu)隨著溫度的升高變形隨之增加。

由于封裝結(jié)構(gòu)發(fā)生熱形變時(shí)會(huì)引起芯片產(chǎn)生相應(yīng)的變形,圖4示意了芯片所發(fā)生的位移變形。從圖中可以看出,芯片的最大變形量發(fā)生在質(zhì)量塊附近,即壓阻材料的放置位置,因此會(huì)對(duì)芯片的性能產(chǎn)生影響。

圖4 芯片變形圖Fig.4 Chip deformation map

電流輸出是壓阻式加速度計(jì)性能的一個(gè)重要指標(biāo),通過分析輸出電流的變化情況,就可以判別封裝機(jī)構(gòu)在溫度變化是對(duì)芯片的影響。

在加速度計(jì)在正常工作時(shí),取溫度變化范圍273～339K,計(jì)算了芯片的變形與電流的輸出,如表3所示。

表3 不同溫度下芯片的變形以及電流輸出情況Tab.3 chips at different temperatures and current output of the deformation of the situation

從表3的結(jié)果可以得出,溫度在339 K時(shí),電流輸出為8.728 9×1010p A。在封裝結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形時(shí),輸出電流為8.727 2×1010p A。電流的變化值為0.001 7×1010pA,誤差為0.019%。由此可以看出,溫度對(duì)該加速度計(jì)的性能影響很小。這是由于該加速度計(jì)的尺寸較大,溫度發(fā)生變化時(shí)對(duì)芯片的影響很小。

4 高過載沖擊對(duì)芯片性能的影響

對(duì)高g值加速度傳感器,量程為10 000～50 000 g,考慮封裝結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時(shí)對(duì)芯片的影響。當(dāng)加速度計(jì)工作時(shí),封裝結(jié)構(gòu)的底部固定在被測(cè)件上,分析封裝殼體分別受到X、Y方向沖擊時(shí)對(duì)芯片的影響。

4.1 沿X方向沖擊載荷對(duì)芯片性能的影響

將封裝結(jié)構(gòu)的底部固定,當(dāng)整體受到50 000 g的沖擊,觀察其應(yīng)力以及位移變化。圖5顯示了受到X方向沖擊時(shí)的封裝結(jié)構(gòu)變形量,最大變形為0.09 μm,最大變形發(fā)生在封裝結(jié)構(gòu)的頂部,對(duì)芯片影響不大。從圖6可以知道受到?jīng)_擊時(shí),封裝結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為77 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于封裝材料的屈服應(yīng)力,因此在高過載情況下,封裝結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。封裝結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊產(chǎn)生的變形對(duì)芯片的影響如圖7所示,可以看出芯片的最大變形僅為0.057μm,變形量很小,且最大變形發(fā)生在芯片的兩端,對(duì)壓阻部件的影響很小。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可以得出,芯片發(fā)生1.78μm的變形時(shí)對(duì)電流輸出只有0.032%的影響,故載荷沖擊芯片發(fā)生變形0.057μm時(shí),對(duì)電流輸出的影響可以忽略。

圖5 承受X方向沖擊時(shí)封裝結(jié)構(gòu)變形Fig.5 Under the direction of theimpact of X package structure deformation

圖6 承受X方向沖擊時(shí)封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖Fig.6 Under the X direction of the impact of stress distribution package structure

圖7 承受X方向沖擊時(shí)芯片變形圖Fig.7 Under the direction of theimpact of X chart the chip deformation

4.2 沿Y方向沖擊載荷對(duì)芯片性能的影響

由于芯片沿X方向放置,因此在受到Y(jié)方向的沖擊時(shí)產(chǎn)生的影響與X方向受到?jīng)_擊的情況不同。圖8所示為封裝結(jié)構(gòu)受到Y(jié)方向時(shí)的應(yīng)力分布情況,可以看出在封裝結(jié)構(gòu)的底部應(yīng)力比較集中,最大應(yīng)力為41 MPa,相對(duì)于X方向受到?jīng)_擊時(shí)應(yīng)力減小了很多,這是因?yàn)樵赮方向的受沖擊面積相對(duì)于X方向大,所以有助于減小應(yīng)力。圖9為封裝結(jié)構(gòu)受到Y(jié)方向的沖擊的變形圖,這與X方向受到?jīng)_擊時(shí)變形相似,但是最大變形只有0.012μm。圖10為芯片相應(yīng)的位移變形圖,從圖中可以得出,最大的變形量為0.066μm,與X方向受到?jīng)_擊時(shí)的結(jié)果類似,因此可以忽略。

圖8 承受Y方向沖擊時(shí)封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖Fig.8 Under the Y direction of the impact of stress distribution package structure

圖9 承受Y方向沖擊時(shí)封裝結(jié)構(gòu)變形Fig.9 Under the direction of theimpact of Y package structure deformation

圖10 承受Y方向沖擊時(shí)芯片變形圖Fig.10 Under the direction of the impact of Y chart the chip deformation

分析結(jié)果表明:在常溫下,封裝結(jié)構(gòu)變形對(duì)芯片性能的影響很小,誤差為0.019%;同時(shí)封裝結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時(shí)對(duì)芯片的影響很小,誤差最大為0.032%,在工作環(huán)境的溫度發(fā)生變化和受到?jīng)_擊時(shí),加速度計(jì)可以正常工作。得出的結(jié)論與文獻(xiàn)[7]實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致:沖擊硅微機(jī)械加速度傳感器封裝結(jié)構(gòu)在不影響傳感器測(cè)試精度的同時(shí)具有較好抗沖擊破壞能力。

5 結(jié)論

本文利用 Coventor Ware有限元分析軟件中Package模塊進(jìn)行了封裝結(jié)構(gòu)變形對(duì)壓阻式加速度計(jì)的性能影響分析。分析結(jié)果表明,溫度和沖擊作用于壓阻式傳感器封裝結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器的性能影響很小,均在萬分之一數(shù)量級(jí),與前人的試驗(yàn)結(jié)果吻合。

[1]陳雪萌,李昕欣,宋朝暉,等.一種新結(jié)構(gòu)硅微機(jī)械壓阻加速度計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2005(3):500-503.CHEN Xuemeng,LI Xinxin,SONG Zhaohui,et al.A new structure silicon piezoresistive micromachined accelerometer[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2005(3):500-503.

[2]O＇neal Chad B,Mal she Ajay P,Singh Sushila B,et al.Challenges in the packaging of MEMS[C]//1999 International Symposium on Advanced Packaging Materials.1999:41-47.

[3]Jackson K A,屠海令.半導(dǎo)體工藝[M].萬群,譯校.北京:科學(xué)出版社,1999.

[4]Tanner DM,Waleaven J A,Helgesen K,et al.MEMS reliability in shock environments[C]//Proceedings of International Reliability Physics Symposium USA:San Jose,2000.

[5]Davies B R,Barron C C,Montague S,et al.High G MEMS Integrated Accelerometer[J].SPIE Proceedings,1997,3 046:52-62.

[6]吳含琴,廖小平,董喬華.MEMS開關(guān)封裝結(jié)構(gòu)熱形變對(duì)芯片性能的影響[J].微納電子技術(shù),2006(6):293-297.WU Hanqin,LIAO Xiaoping,DONG Qiaohua.Effects of thermal displacement of MEMS switch package structure on chip performance[J].Micronanoelectronic Technology,2006(6):293-297.

[7]董健.沖擊硅微機(jī)械加速度傳感器的封裝與封裝性能分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2008(6):959-963.DONG Jian.Package of silicon micromachined shock accelerometer and package performance analysis[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2008(6):959-963.