MEMS デバイスのパッケージング ストレスを下げる中心は、熱機械的ミスマッチを管理することです。材料、プロセス、構造という 3 つの側面にわたって革新することで、パフォーマンス、信頼性、コストの最適なバランスを実現し、低電力センサーが大量生産でも長期にわたっても安定した状態を維持できるようにします。
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1. 問題の背景: パッケージング応力がデバイスを決定する理由
表面センサーと負圧センサーは特に敏感です
パッケージングは MEMS の商品化における主要な要素です。パッケージングは製品コストの大部分を占める可能性があり、信頼性の問題の多くはパッケージングに遡ります。パッケージング中に発生する残留熱応力は、チップの反り、オフセット ドリフト、周波数シフトの原因となり、ピエゾ抵抗素子や共振素子に大きな影響を与える問題となります。表面圧力センサーと負圧センサーの場合、小さな機械的変形によりキャリブレーションが変化し、測定精度や電力管理戦略に影響を与えます。防水面圧センサーは、密閉性と応力制御のバランスを保つ必要があります。したがって、製品の定義からパッケージングのストレスを考慮し、デバイスの動作温度と長期安定性の要件を比較検討してください。
2. 応力発生メカニズム（理論モデルと主要パラメータ）
3 層モデルにより、ΔT、Δα、および材料の剛性を定量的に把握できます。
チップ、接着剤、基板の 3 層モデルを使用してパッケージングのストレスを定量化できます。主な要因は、硬化温度と動作温度の差 (ΔT)、およびチップと基板間の熱膨張係数の不一致 (Δα) です。各層のヤング率と厚さによっても応力レベルが決まります。接着剤が硬化してアセンブリが冷えると、熱の不一致により薄いシリコン ダイに曲がりが生じ、せん断応力と剥離応力が発生します。これらはさらに結合領域と制約に関係します。これらのパラメータで計算を実行すると、オフセット ドリフトと界面破壊のリスクを推定できるため、開発中の試行錯誤が削減されます。
3. 材料の最適化パス
シリコンの CTE に適合する低弾性率、低硬化性の接着剤と基板を選択しますが、熱と電気のニーズに注意してください
材料の選択は、接着剤のヤング率と硬化温度を下げて残留熱応力を軽減することを目的としています。一般的なアプローチには、低温硬化、低弾性エポキシ、または柔軟な金属中間層の追加が含まれます。基板には、シリコンに近い CTE を持つ材料を選択します。特殊なセラミックまたは金属とセラミックの複合材料が一般的な選択肢です。ただし、トレードオフもあります。低弾性エポキシは通常、熱伝導性と電気伝導性が低く、高電力設計や EMI に敏感な設計では問題になります。低熱膨張率の基板はコストが高く、製造が困難になる傾向があります。そのため、面圧センサー、負圧センサー、および防水面圧センサーについては、機能上のニーズに基づいて材料の優先順位と許容レベルを確立します。
4. プロセスの最適化手法
正確な熱制御と段階的な応力緩和は、切断を行うための実用的な方法です。
プロセス側では、硬化中の局所的な熱パルスと熱サイクルにより、最終的な温度の不一致を下げることができます。局所的な急速加熱は、基板を低温に保ちながらダイと接着剤をターゲットにし、瞬間的なΔTを低減します。熱サイクルでは、接着剤の粘弾性緩和を利用して応力を徐々に解放します。これらの方法は反りや周波数ドリフトを顕著に軽減できますが、プロセスの複雑さとコストが増加し、特定の接着剤システムにのみ適しています。生産では、通常、予算を超過することなく許容可能な応力レベルに到達するために、これらのプロセスの調整が材料および構造的な対策と組み合わされます。
5. 構造ソリューション (結合面積を減らし、応力を隔離する)
応力経路を遮断する機械設計は、多くの場合、最も効果的で拡張性の高い方法です。
構造的には、接合面積を減らしたり、応力補償キャビティを追加したり、ダイとリジッド基板の間に柔軟な中間層を挿入したりすることで、ダイの変形を大幅に軽減できます。接着面積が縮小すると、応力伝達経路が短くなります。応力補償構造は、熱応力を相殺するために反作用応力を生成します。柔軟な金属中間層は、シリコンと硬い基板の間のクッションとして機能します。接着剤を使用しないワイヤーボンディングのアプローチ (両面ボンドワイヤー) では、接着剤によって伝わる応力をほぼ排除できますが、製造はより複雑になります。構造の最適化は通常、パフォーマンスと製造性の最適なバランスを実現し、大量生産で広く使用されています。
結論
MEMS デバイスのパッケージング ストレスを軽減するには、材料、プロセス、構造を一緒に検討し、実際的なトレードオフを考慮する必要があります。低出力センサーやさまざまな圧力センサー (表面、負圧、防水表面タイプ) の場合は、構造制御から始めて、接着面積を減らし、緩衝層を追加します。次に、低弾性率と許容可能な熱/電気特性のバランスが取れた接着剤を選択し、最後に必要に応じて局所熱処理または段階的硬化を使用します。
上記の紹介は、圧力センサー技術のアプリケーションの表面をなぞっただけです。私たちは、さまざまな製品で使用されているさまざまなタイプのセンサー素子、それらがどのように機能するか、そしてそれらの長所と短所を引き続き調査していきます。ここで説明する内容についてさらに詳しく知りたい場合は、このガイドの後半にある関連コンテンツをご覧ください。時間がない場合は、ここをクリックしてこのガイドの詳細をダウンロードすることもできます。 空気圧センサー製品PDFデータ。
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