采用综合学科研究法有效封装MEMS加速仪(二)

2013-11-19 21:12:38来源: 互联网
A. 常规应力分析

常规应力分析用于确定不同封装阶段存在高应力的位置。假设芯片边缘没有缺陷。图3显示了感应单元基片在模压阶段存在高应力的位置基片与外罩晶圆以及玻璃熔块之间的接触位置承受的弯曲压力最大。因为外罩晶圆与湿法腐蚀工艺存在一个~54o的角度,因此存在几何不对称以及一个应力奇异性。这一区域的应力量级对网状形状敏感,并且会随着网状结构的加密而升高,但是应力分布是有效的。高应力位置区与观察到的断裂起始位置正好是重叠的。

图3 感应单元基片承受最大的张应力

B. 断裂力学分析

硅片的机械完整性主要取决于它所经历的工艺处理。这些工艺处理包括晶片磨薄、表面处理工艺(研磨、抛光、蚀刻)及将晶圆加工需要的尺寸。在进行这些工艺加工期间,芯片表面或边缘可能会出现缺陷。如果出现缺陷的位置正好位于应力奇异性区域,那么芯片在后续的封装过程和鉴定检测期间就容易产生可靠性问题。在断裂力学分析中,假设基片的关键位置已经存在缺陷。假设裂纹尺寸大约为芯片厚度的1/300。应变能释放率G是指促使裂纹扩展的能量,其计算方式为:

其中,为围绕裂纹尖端的任意路径;W指应变能;Ti是牵引向量;ui 是位移向量,nx 是Γ上的外向单位法向量的x部分。

从晶圆粘合、固晶、引线粘结、模压到回流都建了模型,图4显示了在进行晶圆粘合期间裂纹扩展的能量。可以看出,对于当前使用的固晶材料D,回流焊接是扩展裂纹的最主要工艺。该产品此前使用固晶胶A设计,没有出现裂纹。从图4可以看出,与使用固晶D相比,使用固晶A时的裂纹扩展的可能性非常低。然而,当封装安装在板卡上时,固晶胶A会引起共振问题。因此,要解决这个问题,在选择合适的固晶胶时,必须确保芯片不会出现裂纹且不会引起共振。

图字:relative energy available for crack propogation:裂纹扩展的相对能量;Energy for crack propogation relative to wafer bonding:晶片粘合期间裂纹扩展的相对能量;Die attach-D:固晶胶D;Wafer bonding:晶圆粘结; G-CELL Attach:感应单元粘结;wire bonding:引线粘结;Molding:模压;solder reflow:焊接回流

图4 每个封装工艺产生的裂纹扩展能量

因为固晶材料会引起芯片出现裂纹,因此需要对不同材料进行评估。最初使用的固晶A在7 kHz的频率下会引起感应单元出现共振,这会引入信号失真故障。稍后用固晶胶D代替了固晶胶A,固晶胶D的共振频率为400 kHz,不会引起信号失真。然而,固晶胶D会对已经存在裂纹的芯片产生影响。因此,需要根据共振频率和刚性寻找一种可接受的固晶材料。图5显示了失真可接受的固晶胶共振频率。

可接受的标准是速度要小于1m/s。图5显示不管固晶胶的Q值是多少,最小固晶共振频率为17 kHz。

图字:Velocity error versus die attach resonant frequency:速度误差与固晶共振频率的对比;velocity error(m/s):速度误差(m/s);frequency(kHz):频率(kHz)

图5 速度误差与固晶胶共振频率的对比

选择固晶材料

飞思卡尔MEMS加速仪采用了活动和固定板。一旦感应单元的频率达到了其限幅点,MEMS中板就会以机械方式碰撞制动装置,防止碰到感应板的顶部和底部,从而避免引起静摩擦和短路。标准处理会使MEMS器件出现位移,对顶板和底板的制动装置产生不对称的作用力,这会使高加速输入信号出现输出失真。在固晶共振频率下,信号失真会Q倍增加。

利用球跌落测试检测失真并验证器件的能力。将一个金属球掉落到一个悬挂的不锈钢板上,当金属球撞击到钢板上时将产生多种频率。如果MEMS加速仪出现了任何失真,那么综合速度不会回到0 kph。

图字:board1-balldrop 45cm,400ms,potted:板1-球跌落高度为45厘米,时间为400毫秒,灌封;velocity(kph):速度(kph);die-attach A:固晶胶A;die-attach D:固晶胶D;Time(s):时间(秒)

图 6 对不同固晶胶执行球跌落测试时的速度

在上图中,固晶胶D的测试结果是最理想的,没有出现任何失真,而固晶胶A由于失真产生了-0.2 kph的误差。根据球跌落测试,感应单元限幅点的频率大约为20 kHz。任何大于这个值的封装频率将不会引起共振问题。对使用不同固晶胶的封装进行了基于有限元的模型分析。由于在平面运动中,只有这两个移动与感应单元的X和Y轴有关,因此只给出了固有频率的第一和第二模态。表1列出了各种固晶材料的属性,并针对给定固晶胶和产生的封装共振频率进行了分析。这些材料分属两种极端类别。硬固晶胶如固晶胶D满足封装共振条件,但是会引起芯片裂纹。软固晶胶如固晶胶A不会引起芯片裂纹,但是封装不符合共振要求。

表1材料特性和各种固晶的固有频率

因此进行了一项研究,确定理想的固晶材料的属性的范围,以及对封装共振频率和芯片应力的影响。图5给出了根据固晶模量计算的感应单元的固有频率,以及感应单元基片承受的相应的最大张应力。

图字:gcel natural frequency(kHz):感应单元固有频率(kHz);1st mode:第一模态;2nd mode:第二模态;die max stress:芯片最大应力;Max tensile stress on die(Mpa):芯片承受的最大张应力(Mpa)

图5 根据固晶模量计算得出的感应单元基片的最大张应力和封装共振频率

研究发现,与修改热膨胀系数[4]相比,芯片应力对固晶模量更加敏感。从图5可以看出,模量接近10的固晶材料具有较低的芯片应力,并且满足共振频率要求。

经过一些研究后,我们发现固晶材料E满足我们的性能要求。为了确保采用新固晶胶的芯片的共振性能足够满足要求,我们对材料模量随温度的变化进行了测量。同时进行了动态力学分析(DMA)。对测试样本进行了处理,将材料放到一个扁平的预成型的腔中并进行固化处理。然后测试样本随温度的变化。图6显示了材料的模量。

图字:storage modulus (MPa):储能模量(MPa);Temp:温度

图6 固晶胶E的存储模量

用内部确定的固晶E的性能对封装进行的模态分析表明,它的固有频率大于20 kHz。此外,图4显示了固晶E的裂纹扩展能量与固晶A相似,因此不会产生芯片断裂的问题。因此,固晶胶E被用于替换固晶胶D,因为它非常柔韧,不会使芯片断裂,同时也具有足够的硬度,满足共振要求。对这种新的固晶材料进行鉴定检测和试封装后发现,整个测试样本中没有出现任何芯片断裂。

结语

本文16引线SOIC加速仪封装的完整工艺流程进行了评估解以了解造成低ppm水平芯片断裂的裂纹扩展和倾向。找出了两个危害最大的关键工序。影响最大的是焊接回流工序,其次是引线粘结工序。引起芯片断裂的主要参数是感应单元固晶胶的硬度。目前使用的固晶胶D使感应单元基片芯片非常容易出现断裂。通过反向工程确定了可以同时满足感应单元固有频率和封装可靠性需求的固晶材料。采用推荐的固晶胶E后,封装在处理通常会引入裂纹和感应单元固有频率要求的工艺时表现更加强韧。

关键字:MEMS  加速仪

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1119/article_20957.html
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