一种用于MEMS超低值封装残余应力的测量方法
发布时间：2022-01-11 20:33
微机电系统（MEMS）封装残余应力是在封装工艺过程中芯片上产生的残余应力,它对于MEMS器件的热稳定性和长期贮存稳定性有着十分重大的影响,故而对MEMS封装残余应力的高精确度测量有利于封装应力的研究。由于封装残余应力十分微小,因此无法利用目前的测量手段直接测量封装应力,本文针对这个问题提出了一种基于应力放大结构和拉曼光谱法的封装应力测量方法,可以测量出MEMS器件中封装应力的平均水平。基于理论分析建立了原始封装模型与应力放大结构之间的放大关系,并提出应力放大结构的设计原则。接着采用3D有限元（FEM）仿真对一款高精确度MEMS微加速度计的封装应力测量进行了分析,其结果与理论分析具有很高吻合度。最后,针对该微加速度计的封装应力测量,成功制作了应力放大结构的芯片样片,并进行封装,随后拉曼光谱法被用于测量样片中的最大应力,进而计算出待测微加速度计中平均封装应力大小。实验结果与仿真分析具有很好的吻合度,证明本文所提出的测量方法具有相当的可靠性。
【文章来源】：太赫兹科学与电子信息学报. 2020,18(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
指针结构受力与形变示意图
?000μm，厚度400μm。应力放大结构的芯片总体尺寸与封装模型相同，满足前提条件1)的要求；其敏感结构厚度为20μm，外框宽度为400μm，满足前提条件2)中外框刚度远大于敏感结构刚度的要求；敏感结构中支撑梁宽度为400μm，指针宽度为20μm，满足前提条件3)中支撑梁刚度远大于指针刚度的要求。指针长度为40μm，代入式(7)计算出其理论放大率为187倍。此外，原始封装模型和应力放大结构封装模型封装应力仿真所使用的封装条件相同：封装胶厚为10μm，四点布胶，材料为环氧树脂胶；封装温度变为60℃到20℃，基底为陶瓷材料。图4和图5分别为原始封装模型和应力放大结构封装模型的有限元仿真结果。通过有限元分析计算出微加速度计下极板原始封装应力平均大小约为0.31MPa，为压应力。而经过应力放大结构放大后，其指针上最大残余应力约53.3MPa，同样是压应力，集中在指针根部，代入式(8)计算得待测封装应力平均值为0.285MPa。对比封装应力直接仿真结果和使用本文测量方法的仿真结果，二者误差为8%，吻合度很高，证明本文提出的测量方法在仿真上具有可信度。3实验为了验证封装应力测量方法的可行性，本文针对前文所述的一款高精确度微加速度计进行了封装应力测量实验，目的是通过本文提出的测量方法测量其芯片下极板中的平均封装应力大校实验首先完成了对应力放大结构的测量样片的工艺设计和制作，接着进行封装和指针上最大Fig.4FEMresultofresidualstressoforiginalpackagemodel图4原始封装模型参与应力仿真结果3.17161053.11197105equivalentstress/Pa6.203106max5.08781063.97261062.85751061.74231066.271510569576minFig.5Stressdistributiononprobeo
μm，厚度400μm。应力放大结构的芯片总体尺寸与封装模型相同，满足前提条件1)的要求；其敏感结构厚度为20μm，外框宽度为400μm，满足前提条件2)中外框刚度远大于敏感结构刚度的要求；敏感结构中支撑梁宽度为400μm，指针宽度为20μm，满足前提条件3)中支撑梁刚度远大于指针刚度的要求。指针长度为40μm，代入式(7)计算出其理论放大率为187倍。此外，原始封装模型和应力放大结构封装模型封装应力仿真所使用的封装条件相同：封装胶厚为10μm，四点布胶，材料为环氧树脂胶；封装温度变为60℃到20℃，基底为陶瓷材料。图4和图5分别为原始封装模型和应力放大结构封装模型的有限元仿真结果。通过有限元分析计算出微加速度计下极板原始封装应力平均大小约为0.31MPa，为压应力。而经过应力放大结构放大后，其指针上最大残余应力约53.3MPa，同样是压应力，集中在指针根部，代入式(8)计算得待测封装应力平均值为0.285MPa。对比封装应力直接仿真结果和使用本文测量方法的仿真结果，二者误差为8%，吻合度很高，证明本文提出的测量方法在仿真上具有可信度。3实验为了验证封装应力测量方法的可行性，本文针对前文所述的一款高精确度微加速度计进行了封装应力测量实验，目的是通过本文提出的测量方法测量其芯片下极板中的平均封装应力大校实验首先完成了对应力放大结构的测量样片的工艺设计和制作，接着进行封装和指针上最大Fig.4FEMresultofresidualstressoforiginalpackagemodel图4原始封装模型参与应力仿真结果3.17161053.11197105equivalentstress/Pa6.203106max5.08781063.97261062.85751061.74231066.271510569576minFig.5Stressdistributiononprobeofstre
【参考文献】：
期刊论文
[1]粘片工艺对MEMS器件应力的影响研究[J]. 吴慧,段宝明,秦盼,谢斌,李苏苏. 新技术新工艺. 2016(06)
[2]三明治型微加速度计温度漂移封装胶关系研究[J]. 戴强,苏伟,张德,彭勃,蒋刚. 太赫兹科学与电子信息学报. 2015(01)
本文编号：3583420
【文章来源】：太赫兹科学与电子信息学报. 2020,18(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
指针结构受力与形变示意图
?000μm，厚度400μm。应力放大结构的芯片总体尺寸与封装模型相同，满足前提条件1)的要求；其敏感结构厚度为20μm，外框宽度为400μm，满足前提条件2)中外框刚度远大于敏感结构刚度的要求；敏感结构中支撑梁宽度为400μm，指针宽度为20μm，满足前提条件3)中支撑梁刚度远大于指针刚度的要求。指针长度为40μm，代入式(7)计算出其理论放大率为187倍。此外，原始封装模型和应力放大结构封装模型封装应力仿真所使用的封装条件相同：封装胶厚为10μm，四点布胶，材料为环氧树脂胶；封装温度变为60℃到20℃，基底为陶瓷材料。图4和图5分别为原始封装模型和应力放大结构封装模型的有限元仿真结果。通过有限元分析计算出微加速度计下极板原始封装应力平均大小约为0.31MPa，为压应力。而经过应力放大结构放大后，其指针上最大残余应力约53.3MPa，同样是压应力，集中在指针根部，代入式(8)计算得待测封装应力平均值为0.285MPa。对比封装应力直接仿真结果和使用本文测量方法的仿真结果，二者误差为8%，吻合度很高，证明本文提出的测量方法在仿真上具有可信度。3实验为了验证封装应力测量方法的可行性，本文针对前文所述的一款高精确度微加速度计进行了封装应力测量实验，目的是通过本文提出的测量方法测量其芯片下极板中的平均封装应力大校实验首先完成了对应力放大结构的测量样片的工艺设计和制作，接着进行封装和指针上最大Fig.4FEMresultofresidualstressoforiginalpackagemodel图4原始封装模型参与应力仿真结果3.17161053.11197105equivalentstress/Pa6.203106max5.08781063.97261062.85751061.74231066.271510569576minFig.5Stressdistributiononprobeo
μm，厚度400μm。应力放大结构的芯片总体尺寸与封装模型相同，满足前提条件1)的要求；其敏感结构厚度为20μm，外框宽度为400μm，满足前提条件2)中外框刚度远大于敏感结构刚度的要求；敏感结构中支撑梁宽度为400μm，指针宽度为20μm，满足前提条件3)中支撑梁刚度远大于指针刚度的要求。指针长度为40μm，代入式(7)计算出其理论放大率为187倍。此外，原始封装模型和应力放大结构封装模型封装应力仿真所使用的封装条件相同：封装胶厚为10μm，四点布胶，材料为环氧树脂胶；封装温度变为60℃到20℃，基底为陶瓷材料。图4和图5分别为原始封装模型和应力放大结构封装模型的有限元仿真结果。通过有限元分析计算出微加速度计下极板原始封装应力平均大小约为0.31MPa，为压应力。而经过应力放大结构放大后，其指针上最大残余应力约53.3MPa，同样是压应力，集中在指针根部，代入式(8)计算得待测封装应力平均值为0.285MPa。对比封装应力直接仿真结果和使用本文测量方法的仿真结果，二者误差为8%，吻合度很高，证明本文提出的测量方法在仿真上具有可信度。3实验为了验证封装应力测量方法的可行性，本文针对前文所述的一款高精确度微加速度计进行了封装应力测量实验，目的是通过本文提出的测量方法测量其芯片下极板中的平均封装应力大校实验首先完成了对应力放大结构的测量样片的工艺设计和制作，接着进行封装和指针上最大Fig.4FEMresultofresidualstressoforiginalpackagemodel图4原始封装模型参与应力仿真结果3.17161053.11197105equivalentstress/Pa6.203106max5.08781063.97261062.85751061.74231066.271510569576minFig.5Stressdistributiononprobeofstre
【参考文献】：
期刊论文
[1]粘片工艺对MEMS器件应力的影响研究[J]. 吴慧,段宝明,秦盼,谢斌,李苏苏. 新技术新工艺. 2016(06)
[2]三明治型微加速度计温度漂移封装胶关系研究[J]. 戴强,苏伟,张德,彭勃,蒋刚. 太赫兹科学与电子信息学报. 2015(01)
本文编号：3583420
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