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1、 1 / 10高 g 值加速度传感器封装的实验研究摘要本文主要叙述了基于 MEMS 高 g 值加速度传感器的硅封装胶和封装管壳的性能表现。通过使用拉曼光谱，可以得出由于封装胶的厚度不同和封装管壳的材料不同而引起的残余应力的特性。由实验可以得出：封装胶越厚，残余应力增长越慢：由残余应力引起的压阻变化越小；与陶瓷封装相比，不锈钢封装有更高的灵敏度和更大的抗过载能力。1.概述作为小型武器和穿透性武器的核心器件之一，MEMS 高 g 值加速度传感器需要工作在极端高冲击的条件下，冲击力可以达到 200000g，由于工作环境的极端恶劣，封装引起的传感器失效时一个重要的问题，并且必须给予高度重视。外壳的破裂
2、，表面凹陷，链接断裂，引线断裂等都是由于封装导致的传感器失效的可能原因。据报道，在传感器制作过程中，有 50%的开销用于封装工艺。所以如何发展可靠的，低成本的封装工艺对于高 g 值加速度传感器来说至关重要。不同 MEMS 传感器有着不同的封装技术和不同的关键因素。Zarnik 称：工艺过程中引进的残余应力不利于压力传感器的性能。由 FEA 和 DOE 仿真的结果得出：厚的光刻胶和最小的硅片陷入封装胶深度以及最小的周边的封装胶共同决定了传感器的最小残余应力。Mariani 研究了市场上的单轴多晶硅 MEMS 加速度计的封装效应，他们发现封装并不总是可以增加传感器的负载能力。鉴于高 g 值加速度计
3、工作时所处的恶劣环境，有关 MEMS 高 g 值加速度传感器封装效应对其可靠性以及性能的影响的研究已经在进行。我们可以得出结论：由于封装管壳，封装胶以及 MEMS 结构之间材料不同而引起的残余应力是MEMS 传感器封装过程中的核心因素。Chen 进行了在高 g 下封装加速度计的频域和时域 FEA 仿真分析，仿真结果指出：贴片胶的杨氏模量对于模子形状和传感器的性能有很大影响，另一个重要因素是封装的管壳。高 g 值加速度计主要使用两种不同的材料：第一种是陶瓷，已经被广泛商业化应用于 Draper 加速度计中；另一种是金属（主要是不锈钢） ，比如 ENDVCO 的 7270A，PCB 的3991A1
4、1 以及 KISTLER 的 8742A100.2 / 10作为 MEMS 高 g 值加速度的关键技术之一，封装工艺被广泛的研究并试图提高他的可靠性和性能。但从现有的书面报告来看，很多工作着手于建模和方针，有关的实验性研究仍很缺乏。本文中，我们引入了有关传感器可靠性和性能的封装效应的实验研究。结合拉曼光谱，我们对不同封装材料和不同封装胶的传感器的残余应力进行了大量的测试。我们也测试了不同条件下传感器的性能变化情况。最后，我们将封装好的高 g 值加速度计应用于投射实验，并且测试了不同的封装外壳。密度（kg、）杨氏模量（Gpa）泊松比热导率（w/m）热膨胀系数（ppm/）硅23301900.310
5、03.1EPO-TEK H70E150030.30.9186不锈钢79002000.325.9616陶瓷37503070.2821.87.52.实验2.1 高 g 加速度计的设计与制造基于硅的 MEMS 压阻高 g 加速度计的设计是基于悬臂梁质量块结构（见图 1（a） ） 。这种设计可测量的加速度范围是 150000g，抗过载能力是200000g。当传感器在感应方向（Z 方向）上有输入时，根据 FEA 仿真，见图 1（b） ，我们可以计算出结构表面的压力分布情况。200000g 在感应方向上输入，最大的应力是 46.733Mpa，要远小于 Si 所允许的应力。X 和 Y 方向上的应力分布可以。
6、计算出来，压阻制造区域可被选择，见图1（b） 。4 个压阻分别制造在 4 个悬臂梁上，形成一个惠斯通电桥以测量 Z 方向上的加速度。3 / 10体硅工艺用于加速度传感器的制造，详细的工艺流程见参考文献 13.14.工艺过程中使用到了 N 型半导体双面抛光的硅片。主要工艺流程是：压阻的掺杂，背面刻蚀（KOH 湿法） ，电极连接（AL 溅射） ，ICP 刻蚀（结构施放） ，Si-玻璃键合。传感器制造完成后的结构见图 1（c） 。2.2 高 g 加速度计封装在封装过程中，高 g 加速度计的 MEMS 结构要与封装管壳互联，要有一个引线互联的工艺来形成 MEMS 结构和电信号处理电路的电互联。所有在本
7、研究中使用的材料成分见表 1.EPO-TEK H70E 用于粘结 MEMS 结构和封装管壳的封装胶。EPO-TEK H70E 有两种成分，热导体和电绝缘环氧基树脂（被用于微电子和光电子设备的芯片连接） 。两种成分混合比例为 1:1 的 EPO-TEK H70E 是个本实验所采用的。而且粘结结构的烘烤时间为 85C，90min。引线粘结用的是球楔形引线粘结剂 7700E（由 West Bond 生产并提供） ，这种粘结剂使用球楔形技术，用超声能量和 Work Piece 加热生产而成。Au 线使用直径为 50um。2 种不同的管壳材料作为封装材料被测试：陶瓷和不锈钢。制造的管壳结构如图。2.3
8、高 g 值加速度计的测试和校准封装胶对于加速度计性能的影响主要决定于残余应力的变化和封装前后阻值的不同。拉曼光谱用于定量的测量封装前后残余应力的变化。拉曼光谱仪InVia 由英格兰的 Renishaw 公司生产，被用于测量拉曼光谱。测试的激光波长为 514.5nm，激光能量为 5mw。实验过程和计算方法的细节在我们之前出版物15.16 中有详细的描述。所有实验都是在室温中进行的。封装之后，传感器的灵敏度由 Master Hammer 来测试。抗过载能力使用Hopkinson Bar 来分析。最后，传感器在发射实验中被测试以分析其不同封装在真实环境中的性能。所有加速度计的电学性能使用微微安计来测
9、试。4 / 10图 1.高 g 传感器结构：（a）MEMS 结构和剖面图。 （b）加速度计结构的 FEA 仿真（c）MEMS 高 g 加速度计的光学图像图 2封装后加速度计的图像：（a）陶瓷封装（b）不锈钢封装图 3.封装胶对加速度计的影响：（a）封装前后的残余应力变化（b）封装前后的压阻变化3.结果和讨论3.1 封装胶效应对结构体残余应力的影响。由于机械约束和热膨胀系数在硅片，封装胶和衬底之间的不吻合，导致了封装后热应力的产生。热应力引起残余应力并传到机械结构上。封装胶的厚度不同对传感器性能的影响是被研究的对象。本实验中使用不锈钢作为封装材料。通过控制封装胶的数量，我们可以得到 2 种不同厚
10、度的封装胶：70um 和5 / 10200um。对于厚的封装胶，由于数量较大，会出现封装胶溢出的现象，硅片会深入胶约 150um。残余应力由拉曼光谱来测量，并且封装前后都进行了测量。对于每一次测试，我们选择了在压阻上的 6 个不同点来进行，最后计算残余应力的平均值，并显示在图 3（b）上。从图 3（a）和图 3（b）的数据中，我们可以得出结论：封装胶薄的组，残余应力由-41.5193Mpa 到 76.4925Mpa 变化，从而引起更大的压阻变化：从2.755k 到 2.781k。但对于带有溢出的厚封装胶，封装前后的残余应力和压阻变化都要更小一些：从-34.503Mpa 到 4.4847Mpa，
11、和从 2.848K 到2.857K。我们进行了重复试验并且得到了 3 组数据。当封装胶的厚度为 70um和 200um 时，残余应力的变化为：83.067Mpa，105.336Mpa，118.011Mpa 和38.8473Mpa，42.587Mpa，56.962Mpa。压阻的变化量为：24,25,26 和 9,11,14.所以测量的结果具有很好的可靠性和重复性。由封装引起的残余应力可以归因于 MEMS 结构，封装胶和管壳之间的材料的不同。 （可以由表一看出） ，在封装过程中，胶的厚度与热应力成反比，而且胶可以作为热应力的缓冲剂。胶越厚，缓冲作用越大，测得的热应力越小。胶的厚度和 MEMS 结构
12、的残余应力的浸泡效应已经可以被量化并测量，而且与我们通过对高 g 加速度计实验得到的结果一致，但是在本实验中，我们发现，过多的封装胶可能引起过多的溢出会污染 MEMS 结构，从而导致加速度计的失效。所以，通常我们把胶的厚度控制在 200um 范围内并且对于工程应用来说溢出在150um 内。3.2 封装管壳材料对结构残余应力的影响封装管壳材料是影响残余应力的另一个重要因素。本实验共研究了 2 种不同的管科材料：陶瓷和不锈钢。从表 1 中，我们可以看见不同材料之间的差异，管壳材料不同，由封装引起的压阻表面热应力也不同，因为不同材料的热膨胀系数不同。从拉曼实验结果我们可以得出（见图 4（a） ）：陶
13、瓷封装的加速度计的残余应力由 38.735Mpa 增长到 70.501Mpa。而由不锈钢封装的则变化范围更大：从-52.369Mpa 到 79.205Mpa。我们认为，这种差异产生的原因是由于不6 / 10锈钢的 CTE 远大于陶瓷的 CTE。在封装过程中，传感器和不锈钢的管壳之间的不同要比其与陶瓷的不同大很多，所以热应力应该是陶瓷更大。残余应力的差异也引起压阻的变化。如图 4（b）所示，我们可以得出结论：陶瓷封装的传感器，电阻变化为 8，他比不锈钢的 22 要小。另外 2 组实验也对封装的管壳材料进行了测试，对于陶瓷和不锈钢封装的传感器的残余应力分别为：27.515Mpa，28.152Mpa
14、 和 159.061Mpa，166.242Mpa，压阻分别为：5,6 和 24,25.测试结果有很好的可靠性和重现性。3.3 封装效应对传感器性能的影响再把传感器芯片与管壳结构连接到一起之后，使用 Ball-Wedge 线粘合剂，加速度计与扩散的信号处理电路连在了一起。加速度计的输出信号被放大了 20倍，参考电压为 1.3V。3.3.1 不同传感器封装的热效应考虑到高 g 加速度计可能工作在不同温度下，我们必须研究不同封装传感器的温度稳定性。输出电压（没有多余的加速度输入）在温度从 30C 到 70C 变化时被测量，测试结果见图 5.压阻的热效应已经在参考文献 16 中给出。但在本实验结果中，
15、我们发现在30-70C 温度变化下，薄的封装胶具有很差的热稳定性。 （见图 5（a） ） 。我们认为，这是由于不同封装胶的厚度不同造成的。由于 EPO-TEK H70E（如表 1 所示）有很差的热导率，作为绝热体以减少热应力的封装胶，其越厚，电阻变化越小，输出电压越稳定。同样的实验也用于测试不同材料封装的传感器，结果见图 5（b） ，本实验结果显示：与陶瓷封装相比，由于不锈钢有更好的热导率和更大的热膨胀系数，不锈钢的输出电压稳定性更差。通过类似的实验，我们得出：当封装胶分别为70um 和 200um 时，输出电压的变化分别为：0.0916v，0.1208v，0.1335v 和0.0501v，0
16、.0525v，0.0554v。当封装分别为陶瓷和不锈钢时，输出电压的变化分别为：0.0272v，0.0401v，0.0458v 和 0.1467v，0.1678v，0.1824v。3.3.2 灵敏度测试7 / 10陶瓷和不锈钢封装的高 g 加速度计的灵敏度由 Master Hammer 来测试。传感器由 3 个螺钉紧紧固定在锤上(如图 6（a）所示)，另有一个参考加速度计（已被校订）也被固定以用于测量施加的加速度。加速度由 10000 到 30000g 范围内变化，测试结果被显示在图 6（b） ，6（c）中，从图中数据可以得出以下结论：不锈钢封装的灵敏度为0.2944uV/g，而陶瓷封装的灵敏度为 0.1369uV/g。灵敏度的差异主要由陶瓷和不锈钢之间不同的应力波传播特性不同引起。传感器上所施加的最大负载见下面等式：Cev0 是波速，2Rh 是封装管壳的结构参数。P 是管壳的密度，E 是管壳的杨氏模量。从等式（1） （2）中我们可以得到：最大负载与 Ep 成正比，根据表 1，Ep的值是不锈钢大于陶瓷，所以，在相同的冲击下，不锈钢管壳比陶瓷管壳具有更大的负载
