MEMS 장치에서 패키징 스트레스를 낮추는 핵심은 열-기계적 불일치를 관리하는 것입니다. 재료, 프로세스 및 구조라는 3가지 측면에서 혁신을 통해 성능, 신뢰성 및 비용 간의 최상의 균형을 유지하여 대량 생산 및 시간이 지나도 저전력 센서가 안정적으로 유지되도록 할 수 있습니다.
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1. 문제 배경: 패키징 스트레스가 디바이스를 결정하는 이유
표면 및 음압 센서는 특히 민감합니다.
패키징은 MEMS 상용화의 주요 요소입니다. 패키징은 제품 비용의 가장 큰 부분을 차지할 수 있으며 많은 신뢰성 문제는 패키징으로 거슬러 올라갑니다. 패키징 중에 발생하는 잔류 열 응력은 칩 뒤틀림, 오프셋 드리프트 및 주파수 이동을 유발합니다. 이는 압저항 및 공진 요소에 심각한 영향을 미치는 문제입니다. 표면 압력 및 부압 센서의 경우 작은 기계적 변형으로 인해 교정이 변경되고 측정 정확도와 전력 관리 전략에 영향을 미칩니다. 방수 표면 압력 센서는 밀봉과 응력 제어의 균형을 맞춰야 합니다. 따라서 제품 정의부터 포장 스트레스를 고려하고 장치의 작동 온도 및 장기 안정성 요구 사항과 비교하여 평가하십시오.
2. 응력 발생 메커니즘(이론적 모델 및 주요 매개변수)
3층 모델은 ΔT, Δα 및 재료 강성을 정량적으로 보여줍니다.
칩-접착제-기판 3층 모델을 사용하여 패키징 스트레스를 정량화할 수 있습니다. 주요 동인은 경화 온도와 작동 온도(ΔT)의 차이와 칩과 기판 사이의 열팽창 계수(Δα) 불일치입니다. 각 층의 영률과 두께도 응력 수준을 형성합니다. 접착제가 경화되고 어셈블리가 냉각되면 열적 불일치로 인해 얇은 실리콘 다이에 굽힘이 발생하여 전단 응력과 박리 응력이 발생합니다. 이는 차례로 결합 영역 및 제약과 관련이 있습니다. 이러한 매개변수에 대한 계산을 실행하면 오프셋 드리프트와 인터페이스 파손 위험을 예측할 수 있어 개발 중 시행착오를 줄일 수 있습니다.
3. 재료 최적화 경로
실리콘의 CTE와 일치하는 낮은 모듈러스, 저경화 접착제 및 기판을 선택하되 열 및 전기적 요구 사항을 주의하십시오.
재료 선택은 접착제의 영률과 경화 온도를 낮추어 잔류 열 응력을 줄이는 것을 목표로 합니다. 일반적인 접근 방식에는 저온 경화, 저탄성 에폭시 또는 유연한 금속 중간층 추가가 포함됩니다. 기판의 경우 CTE가 실리콘에 가까운 재료를 선택하십시오. 특수 세라믹 또는 금속-세라믹 복합재가 일반적인 선택입니다. 그러나 절충점이 있습니다. 모듈러스가 낮은 에폭시는 일반적으로 열 및 전기 전도성이 좋지 않아 고전력 또는 EMI에 민감한 설계에서 문제가 됩니다. 낮은 CTE 기판은 비용이 많이 들고 제조가 어려운 경향이 있습니다. 따라서 표면압, 부압 및 방수 표면압 센서의 경우 기능적 요구 사항에 따라 재료 우선순위와 허용 수준을 설정하십시오.
4. 공정 최적화 방법
정밀한 열 제어와 단계적 응력 완화는 절단을 위한 실용적인 방법입니다.
공정 측면에서 경화 중 국부적인 열 펄스 및 열 순환은 순 온도 불일치를 낮출 수 있습니다. 국부적인 급속 가열은 기판을 더 차갑게 유지하면서 다이와 접착제를 목표로 하여 순간적인 ΔT를 줄입니다. 열 사이클링은 접착제의 점탄성 완화를 활용하여 점진적으로 응력을 해제합니다. 이러한 방법은 뒤틀림과 주파수 드리프트를 눈에 띄게 줄일 수 있지만 공정이 복잡해지고 비용이 추가되며 특정 접착제 시스템에만 적합합니다. 생산 과정에서 이러한 프로세스 조정은 일반적으로 예산을 초과하지 않고 허용 가능한 스트레스 수준에 도달하기 위해 재료 및 구조적 조치와 결합됩니다.
5. 구조적 솔루션(결합 면적 감소 및 응력 분리)
응력 경로를 차단하는 기계 설계가 가장 효과적이고 확장 가능한 경우가 많습니다.
구조적으로 결합 면적을 줄이고 응력 보상 공동을 추가하거나 다이와 견고한 기판 사이에 유연한 중간층을 삽입하면 다이 변형을 극적으로 줄일 수 있습니다. 결합 면적이 줄어들면 응력 전달 경로가 단축됩니다. 응력 보상 구조는 열 응력을 상쇄하기 위해 상쇄 응력을 생성합니다. 유연한 금속 중간층은 실리콘과 단단한 기판 사이에서 쿠션 역할을 합니다. 와이어 본딩, 무접착 방식(양면 본드 와이어)은 제조가 더 복잡하지만 접착으로 인한 응력을 거의 제거할 수 있습니다. 구조 최적화는 일반적으로 성능과 제조 가능성 간의 최상의 균형을 달성하며 대량 생산에 널리 사용됩니다.
결론
MEMS 장치의 패키징 스트레스를 낮추려면 재료, 프로세스 및 구조를 함께 다루고 실질적인 균형을 이루어야 합니다. 저전력 센서 및 다양한 압력 센서(표면, 네거티브 및 방수 표면 유형)의 경우 구조적 제어부터 시작하여 결합 면적을 줄이고 버퍼 레이어를 추가한 다음 낮은 모듈러스와 허용 가능한 열/전기 특성의 균형을 맞추는 접착제를 선택하고 마지막으로 필요한 경우 국부적 열 처리 또는 단계적 경화를 사용합니다.
위의 소개는 압력 센서 기술 적용의 표면적인 부분에 불과합니다. 우리는 다양한 제품에 사용되는 다양한 유형의 센서 요소, 작동 방식, 장점과 단점을 계속해서 탐구할 것입니다. 여기에서 논의된 내용에 대해 더 자세히 알아보려면 이 가이드 뒷부분의 관련 콘텐츠를 확인하세요. 시간이 촉박한 경우 여기를 클릭하여 이 가이드의 세부정보를 다운로드할 수도 있습니다. 공기 압력 센서 제품 PDF 데이터.
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