Основой снижения нагрузки на упаковку в устройствах MEMS является устранение термомеханического несоответствия. Внедряя инновации в трех измерениях — материалах, процессах и конструкциях — вы можете найти наилучший баланс между производительностью, надежностью и стоимостью, гарантируя, что маломощные датчики останутся стабильными в массовом производстве и с течением времени.
Каталог
1. Предыстория проблемы: почему стресс от упаковки определяет устройство
датчики поверхностного давления и отрицательного давления особенно чувствительны
Упаковка является основным фактором коммерциализации МЭМС: на нее может приходиться львиная доля стоимости продукта, а многие проблемы с надежностью связаны с упаковкой. Остаточные термические напряжения, возникающие во время упаковки, вызывают коробление чипа, дрейф смещения и сдвиг частоты — проблемы, которые сильно влияют на пьезорезистивные и резонансные элементы. Для датчиков поверхностного давления и отрицательного давления малейшие механические деформации изменяют калибровку и влияют на точность измерений и стратегии управления энергопотреблением. Водонепроницаемые датчики поверхностного давления должны сочетать герметичность и контроль напряжений. Итак, учитывайте нагрузку на упаковку, начиная с определения продукта, и сопоставляйте ее с рабочей температурой устройства и требованиями к долгосрочной стабильности.
2. Механизм возникновения напряжений (теоретическая модель и основные параметры)
трехслойная модель дает количественное представление — ΔT, Δα и жесткость материала.
Вы можете количественно оценить стресс от упаковки с помощью трехслойной модели чип-клей-подложка. Основными факторами являются разница между температурой отверждения и рабочей температурой (ΔT), а также несоответствие коэффициентов теплового расширения (Δα) между чипом и подложкой. Модуль Юнга и толщина каждого слоя также определяют уровень напряжения. Когда клей затвердевает и сборка охлаждается, температурное несоответствие вызывает изгиб тонкой кремниевой матрицы, вызывая напряжения сдвига и отслаивания; это, в свою очередь, относится к области связей и ограничениям. Выполнение расчетов по этим параметрам позволяет оценить смещение смещения и риск разрушения интерфейса, что сокращает количество проб и ошибок во время разработки.
3. Пути оптимизации материалов
выбирайте низкомодульные клеи с низким уровнем отверждения и подложки, соответствующие КТР кремния, но следите за тепловыми и электрическими потребностями.
Выбор материала направлен на снижение модуля Юнга клея и температуры отверждения, чтобы уменьшить остаточное термическое напряжение. Типичные подходы включают низкотемпературное отверждение, использование низкомодульных эпоксидных смол или добавление гибких металлических промежуточных слоев. Для подложек выбирайте материалы с КТР, близким к кремнию: обычно выбирают специализированную керамику или металлокерамические композиты. Однако есть компромиссы: низкомодульные эпоксидные смолы обычно имеют плохую тепло- и электропроводность, что является проблемой в конструкциях высокой мощности или чувствительных к электромагнитным помехам; Подложки с низким КТР, как правило, дороги и их сложнее производить. Таким образом, для датчиков поверхностного давления, отрицательного давления и водонепроницаемых датчиков поверхностного давления установите приоритеты материалов и уровни допуска на основе функциональных потребностей.
4. Методы оптимизации процессов
точный термоконтроль и поэтапная релаксация напряжений — практические способы резки
Что касается процесса, локальные тепловые импульсы и термоциклирование во время отверждения могут снизить фактическое несоответствие температур. Локальный быстрый нагрев воздействует на матрицу и клей, сохраняя при этом подложку прохладной, что снижает мгновенное значение ΔT; термоциклирование использует вязкоупругую релаксацию клея для постепенного снятия напряжения. Эти методы могут значительно уменьшить коробление и дрейф частоты, но они усложняют процесс и увеличивают его стоимость, а также подходят только для определенных клеевых систем. В производстве эти изменения процесса обычно сочетаются с материальными и структурными мерами, позволяющими достичь приемлемого уровня стресса без ущерба для бюджета.
5. Структурные решения (уменьшить площадь соединения и изолировать напряжение)
Механическая конструкция, позволяющая разрывать пути напряжения, часто является наиболее эффективной и масштабируемой.
Конструктивно уменьшение площади соединения, добавление полостей для компенсации напряжений или вставка гибких прослоек между матрицей и жесткой подложкой могут значительно снизить деформацию матрицы. Уменьшение площади соединения сокращает пути передачи напряжения; структуры компенсации напряжений генерируют противодействующее напряжение для компенсации термического напряжения; гибкие металлические прослойки действуют как подушки между кремнием и жесткими подложками. Методы проволочного соединения без использования клея (проволоки с двухсторонней связью) могут практически исключить напряжение, передаваемое клеем, хотя их сложнее производить. Структурная оптимизация обычно обеспечивает наилучший баланс между производительностью и технологичностью и широко используется в серийном производстве.
Заключение
Чтобы снизить нагрузку на упаковку в устройствах MEMS, вам необходимо совместно решать вопросы материалов, процессов и конструкций и идти на практические компромиссы. Для маломощных датчиков и различных датчиков давления (поверхностные, отрицательные и водонепроницаемые) начните со структурного контроля — уменьшите площадь соединения и добавьте буферные слои — затем выберите клеи, которые уравновешивают низкий модуль упругости и приемлемые термические/электрические свойства, и, наконец, при необходимости используйте локальную термообработку или поэтапное отверждение.
Вышеупомянутое введение лишь поверхностно коснулось области применения технологии датчиков давления. Мы продолжим изучать различные типы сенсорных элементов, используемых в различных продуктах, их работу, их преимущества и недостатки. Если вам нужна более подробная информация о том, что здесь обсуждается, вы можете просмотреть соответствующий контент далее в этом руководстве. Если у вас мало времени, вы также можете нажать здесь, чтобы загрузить подробную информацию об этом руководстве. Данные датчика давления воздуха PDF.
Для получения дополнительной информации о других сенсорных технологиях, пожалуйста, Посетите нашу страницу датчиков.