采用綜合學(xué)科研究法有效封裝MEMS加速儀（二）

選擇固晶材料

飛思卡爾MEMS加速儀采用了活動(dòng)和固定板。一旦感應(yīng)單元的頻率達(dá)到了其限幅點(diǎn)，MEMS中板就會(huì)以機(jī)械方式碰撞制動(dòng)裝置，防止碰到感應(yīng)板的頂部和底部，從而避免引起靜摩擦和短路。標(biāo)準(zhǔn)處理會(huì)使MEMS器件出現(xiàn)位移，對(duì)頂板和底板的制動(dòng)裝置產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的作用力，這會(huì)使高加速輸入信號(hào)出現(xiàn)輸出失真。在固晶共振頻率下，信號(hào)失真會(huì)Q倍增加。

利用球跌落測(cè)試檢測(cè)失真并驗(yàn)證器件的能力。將一個(gè)金屬球掉落到一個(gè)懸掛的不銹鋼板上，當(dāng)金屬球撞擊到鋼板上時(shí)將產(chǎn)生多種頻率。如果MEMS加速儀出現(xiàn)了任何失真，那么綜合速度不會(huì)回到0 kph。

圖字：board1-balldrop 45cm，400ms，potted：板1-球跌落高度為45厘米，時(shí)間為400毫秒，灌封；velocity（kph）：速度（kph）；die-attach A：固晶膠A；die-attach D：固晶膠D；Time（s）：時(shí)間（秒）

圖 6 對(duì)不同固晶膠執(zhí)行球跌落測(cè)試時(shí)的速度

在上圖中，固晶膠D的測(cè)試結(jié)果是最理想的，沒(méi)有出現(xiàn)任何失真，而固晶膠A由于失真產(chǎn)生了-0.2 kph的誤差。根據(jù)球跌落測(cè)試，感應(yīng)單元限幅點(diǎn)的頻率大約為20 kHz。任何大于這個(gè)值的封裝頻率將不會(huì)引起共振問(wèn)題。對(duì)使用不同固晶膠的封裝進(jìn)行了基于有限元的模型分析。由于在平面運(yùn)動(dòng)中，只有這兩個(gè)移動(dòng)與感應(yīng)單元的X和Y軸有關(guān)，因此只給出了固有頻率的第一和第二模態(tài)。表1列出了各種固晶材料的屬性，并針對(duì)給定固晶膠和產(chǎn)生的封裝共振頻率進(jìn)行了分析。這些材料分屬兩種極端類(lèi)別。硬固晶膠如固晶膠D滿足封裝共振條件，但是會(huì)引起芯片裂紋。軟固晶膠如固晶膠A不會(huì)引起芯片裂紋，但是封裝不符合共振要求。

表1材料特性和各種固晶的固有頻率

因此進(jìn)行了一項(xiàng)研究，確定理想的固晶材料的屬性的范圍，以及對(duì)封裝共振頻率和芯片應(yīng)力的影響。圖5給出了根據(jù)固晶模量計(jì)算的感應(yīng)單元的固有頻率，以及感應(yīng)單元基片承受的相應(yīng)的最大張應(yīng)力。

圖字：gcel natural frequency（kHz）：感應(yīng)單元固有頻率（kHz）；1st mode：第一模態(tài)；2nd mode：第二模態(tài)；die max stress：芯片最大應(yīng)力；Max tensile stress on die（Mpa）：芯片承受的最大張應(yīng)力（Mpa）

圖5 根據(jù)固晶模量計(jì)算得出的感應(yīng)單元基片的最大張應(yīng)力和封裝共振頻率

研究發(fā)現(xiàn)，與修改熱膨脹系數(shù)［4］相比，芯片應(yīng)力對(duì)固晶模量更加敏感。從圖5可以看出，模量接近10的固晶材料具有較低的芯片應(yīng)力，并且滿足共振頻率要求。

經(jīng)過(guò)一些研究后，我們發(fā)現(xiàn)固晶材料E滿足我們的性能要求。為了確保采用新固晶膠的芯片的共振性能足夠滿足要求，我們對(duì)材料模量隨溫度的變化進(jìn)行了測(cè)量。同時(shí)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）。對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行了處理，將材料放到一個(gè)扁平的預(yù)成型的腔中并進(jìn)行固化處理。然后測(cè)試樣本隨溫度的變化。圖6顯示了材