1、MEMS慣性芯片封裝的作用

? ? ? ?MEMS芯片封裝是將MEMS裸片封裝在一個(gè)殼體中，從而保護(hù)MEMS結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理單元。封裝裝配包括如劃片、裂片、粘片、裸片間互連、外圍接口互連和密封等從圓片加工完到最終密封成產(chǎn)品之間的所有步驟。

????????MEMS封裝成本很高，但對實(shí)現(xiàn)預(yù)定的性能指標(biāo)非常關(guān)鍵。但是，為實(shí)現(xiàn)傳感器的目標(biāo)性能，不可能對封裝特性進(jìn)行單獨(dú)測試。通常封裝參數(shù)對器件功能和可靠性的影響只能通過對最終器件的全面測試和量化表征來反應(yīng)。封裝與傳感器設(shè)計(jì)和測量標(biāo)定關(guān)系密切。包括涉及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工工藝和封裝專家、測試和標(biāo)定專家在內(nèi)的跨學(xué)科交叉融合。

????????慣性MEMS器件對封裝有特殊要求，最重要的是實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：

????????1）小尺寸和低成本；

????????2）能夠很好的釋放封裝應(yīng)力；

????????3）高可靠性，器件全生命周期內(nèi)性能穩(wěn)定；

????????4）低的熱梯度；

????????5）在振動(dòng)和沖擊作用下，MEMS結(jié)構(gòu)的幾何位置和指向不變或者變化足夠小。

2、封裝材料及結(jié)構(gòu)

? ? ? MEMS慣性器件常用封裝材料包括陶瓷、金屬和塑料。然而MEMS慣性器件需要密閉封裝（水汽變化對材料內(nèi)部應(yīng)力有影響），針對開放MEMS結(jié)構(gòu)，通常是用陶瓷、金屬或者它們的組合方式對齊進(jìn)行封裝，這些材料可以防止氣體擴(kuò)散。

? ? ? ? MEMS封裝可分為空腔型封裝和注塑成型封裝。金屬和陶瓷常用空腔型，在空腔型封裝中，裸片只在底面與載體機(jī)械連接。在陶瓷腔體內(nèi)使用膠黏劑將MEMS裸片和ASIC粘到陶瓷襯底上，如圖1所示。

???圖1 陶瓷封裝示例

? ? ? ? 塑料封裝常用注塑成型和空腔塑封兩種，最便宜的是注塑成型封裝，通常引入下沉式引線框（見圖2），然而這種下沉式設(shè)計(jì)將會(huì)加劇整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的不平衡，使得它很容易受溫度場變化的影響。相比陶瓷殼體或者非注塑封裝，注塑成型封裝的應(yīng)力明顯更大，也更難預(yù)測。鑄模和引線框材料、膠黏劑、封裝管殼的尺寸等材料和物理參數(shù)都會(huì)影響封裝應(yīng)力。?

圖2? SOIC模壓注塑封裝示意圖

????????空腔塑封（見圖3）通常使用熱塑液晶聚合物（LCP）注塑成型。這種材料具有非常明顯的收縮特性和各向異性，因此不適合氣密封裝。

圖3 空腔塑封

? ? ? ? 除了考慮封裝類型和結(jié)構(gòu)幾何形狀外，MEMS慣性器件的最終性能和成本還取決于封裝材料特性、材料間相互作用和制作步驟的復(fù)雜度。

3、粘片及材料間的相互作用

? ? ? ?裸片通常使用膠黏劑粘接在殼體上（粘片），?粘片是為裸片提供機(jī)械、電學(xué)以及熱力學(xué)的支撐，是外殼和MEMS裸片之間產(chǎn)生應(yīng)力耦合的最主要的區(qū)域之一。裸片和殼體之間的相互作用受組成它們的兩種材料以及這兩種材料之間的膠黏劑的熱膨脹系數(shù)（CTE）和彈性系數(shù)影響。

????????表1給出了部分封裝材料的熱膨脹和彈性模量，但只是常用材料相關(guān)的大概數(shù)值，并非精確數(shù)值。具有相同名稱但由不同廠商生產(chǎn)的材料通常特性不盡相同，甚至同一種產(chǎn)品的不同樣料的參數(shù)出入很大。另外很多對應(yīng)力評估非常有用的數(shù)據(jù)通常都找不到，例如彈性模量、黏度的溫度系數(shù)和彈性的溫度系數(shù)，需要自己完成對將要使用材料的溫度特性研究，如對封裝模具材料、塑料膠黏劑以及蓋板材料等研究。這為MEMS慣性器件設(shè)計(jì)以及基于MEMS慣性芯片開發(fā)的IMU的性能參數(shù)長期穩(wěn)定帶來了很大難度。

表格1 室溫下部分封裝材料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量

材料	CTE（10e-6/℃）	彈性模量/GPa
硅	2.5	130~190（取決于晶向）
銅	17	110~128
42#合金	4.5~5	144
Al2O3陶瓷	6.5~8.5	270~415
氧化鋁（約99%）	6.7	350
7740耐熱玻璃	3.1	68
玻璃	9~10	50~90
塑料	13~20	10~25
焊錫膠黏劑	52	24
環(huán)氧樹脂膠黏劑	25~125	2.5~4
硅凝膠	300（高于Tg）	0.001~0.05

? ? ? ? 從簡化的角度來看，裸片粘接區(qū)域可以看成是一個(gè)3層復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖4所示，溫度變化時(shí)，根據(jù)3層結(jié)構(gòu)各自的溫度系數(shù)不同，3個(gè)層面會(huì)產(chǎn)生不同的收縮或膨脹。近似的看，整個(gè)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)會(huì)隨著中性線而彎曲。這樣會(huì)引起兩種主要的不良影響，一個(gè)是溫度變化會(huì)在各層結(jié)構(gòu)之間引起應(yīng)力，在膠黏劑膜層和附著層的邊界會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部剪切應(yīng)力和剝離應(yīng)力。從而導(dǎo)致膠黏劑和附著層分離。另外MEMS裸片翹曲會(huì)導(dǎo)致MEMS結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力，那么MEMS可動(dòng)結(jié)構(gòu)到基準(zhǔn)面的距離就會(huì)發(fā)生變化，可能導(dǎo)致電容量、間隙厚度或者其他參數(shù)的改變。因此為了減小應(yīng)力，頂層和底層以及膠黏劑材料的熱膨脹系數(shù)要盡可能一致。

圖4 粘片3層模型和由應(yīng)力導(dǎo)致的彎曲?

4、其他關(guān)鍵因素

? ? ? ? 1）蠕變：粘合層如果受到一定的壓力，就會(huì)自發(fā)產(chǎn)生剪切應(yīng)變。不可回復(fù)變形或者黏塑性應(yīng)變（蠕變）可能會(huì)使得由應(yīng)力導(dǎo)致的MEMS特性發(fā)生不可預(yù)測的長時(shí)間變化；

? ? ? ?2）溫度循環(huán)和壓力：?在溫度循環(huán)時(shí)，材料形變表現(xiàn)出遲滯性；在壓力作用下，材料會(huì)長期緩慢的變形。這兩種情況成為對應(yīng)力敏感的MEMS慣性器件塑料封裝的主要負(fù)面影響因素。

? ? ? ?另外，鍵合類型、基底材料、引線框以及膠黏劑材料和幾何參數(shù)（如厚度），這些材料或者參數(shù)的選擇對封裝器件最終的性能和長期穩(wěn)定性也有著決定性影響。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的MEMS惯导—芯片封装有多重要的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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