MEMS加速度计封装可靠性研究

• 作 者: 李博伟
• 机 构: 桂林电子科技大学
• 出 处: 桂林电子科技大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: MEMS加速度计 封装结构 环氧模塑封材料 冲击振动 响应特性

MEMS加速度计是MEMS技术的重要核心器件之一,目前基于MEMS技术开发的加速度计已广泛应用于汽车电子、航空航天、军事、医疗等领域。但是,由于MEMS加速度计的复杂性与特殊性,封装技术已成为器件制造的难点与产业化的瓶颈。因此,开展对MEMS加速度计系统级封装技术的可靠性研究具有重要的意义。　　本论文以高量程压阻式MEMS加速度计封装结构作为研究对象,该加速度计具有双悬臂梁的敏感结构,主要由EMC(环氧模塑封材料)、芯片、盖板、衬底、贴片胶和基板组成。首先介绍了加速度计的工作原理和关键组件EMC的性质,并利用有限元软件ANSYS建立了封装结构的三维有限元模型,通过模态分析研究了加速度计封装结构的振动特性。为说明EMC的特性对MEMS加速度计封装可靠性的影响,基于EMC的三种材料模式(温度相关弹性、粘弹性和恒弹性),分别模拟了加速度计在温度循环的作用下输出电压、悬臂梁的挠度和根部应力以及整个封装结构的应力和翘曲的变化情况,此外,笔者也分析了EMC的热膨胀系数对MEMS加速度计封装可靠性的影响。模拟结果表明:EMC的材料模式不同,加速度计的工作性能会产生差异。此外,当实际温度低于EMC的玻璃化转变温度时,采用玻璃态的热膨胀系数能够更准确的反映出EMC对MEMS加速度计封装可靠性的影响。　　其次,本文以贴片胶的杨氏模量和形态模式作为主要参数,进一步研究了贴片胶的特性对MEMS加速度计性能的影响。通过模拟发现:贴片胶的杨氏模量对加速度计性能的影响较大,在实际应用中,应尽可能考虑使用软胶。　　MEMS加速度计通常工作于恶劣的环境中,尤其是在高速冲击振动的场合,对传感器的可靠性要求更高。因此,笔者分析了加速度计封装结构在高速冲击振动条件下的响应特性,对封装结构在不同方向施加了半正弦载荷,发现冲击振动对加速度计水平敏感方向的输出响应特性的影响较大。而且,对封装结构施加阻尼有利于获得比较光滑平整的输出波形,但会引起输出信号的延迟。　　最后,笔者利用正交试验对MEMS加速度计封装结构的相关参数进行了优化,以压敏电阻中心节点的应力作为优化目标。通过优化得出了最佳参数组合,并发现EMC的厚度对电阻中心节点的应力影响较大。