有限元分析软件在封装结构变形影响中的应用

郝永平,卢继奎,杨 芳

(沈阳理工大学CAD/CAM技术研究与开发中心,辽宁沈阳 110168)

0 引言

压阻式加速度计采用的主要结构基本都是相同的[1],包括一个悬臂梁悬挂的质量块,而悬臂梁连接到一个固定的外框上。封装结构的变形会引起悬臂梁发生变形,从而影响微加速度计的性能。通常,封装结构需要具有4种主要功能[2-3]:1)信号的输入输出端向外界的过渡手段;2)电源的输入输出同外界的过渡手段;3)散热;4)保护器件不受外界环境的影响。Tanner等[4]曾对封装好的加速度计在冲击环境下的可靠性进行了很多实验研究,Davies[5]提出了高g值加速度计封装设计上的几个原则,吴含琴等[6]曾对开关封装结构热形变对芯片性能的影响进行过研究,董健[7]对冲击硅微机械加速度传感器进行了封装性能分析,但只进行了模态分析,没有指出影响的具体数值。为此,引入有限元分析软件Coventor Ware的Package模块进行定量分析。

1 Coventor Ware简介

有限元分析软件Coventor Ware是目前分析MEMS结构的专业软件,包括MEMS工艺的模拟、压阻分析、压电分析、静电分析、电磁分析等,其中的Package分析模块能对MEMS器件进行封装分析,计算出封装结构变形对封装芯片性能的影响,并给出具体的影响值数值。

在Package分析模块中,首先分析出传感器工作时由于工作环境发生变化,封装结构产生变形的情况,然后将封装结构变形情况,施加在传感器芯片上,从而分析出封装结构变形对芯片性能的影响。

2 Package模块的应用

本文采用Coventor Ware有限元分析软件进行建模和仿真分析。该压阻式加速度计,测量垂直于加速度计方向的重力加速度,量程为10 000～50 000 g。加速度计包含一个两端固定梁,悬于支撑架上,梁中间有一质量块,用于在承受加速度载荷时增加梁的变形。质量块长 1 200μm,宽 640μm,两端固定梁长和宽分别为6 400μm和420μm,厚度为300μm。压阻材料嵌入质量块与两端固定梁连接处,建立的模型如图1所示。本文的封装方法采用文献[7]中提供的思路进行封装。封装结构采用 TUNGSYEN-kyocera材料,这种材料相对于可伐合金有较好的散热性、优良的电磁屏蔽性能以及良好的力学性能。用钛丝连接芯片的铝布线压点和管脚,使它具有良好的延展性,用环氧树脂粘结金属基板与芯片。

图1 加速度计芯片结构Fig.1 Structure of the acceleration sensor

模拟分析思路:首先利用Coventor Ware进行建模,然后借助Coventor Ware中Package分析模块,分析出封装结构由于工作环境发生变化而产生的变形,最后将得到的分析结果作为分析加速度计芯片时的初始条件,以此来模拟封装结构变形对加速度计芯片性能的影响。分析示意图如图2所示。

图2 整体封装示意图Fig.2 Schematic diagram package

封装壳体的材料参数和结构参数如表1和表2所示。

表1 封装结构的材料参数Tab.1 Package of material parameters

表2 封装结构的尺寸Tab.2 Package size

3 封装结构热形变对芯片的影响

芯片工作发热有多种散热机制,其中主要的是向衬底和封装基板(包括热沉)的热传导。热量向外传导时,由于封装结构中各材料的热膨胀系数不同,当发生变形时,其形变的大小很可能是不一致的,因而产生热弹性应力。具体将表现为芯片表面的弹性正应变和弯曲,对芯片上开关器件的工作性能和可靠性产生明显的影响[6]。

当加速度传感器的工作环境温度发生变化时,会引起封装结构的变形,从而对芯片性能产生影响。温度从280～440 K变化时,经过分析封装结构的变形如图3所示。

图3 不同温度下封装结构最大变形量Fig.3 At different temperatures the structure of the largest package deformation

图3 中曲线表明,封装结构随着温度的升高变形随之增加。

由于封装结构发生热形变时会引起芯片产生相应的变形,图4示意了芯片所发生的位移变形。从图中可以看出,芯片的最大变形量发生在质量块附近,即压阻材料的放置位置,因此会对芯片的性能产生影响。

图4 芯片变形图Fig.4 Chip deformation map

电流输出是压阻式加速度计性能的一个重要指标,通过分析输出电流的变化情况,就可以判别封装机构在温度变化是对芯片的影响。

在加速度计在正常工作时,取温度变化范围273～339K,计算了芯片的变形与电流的输出,如表3所示。

表3 不同温度下芯片的变形以及电流输出情况Tab.3 chips at different temperatures and current output of the deformation of the situation

从表3的结果可以得出,温度在339 K时,电流输出为8.728 9×1010p A。在封装结构不发生变形时,输出电流为8.727 2×1010p A。电流的变化值为0.001 7×1010pA,误差为0.019%。由此可以看出,温度对该加速度计的性能影响很小。这是由于该加速度计的尺寸较大,温度发生变化时对芯片的影响很小。

4 高过载冲击对芯片性能的影响

对高g值加速度传感器,量程为10 000～50 000 g,考虑封装结构受到冲击时对芯片的影响。当加速度计工作时,封装结构的底部固定在被测件上,分析封装壳体分别受到X、Y方向冲击时对芯片的影响。

4.1 沿X方向冲击载荷对芯片性能的影响

将封装结构的底部固定,当整体受到50 000 g的冲击,观察其应力以及位移变化。图5显示了受到X方向冲击时的封装结构变形量,最大变形为0.09 μm,最大变形发生在封装结构的顶部,对芯片影响不大。从图6可以知道受到冲击时,封装结构最大应力为77 MPa,远远小于封装材料的屈服应力,因此在高过载情况下,封装结构满足强度要求。封装结构受到冲击产生的变形对芯片的影响如图7所示,可以看出芯片的最大变形仅为0.057μm,变形量很小,且最大变形发生在芯片的两端,对压阻部件的影响很小。根据表3的数据可以得出,芯片发生1.78μm的变形时对电流输出只有0.032%的影响,故载荷冲击芯片发生变形0.057μm时,对电流输出的影响可以忽略。

图5 承受X方向冲击时封装结构变形Fig.5 Under the direction of theimpact of X package structure deformation

图6 承受X方向冲击时封装结构应力分布图Fig.6 Under the X direction of the impact of stress distribution package structure

图7 承受X方向冲击时芯片变形图Fig.7 Under the direction of theimpact of X chart the chip deformation

4.2 沿Y方向冲击载荷对芯片性能的影响

由于芯片沿X方向放置,因此在受到Y方向的冲击时产生的影响与X方向受到冲击的情况不同。图8所示为封装结构受到Y方向时的应力分布情况,可以看出在封装结构的底部应力比较集中,最大应力为41 MPa,相对于X方向受到冲击时应力减小了很多,这是因为在Y方向的受冲击面积相对于X方向大,所以有助于减小应力。图9为封装结构受到Y方向的冲击的变形图,这与X方向受到冲击时变形相似,但是最大变形只有0.012μm。图10为芯片相应的位移变形图,从图中可以得出,最大的变形量为0.066μm,与X方向受到冲击时的结果类似,因此可以忽略。

图8 承受Y方向冲击时封装结构应力分布图Fig.8 Under the Y direction of the impact of stress distribution package structure

图9 承受Y方向冲击时封装结构变形Fig.9 Under the direction of theimpact of Y package structure deformation

图10 承受Y方向冲击时芯片变形图Fig.10 Under the direction of the impact of Y chart the chip deformation

分析结果表明:在常温下,封装结构变形对芯片性能的影响很小,误差为0.019%;同时封装结构受到冲击时对芯片的影响很小,误差最大为0.032%,在工作环境的温度发生变化和受到冲击时,加速度计可以正常工作。得出的结论与文献[7]实验结论一致:冲击硅微机械加速度传感器封装结构在不影响传感器测试精度的同时具有较好抗冲击破坏能力。

5 结论

本文利用 Coventor Ware有限元分析软件中Package模块进行了封装结构变形对压阻式加速度计的性能影响分析。分析结果表明,温度和冲击作用于压阻式传感器封装结构对传感器的性能影响很小,均在万分之一数量级,与前人的试验结果吻合。

[1]陈雪萌,李昕欣,宋朝晖,等.一种新结构硅微机械压阻加速度计[J].传感技术学报,2005(3):500-503.CHEN Xuemeng,LI Xinxin,SONG Zhaohui,et al.A new structure silicon piezoresistive micromachined accelerometer[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2005(3):500-503.

[2]O＇neal Chad B,Mal she Ajay P,Singh Sushila B,et al.Challenges in the packaging of MEMS[C]//1999 International Symposium on Advanced Packaging Materials.1999:41-47.

[3]Jackson K A,屠海令.半导体工艺[M].万群,译校.北京:科学出版社,1999.

[4]Tanner DM,Waleaven J A,Helgesen K,et al.MEMS reliability in shock environments[C]//Proceedings of International Reliability Physics Symposium USA:San Jose,2000.

[5]Davies B R,Barron C C,Montague S,et al.High G MEMS Integrated Accelerometer[J].SPIE Proceedings,1997,3 046:52-62.

[6]吴含琴,廖小平,董乔华.MEMS开关封装结构热形变对芯片性能的影响[J].微纳电子技术,2006(6):293-297.WU Hanqin,LIAO Xiaoping,DONG Qiaohua.Effects of thermal displacement of MEMS switch package structure on chip performance[J].Micronanoelectronic Technology,2006(6):293-297.

[7]董健.冲击硅微机械加速度传感器的封装与封装性能分析[J].传感技术学报,2008(6):959-963.DONG Jian.Package of silicon micromachined shock accelerometer and package performance analysis[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2008(6):959-963.