El núcleo de la reducción del estrés del embalaje en los dispositivos MEMS es gestionar el desajuste termomecánico. Al innovar en tres dimensiones (materiales, procesos y estructuras), puede lograr el mejor equilibrio entre rendimiento, confiabilidad y costo, garantizando que los sensores de bajo consumo permanezcan estables en la producción en masa y a lo largo del tiempo.
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1. Antecedentes del problema: por qué la tensión del embalaje determina el dispositivo
Los sensores de superficie y de presión negativa son especialmente sensibles
El embalaje es un factor importante en la comercialización de MEMS: puede representar la mayor parte del coste del producto y muchos problemas de fiabilidad se remontan al embalaje. La tensión térmica residual introducida durante el embalaje provoca deformación del chip, desviación de compensación y cambios de frecuencia, problemas que afectan con fuerza a los elementos piezoresistivos y resonantes. Para los sensores de presión superficial y presión negativa, pequeñas deformaciones mecánicas cambian la calibración y afectan la precisión de las mediciones y las estrategias de administración de energía. Los sensores de presión superficial impermeables deben equilibrar el sellado y el control de tensión. Por lo tanto, considere el estrés del embalaje desde la definición del producto en adelante y compárelo con la temperatura de funcionamiento del dispositivo y los requisitos de estabilidad a largo plazo.
2. Mecanismo de generación de estrés (modelo teórico y parámetros clave)
El modelo de tres capas ofrece una visión cuantitativa: ΔT, Δα y rigidez del material.
Puede cuantificar la tensión del embalaje con un modelo de tres capas de chip, pegamento y sustrato. Los principales factores son la diferencia entre la temperatura de curado y la temperatura de funcionamiento (ΔT), y la falta de coincidencia en los coeficientes de expansión térmica (Δα) entre el chip y el sustrato. El módulo de Young y el espesor de cada capa también determinan el nivel de tensión. Cuando el adhesivo cura y el conjunto se enfría, el desajuste térmico induce la flexión en la delgada matriz de silicio, lo que produce tensiones de corte y despegado; estos, a su vez, se relacionan con el área de bonos y las restricciones. La ejecución de cálculos sobre estos parámetros le permite estimar la deriva de compensación y el riesgo de fractura de la interfaz, lo que reduce el proceso de prueba y error durante el desarrollo.
3. Rutas de optimización de materiales
Elija adhesivos y sustratos de bajo módulo y bajo curado que coincidan con el CTE del silicio, pero tenga en cuenta las necesidades térmicas y eléctricas.
La elección de materiales tiene como objetivo reducir el módulo de Young del adhesivo y la temperatura de curado para reducir el estrés térmico residual. Los enfoques típicos incluyen el curado a baja temperatura, epoxis de bajo módulo o la adición de capas intermedias de metal flexible. Para los sustratos, elija materiales con un CET cercano al silicio; las cerámicas especializadas o los compuestos metal-cerámicos son opciones comunes. Sin embargo, existen compensaciones: los epoxis de bajo módulo generalmente tienen una conductividad térmica y eléctrica deficiente, lo cual es un problema en diseños de alta potencia o sensibles a EMI; Los sustratos con bajo CTE tienden a ser costosos y más difíciles de fabricar. Por lo tanto, para los sensores de presión superficial, presión negativa y presión superficial impermeables, establezca prioridades de materiales y niveles de tolerancia según las necesidades funcionales.
4. Métodos de optimización de procesos.
El control térmico preciso y la relajación del estrés por etapas son formas prácticas de reducir
En lo que respecta al proceso, los pulsos de calor locales y los ciclos térmicos durante el curado pueden reducir el desajuste de temperatura neta. El calentamiento rápido local apunta al troquel y al adhesivo mientras mantiene el sustrato más frío, lo que reduce el ΔT instantáneo; El ciclo térmico aprovecha la relajación viscoelástica del adhesivo para liberar la tensión progresivamente. Estos métodos pueden reducir notablemente la deformación y la desviación de frecuencia, pero añaden complejidad y costo al proceso, y solo son adecuados para ciertos sistemas adhesivos. En la producción, estos ajustes de proceso generalmente se combinan con medidas materiales y estructurales para alcanzar niveles de tensión aceptables sin gastar mucho dinero.
5. Soluciones estructurales (reducir el área de unión y aislar tensiones)
El diseño mecánico para romper las rutas de tensión es a menudo el método más eficaz y escalable.
Estructuralmente, reducir el área de unión, agregar cavidades de compensación de tensiones o insertar capas intermedias flexibles entre el troquel y el sustrato rígido puede reducir drásticamente la deformación del troquel. La reducción del área de unión acorta las rutas de transferencia de tensión; las estructuras de compensación de tensiones generan tensiones que las contrarrestan para cancelar las tensiones térmicas; Las capas intermedias de metal flexible actúan como cojines entre el silicio y los sustratos rígidos. Los métodos unidos con cables y sin adhesivos (cables de unión de doble cara) casi pueden eliminar la tensión transmitida por adhesivo, aunque son más complejos de fabricar. La optimización estructural suele lograr el mejor equilibrio entre rendimiento y capacidad de fabricación y se utiliza ampliamente en la producción en volumen.
Conclusión
Para reducir la tensión del embalaje en dispositivos MEMS, es necesario abordar los materiales, los procesos y las estructuras en conjunto y hacer concesiones prácticas. Para sensores de baja potencia y varios sensores de presión (tipos de superficie, negativos y de superficie impermeable), comience con el control estructural (reduzca el área de unión y agregue capas de amortiguación), luego elija adhesivos que equilibren el módulo bajo y las propiedades térmicas/eléctricas aceptables y, finalmente, use tratamientos térmicos locales o curados por etapas si es necesario.
La introducción anterior sólo toca la superficie de las aplicaciones de la tecnología de sensores de presión. Continuaremos explorando los diferentes tipos de elementos sensores utilizados en diversos productos, cómo funcionan y sus ventajas y desventajas. Si desea obtener más detalles sobre lo que se analiza aquí, puede consultar el contenido relacionado más adelante en esta guía. Si tiene poco tiempo, también puede hacer clic aquí para descargar los detalles de estas guías. Producto del sensor de presión de aire datos PDF.
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